ТЦ Отрадное (499) 903-32-12
Авторизация
Логин:
Пароль:
 
Запомнить меня
Забыли пароль?
Партнеры

Яндекс.Метрика

Счетчик PR-CY.Rank

Реклама на сайте

Переход к жестким дискам нового формата с секторами размером 4 КБ

12 ноября 2011 - Администратор

В отрасли жестких дисков грядут большие перемены. В то время как за последние
годы происходил стремительный рост плотности хранения данных, один из базовых
параметров конструкции жестких дисков — размер логического блока, называемого
сектором — оставался неизменным.
Начиная с 2009 года, с ускорением в 2010 и выходом на массовый рынок в 2011 году
производители жестких дисков переходят от традиционно используемого размера
сектора, составляющего 512 байт, к новому, более эффективному размеру 4096 байт,
который обычно называют размером 4 КБ и который теперь носит название Advanced
Format (новый формат), присвоенное ассоциацией IDEMA (Международной ассоциацией
производителей жестких дисков).

В этом документе рассказывается о причинах такого перехода и перспективных
преимуществах для потребителей, а также о возможных «подводных камнях», которых
следует избегать при переходе от сектора размером 512 байт к сектору размером 4 КБ.
Вместо предисловия
Уже более 30 лет данные на жестких дисках форматируются в виде небольших
логических блоков, называемых секторами. Размер традиционного сектора составляет
512 байт. Фактически многие элементы современных компьютерных систем созданы
с учетом этого фундаментального стандарта.
Традиционно используемый сектор содержит раздел интервала, раздел синхронизации,
раздел метки адреса, область данных и область кода исправления ошибок (рис. 1).
Техническое описание
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Рис. 1. Расположение традиционных секторов на носителе жесткого диска
Сектор диска имеет следующую структуру:
Интервал: промежуток между секторами.
Код синхронизации: метка синхронизации, обозначающая начало сектора
и позволяющая синхронизировать работу диска.
Метка адреса: метка, содержащая данные для идентификации номера
и расположения сектора. В ней также хранится информация о состоянии сектора.
Область данных: в этой области хранятся данные пользователя.
Область исправления ошибок: в этой области хранятся коды исправления
ошибок, с помощью которых исправляются и восстанавливаются данные,
которые могли быть повреждены во время чтения или записи.
Этот низкоуровневый формат используется в нашей отрасли уже многие годы.
Однако в связи с ростом емкости жестких дисков размер сектора неизбежно
становится конструктивным ограничением для дальнейшего повышения емкости
дисков и эффективности исправления ошибок. К примеру, если соотнести размер
сектора с емкостью устаревших и современных дисков, то можно увидеть, что
разрешение сектора многократно уменьшилось. Разрешение сектора (отношение
размера сектора к общей емкости диска, выраженное в процентах) в значительной
мере сократилось и, как следствие, стало неэффективным (таблица 1).


Емкость Общее количество
секторов
Разрешение сектора
40 МБ 80 000 0,001%
400 ГБ 800 000 000 0,0000001%
Низкое разрешение подходит для управления небольшими разрозненными
последовательностями данных. Однако современные приложения, как правило,
оперируют блоками данных, которые намного больше размера сектора 512 байт.
И что еще более важно, небольшие сектора размером 512 байт занимают все
меньшую площадь поверхности диска по мере повышения плотности записи. Это
становится проблемой в контексте исправления ошибок и вследствие дефектов
покрытия. На рис. 2, например, данные в секторе жесткого диска занимают меньшую
площадь, что делает исправление ошибок сложнее, так как дефекты покрытия,
имеющие прежний размер, повреждают больший процент данных и для их
восстановления требуются более совершенные средства.
2


Рис. 2. Дефекты носителя и плотность записи
Таблица 1. Разрешение сектора как мера общей емкости диска
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
В секторе размером 512 байт, как правило, можно исправить дефект длиной до
50 байт. Современные жесткие диски с наибольшей плотностью записи почти достигли
предела в области исправления ошибок. Поэтому основной потребностью отрасли
для дальнейшего развития средств исправления ошибок и повышения эффективности
жестких дисков сегодня является переход к секторам большего размера.
Переход к секторам размером 4 КБ (новый формат)
В индустрии хранения данных уже несколько лет ведутся совместные работы над
переходом к секторам большего размера. Компания Seagate вместе с партнерами
проводит масштабные работы в этом направлении уже более пяти лет (рис. 3).
В декабре 2009 года в результате совместных усилий IDEMA был создан и утвержден
новый формат Advanced Format. Это название стало официальным для стандарта
секторов размером 4 КБ. Кроме того, все производители жестких дисков договорились
начать поставки новых моделей дисков этого формата для настольных и перенос-
ных ПК к январю 2011 года. Как ожидается, жесткие диски формата Advanced Format
начнут поступать на рынок раньше этого времени. Компания Western Digital начала
поставки жестких дисков нового формата в декабре 2009 года; компания Seagate уже
некоторое время поставляет жесткие диски с секторами большого размера OEM-
производителям, а также комплектует ими устройства, производимые под собственной
маркой, прежде всего внешние жесткие диски с интерфейсом USB, такие как
Seagate® FreeAgent®.
3


Рис. 3. Основные вехи разработки стандарта Advanced Format
Перспективные преимущества секторов размером 4 КБ
Поскольку производители жестких дисков договорились перейти к новому формату
секторов к январю 2011 года, остальным участникам отрасли ИТ необходимо заранее
подготовиться к этому переходу, чтобы избежать возможных негативных последствий.
В краткосрочном периоде потребители не ощутят заметного эффекта, если говорить
о быстром росте емкости жестких дисков. Однако переход к секторам размером 4 КБ,
несомненно, позволит быстрее добиться большей плотности записи и увеличения
емкости жестких дисков, а также надежного исправления ошибок.
Повышение эффективности формата за счет сокращения пространства,
занимаемого кодом исправления ошибок
На рис. 4 показана структура традиционного сектора размером 512 байт, из которой
видно, что для каждого 512-байтного сектора на диск дополнительно записываются
50 байт, содержащие код исправления ошибок, и еще 15 байт с интервалом, кодом
синхронизации и меткой адреса. В результате эффективность секторного1 формата
составляет примерно 88 процентов (512/(512 + 65)).


Рис. 4. Структура традиционного сектора размером 512 байт
В новом стандарте Advanced Format размер сектора составляет 4 КБ, то есть восемь
секторов размером 512 байт каждый объединяются в один сектор размером 4 КБ
(рис. 5).


Рис. 5. Новый формат: структура сектора размером 4 КБ
В новом формате отводится столько же места под интервал, код синхронизации
и метку адреса, а код исправления ошибок увеличен до 100 байт. В результате
эффективность секторного1 формата увеличивается до 97 процентов (4096/(4096 + 115)),
то есть почти на 10 процентов.
С течением времени такое повышение эффективности формата окупится и поможет
добиться большей емкости с одновременным улучшением целостности данных.
1 Секторный формат относится только к секторам данных и не рассматривает дополнительное пространство, занимаемое служебными данными
и другое неэффективно используемое д 4 исковое пространство.
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Надежность и исправление ошибок
Физический размер секторов на дисках уменьшается, и каждый сектор занимает все
меньше места, в то время как размеры дефектов поверхности остаются прежними.


На рис. 6 показаны предметы, которые мы считаем очень мелкими. Однако по сравнению
с величиной зазора между головкой чтения-записи и поверхностью жесткого диска
эти предметы оказываются большими. Дефекты на поверхности жесткого диска могут
появиться от микроскопических частиц, которые значительно меньше показанных
на рисунке.
В секторе размером 4 КБ нового формата Advanced Format размеры блока ECC
увеличены почти вдвое2, с 50 до 100 байт, что обеспечило давно ожидаемое
повышение эффективности исправления ошибок и устойчивости к мелким частицам
и дефектам поверхности.
Таким образом, совместный выигрыш от возросшей эффективности нового
формата и повышения надежности исправления ошибок делает переход на сектора
размером 4 КБ вполне оправданным. Главная задача производителей жестких дисков
— правильно организовать этот переход, чтобы в перспективе достичь наибольшей
отдачи с минимальными побочными эффектами.
Последствия перехода на сектора размером 4 КБ
Как уже отмечалось, во многих случаях современные компьютерные системы
по-прежнему исходят из того, что размер сектора всегда равен 512 байтам.
При переводе целой отрасли на новый стандарт 4 КБ нельзя ожидать, что все эти
устаревшие предположения тут же изменятся. Конечно, со временем произойдет
переход к использованию секторов размером 4 КБ, когда и компьютер и жесткий
диск будут при обмене данными использовать блоки именно такого размера. Но до
этого момента производителям жестких дисков придется организовывать переход на
сектора размером 4 КБ с использованием приема, называемого эмуляцией секторов
размером 512 байт.
2 Не в каждой реализации секторов размером 4 КБ область исправления ошибок увеличивается ровно в два раза при переходе от секторов
размером 512 байт к секторам размером 4 КБ.

Рис. 6. Величина зазора между головкой и жестким диском в масштабе
5
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Эмуляция секторов размером 512 байт
Внедрение секторов размером 4 КБ будет во многом зависеть от технологии эмуляции
секторов размером 512 байт. Этим термином называют процесс преобразования
данных из нового формата с размером сектора 4 КБ, используемого новыми дисками,
в традиционный формат с размером сектора 512 байт, используемый компьютерами.
Эмуляция секторов размером 512 байт допустима, поскольку не требует серьезных
изменений в существующих компьютерных системах. Однако она может привести
к потере производительности, особенно при записи данных, размер которых не
кратен восьми традиционным секторам. Чтобы пояснить это, рассмотрим подробнее
процессы чтения и записи, которые будут применяться при эмуляции секторов
размером 512 байт.
Процессы чтения и записи при эмуляции
Процесс чтения данных из секторов размером 4 КБ в режиме эмуляции секторов
размером 512 байт оказывается достаточно простым, как это видно на рис. 7.

Рис. 7. Возможная последовательность чтения данных в режиме эмуляции секторов
размером 512 байт
Чтение блока данных размером 4 КБ и переформатирование конкретного сектора
размером 512 байт, запрошенного компьютером, выполняется в динамической
памяти диска и не оказывает заметного влияния на производительность.
Процесс записи может оказаться несколько сложнее, особенно когда данные, которые
компьютер пытается записать на диск, являются подмножеством физического сектора
размером 4 КБ. В этом случае жесткий диск сначала вынужден считать нужный сектор
размером 4 КБ целиком, объединить считанные данные с новыми и затем записать
весь сектор размером 4 КБ (рис. 8).

Рис. 8. Возможная последовательность записи данных в режиме эмуляции секторов
размером 512 байт
6
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Жесткому диску приходится выполнять дополнительные механические действия —
чтение сектора размером 4 КБ, изменение его содержимого и запись данных. Этот
процесс называется циклом «чтение-изменение-запись» и является нежелательным
из-за негативного влияния на производительность диска. Для того чтобы переход
на сектора размером 4 КБ прошел безболезненно и с наименьшим количеством
затруднений, важнее всего снизить до минимума вероятность и частоту возникновения
циклов «чтение-изменение-запись».
Предотвращение циклов «чтение-изменение-запись»
Как было описано выше, циклы «чтение-изменение-запись» возникают, когда жесткий
диск получает команду на запись блока данных, который меньше, чем сектор размером
4 КБ, или когда этот блок не занимает целое число таких секторов. Такие запросы на
запись называются карликовыми, поскольку в результате возникает запрос размером
меньше 4 КБ. Есть две основные причины возникновения карликовых запросов
в режиме эмуляции секторов размером 512 байт.
1. Запросы на запись не выровнены по границам секторов из-за несоответствия
логической структуры раздела диска его физической структуре.
2. Запросы на запись с объемом данных меньше 4 КБ.
Соответствие и несоответствие логической и физической структуры разделов
До текущего момента мы не обсуждали, как согласуется положение сектора на
носителе между компьютером и жестким диском. Пора поговорить о логических
адресах блоков (Logical Block Address, LBA).
Каждому сектору размером 512 байт назначается уникальный логический адрес
с номером от 0 до максимального значения, которое зависит от емкости диска.
Компьютер обращается к нужному блоку данных по его логическому адресу. Когда
компьютер передает запрос на запись данных, логический адрес блока возвращается
после записи как информация о том, куда записаны данные. Это становится важным
при переходе на сектора размером 4 КБ, поскольку появляются восемь различных
вариантов того, где начинается логический блок.
Если логический адрес блока 0 назначен первому виртуальному блоку размером
512 байт в физическом секторе размером 4 КБ, то такое состояние сопоставления
физической и логической структуры в режиме эмуляции секторов размером 512 байт
называется «Выравнивание 0». Возможен вариант, когда логический адрес блока 0
назначен второму виртуальному блоку размером 512 байт в физическом секторе
размером 4 КБ. Такое состояние сопоставления называется «Выравнивание 1».
Сравнение этих состояний приведено на рис. 9. Есть еще шесть возможностей
в случаях, когда логическая структура раздела не соответствует его физической
структуре, что приводит к возникновению циклов «чтение-изменение-запись».
Эти случаи аналогичны случаю «Выравнивание 1».

Рис. 9. Состояния 7 выравнивания
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Состояние «Выравнивание 0» очень хорошо работает с новыми секторами размером
4 КБ в стандарте нового формата. Жесткий диск может легко сопоставить восемь
последовательных секторов размером 512 байт с одним сектором размером 4 КБ.
Это достигается за счет хранения запросов на запись секторов размером 512 байт
в кэш-памяти жесткого диска до тех пор, пока не получено достаточное количество
последовательных блоков размером 512 байт для записи сектора размером 4 КБ.
Поскольку современные приложения, как правило, работают с последовательностями
данных, размер которых превышает 4 КБ, «карликовые» блоки возникают очень редко.
В то же время состояние «Выравнивание 1» вызывает определенные трудности.
Если разделы жесткого диска созданы таким образом, что логическая структура не
соответствует физической, как это показано на рис. 9, то начинают возникать циклы
«чтение-изменение-запись», что ведет к потере производительности жесткого диска.
При внедрении жестких дисков нового формата этого состояния следует избегать
прежде всего, как рекомендуется ниже.
Запись небольших объемов данных
В современных приложениях данные, такие как документы, изображения и потоковое
видео, обрабатываются блоками размером значительно больше 512 байт. Поэтому
жесткий диск легко может хранить запросы на запись этих блоков в кэш-памяти до
тех пор, пока не будет накоплено достаточное количество блоков размером 512 байт
для записи сектора размером 4 КБ. Если логическая структура разделов диска
соответствует его физической структуре, то жесткий диск может легко сопоставить
сектора размером 512 байт сектору размером 4 КБ без ущерба для производи-
тельности. Однако есть низкоуровневые процессы, которые могут заставить жесткий
диск работать с «карликовыми» блоками, независимо от соответствия логической
и физической структуры. Это происходит в редких случаях, когда компьютер отправляет
жесткому диску отдельные запросы, размер которых меньше 4 КБ. Как правило,
такие запросы отправляет операционная система при работе с файловой системой,
журналировании и выполнении других подобных низкоуровневых задач. В общем
случае такие запросы встречаются нечасто и не оказывают существенного влияния
на производительность. Однако проектировщикам ПО рекомендуется пересмотреть
подобные процессы, чтобы добиться оптимальной производительности, поскольку
переход к секторам размером 4 КБ уже «не за горами».
Подготовка и организация перехода к секторам размером 4 КБ
Теперь, когда понятны преимущества перехода к секторам размером 4 КБ, а также
возможное влияние такого перехода на производительность, настало время
определить наилучший способ организации процесса перехода. Правильнее всего
обсуждать эту тему в контексте двух самых популярных современных операционных
систем: Windows и Linux.
Организация перехода к секторам размером 4 КБ в ОС Windows
Самый главный вопрос организации перехода к секторам размером 4 КБ — это
вопрос соответствия физической и логической структуры, уже рассмотренный выше.
Диски нового формата хорошо работают в состоянии «Выравнивание 0», в котором
физическая и логическая начальные точки совпадают. Состояние выравнивания
возникает в тот момент, когда создаются разделы жесткого диска. Разделы создаются
программным обеспечением, которое можно разделить на две категории:
1. Версии ОС Windows.
2. Специальные средства разбиения жесткого диска на разделы.
В случае когда разделы созданы ОС Windows, есть три версии этой ОС, которые
можно обсуждать: Windows XP, Windows Vista и Windows 7. Компания Microsoft
участвовала в обсуждении и планировании перехода к большему размеру сектора.
8
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
В результате в ее продуктах появилась поддержка секторов размером 4 КБ, начиная
с Windows Vista с пакетом обновления Service Pack 1. Программные продукты,
создающие разделы с «Выравниванием 0» (разделы, хорошо работающие с новым
форматом), называются продуктами с поддержкой секторов размером 4 КБ. В таблице
2 отражена ситуация для текущих поколений ОС Microsoft Windows.
Версия операционной
системы
Поддержка секторов
размером 4 КБ
Результаты
Windows XP Нет Создается первичный раздел в состоянии
«Выравнивание 1» (без выравнивания)
Windows Vista — версии до пакета
обновления Service Pack 1
Нет
Поддерживаются сектора большого
размера, но разделы создаются
неправильно (без выравнивания)
Windows Vista с пакетом обновления
Service Pack 1 или новее
Да Создаются разделы в состоянии
«Выравнивание 0» (с выравниванием)
Windows 7 Да Создаются разделы в состоянии
«Выравнивание 0» (с выравниванием)
Очевидно, что новые компьютеры с последними версиями Windows лучше всего
подготовлены к использованию жестких дисков нового формата. Однако на компьютерах,
на которых используется Windows XP или Windows Vista без пакета обновления
Service Pack 1, есть значительный риск потери производительности при использовании
разделов, созданных операционной системой.
Помимо риска несоответствия логической и физической структуры диска при
использовании старых версий ОС Windows, существует несколько средств, которыми
активно пользуются сборщики систем, OEM-производители, реселлеры и компании,
оказывающие услуги управления ИТ-инфраструктурой. Использование этих средств
также может стать причиной несоответствия между логической и физической струк-
турой диска. Фактически чаще можно встретить разделы, созданные с помощью
этих средств, чем с помощью ОС Windows. Поэтому велик риск создания разделов,
в которых логическая структура не соответствует физической, что приводит к потере
производительности при использовании дисков с размером сектора 4 КБ. Еще больше
эта проблема осложняется тем, что сегодня поставляемые вместе с компьютерами
жесткие диски обычно содержат несколько разделов. Это означает, что каждый
из разделов такого диска должен быть создан с помощью программы с поддержкой
секторов размером 4 КБ, чтобы обеспечить соответствие между логической и физи-
ческой структурой, а значит, и высокую производительность. На рис. 10 показаны
возможные результаты создания нескольких разделов на жестком диске с помощью
программы, не обладающей поддержкой секторов размером 4 КБ.
Таблица 2. Поддержка секторов размером 4 КБ в ОС Windows
Рис. 10. Несколько разделов и условия выравнивания
9
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
10
Разделы с несоответствием между логической и физической структурой
Есть три способа избежать несоответствия между логической и физической
структурой диска или исправить это несоответствие, чтобы предупредить потери
производительности.
1. Использовать новую версию ОС Windows или приобрести средство разбиения
на разделы с поддержкой секторов размером 4 КБ.
2. Выровнять разделы жесткого диска с помощью специального средства.
3. Положиться на поставщика жесткого диска в части производительности, независимо
от состояния структуры диска.
Использование версии Windows с поддержкой секторов размером 4 КБ — это самый
простой и короткий путь обеспечить соответствие между логической и физической
структурой диска. Поставщики других средств разбиения на разделы могут сообщить
вам, существуют ли версии их средств с поддержкой секторов размером 4 КБ. Если
такие версии есть, переходите на них, чтобы предупредить возникновение проблем.
Некоторые производители жестких дисков предлагают специальные средства,
позволяющие проверить структуру разделов на жестком диске и изменить выравнивание
разделов при необходимости. Для этого нужно потратить дополнительное время
и выполнить дополнительные действия при сборке или обновлении компьютера.
Наконец, производители жестких дисков будут разрабатывать все более совершенные
способы работы с разделами, в которых есть несоответствие между логической
и физической структурой. Эти способы помогут избежать потерь производительности.
По мере увеличения популярности нового формата жестких дисков будут применяться
все три способа, и каждый из них поможет потребителям добиться наибольшего
полезного эффекта и избежать потерь производительности.
Организация перехода к секторам размером 4 КБ в ОС Linux
Основная стратегия перехода к секторам размером 4 КБ в Windows применима
и в ОС Linux. У большинства пользователей Linux есть доступ к исходным кодам
операционной системы, что дает им возможность подстраивать ее поведение под
свои потребности. Это дает возможность заранее обновить ОС Linux для правильной
работы с жесткими дисками нового формата.
Если внести нужные изменения в ОС Linux, то можно предупредить большинство
проблем, связанных с выравниванием разделов в соответствии с новым форматом
дисков и возникновением «карликовых» запросов на запись, которые создает
операционная система.
Как в ядре, так и в дополнительных средствах Linux сделаны необходимые изме-
нения для поддержки дисков нового формата. Эти изменения обеспечивают точное
выравнивание всех разделов на дисках нового формата по границам секторов
размером 4 КБ. Поддержка дисков нового формата в ядре ОС реализована начиная
с версии 2.6.31. Поддержка разбиения на разделы и форматирования дисков нового
формата реализована в следующих дополнительных средствах Linux.
Fdisk: GNU Fdisk — это инструмент командной строки для разбиения жестких
дисков на разделы.
Начиная с версии 1.2.3 поддерживаются диски нового формата.
Parted: GNU Parted — это графическое средство для разбиения жестких дисков
на разделы.
Начиная с версии 2.1 поддерживаются диски нового формата.
Переход к жестким дискам
нового формата с секторами
размером 4 КБ
Заключение
Индустрия ИТ неизбежно откажется от традиционного размера секторов 512 байт.
Производители жестких дисков договорились внедрить стандарт Advanced Format
(новый формат) не позднее января 2011 года для новых моделей жестких дисков,
поставляемых для портативных и настольных компьютеров.
Переход предоставит инженерам новые средства для дальнейшего повышения
плотности записи и надежного исправления ошибок на жестких дисках. Потребители
получат дополнительные преимущества, поскольку жесткие диски, как и прежде,
будут обладать самой большой емкостью и удельной стоимостью, а также высо-
чайшей надежностью, которая от них ожидается.
Залогом безболезненного перехода может стать обучение пользователей систем
хранения данных, чтобы те смогли избежать «подводных камней». Самым главным
условием успешного перехода к секторам размером 4 КБ нового формата будет
распространение средств разбиения на разделы с поддержкой секторов размером
4 КБ. Всем сборщикам систем, OEM-производителям, интеграторам, специалистам
в области ИТ и даже конечным пользователям, собирающим компьютеры или опреде-
ляющим их конфигурацию, рекомендуется предпринять следующие меры.
P Создавать разделы жесткого диска с помощью Windows Vista (с пакетом
обновления Service Pack 1 или новее) или Windows 7.
P При использовании стороннего ПО и средств для создания разделов
на жестком диске удостовериться у производителя этих средств, что
используемая версия поддерживает сектора размером 4 КБ.
P Если какой-либо заказчик регулярно создает и использует образы
жестких дисков, убедиться, что используемое ПО для создания образов
поддерживает сектора размером 4 КБ.
P При использовании Linux удостовериться у поставщика версии Linux или
в обслуживающей организации, что в ОС сделаны необходимые изменения
для поддержки секторов размером 4 КБ.
P Обратиться к своему поставщику жестких дисков за рекомендациями
и советами по применению жестких дисков нового формата.
Вместе с нашими коллегами по отрасли и заказчиками мы можем сделать переход
к новому формату жестких дисков с размером сектора 4 КБ безболезненным
и эффективным и воспользоваться перспективными преимуществами этого перехода
для всей отрасли систем хранения данных.
www.seagate.com

Нет комментариев. Ваш будет первым!

← Назад

Москва, Алтуфьевское ш., 22, Москва, 127562
Ремонт телевизоров, Компьютеров, Ноутбуков, LCD LED мониторов, DVD плееров, Микроволновых печей, Видеомагнитофонов, Вызов на дом, Прокладка ТВ кабеля