Advanced Format (4K扇区) 磁盘

1. 4K扇区

磁盘的高级格式(Advanced Format)使用4K作为扇区的大小(至少，第一代Advanced Format就是指4K扇区)。传统磁盘的扇区大小是512B。有什么问题呢？这得从扇区的结构说起：磁盘上的扇区不是一个接一个紧密排列的，相邻的扇区之间有一个间隙(gap)，并且每个扇区前面有一个sync字段和一个address mark字段，接着才是我们所知的512B数据(data)，后面还有一个纠错码ECC(error correcting code)。并且：$$gap+sync+addressmark=15B$$$$data=512B$$$$ECC=50B$$
这样，磁盘空间的利用率是：$$\frac{512}{15+512+50}=88.7\%$$
显然，增大扇区可以提高空间的利用率。另外，由于纠错码ECC只有50B，纠错算法也受限，无法使用更高级的纠错算法来提高磁盘的可靠性。于是，2010年的时候，International Disk Drive Equipment and Materials Association (IDEMA)完成了一个新的标准：采用4096B作为扇区大小，并且把ECC增大到100B。虽然ECC增大了，但现在一个扇区相当于原来的8个扇区，空间利用率还是提高了：$$gap+sync+addressmark=15B$$$$data=4096B$$$$ECC=100B$$
那么，磁盘空间利用率是：$$\frac{4096}{15+4096+100}=97.3\%$$
从下面一图一表(来自维基百科)我们可以看的更直观。

Description	512B section	4096B sector
gap,sync,address mark	15B	15B
user data	512B	4096B
error correcting code	50B	100B
total	577B	4211B
efficiency	88.7%	97.3%

总结来说：引入4K扇区有两个好处：

• 提高空间利用率；
• 可以引入更高级的纠错算法，来提高磁盘的可靠性；

2. 物理扇区和逻辑扇区##

历史原因，又是历史原因，给这个看上去很好的优化带来很多麻烦。因为直到现在，还有很多硬件、软件系统是基于512B的扇区设计的，包括芯片组，操作系统，数据库引擎、磁盘分区工具、文件系统等。为了和现有系统兼容，就引入物理扇区和逻辑扇区的概念。

• 物理扇区是磁盘驱动器读写的最小单元，也就是说，操作系统读写100B，磁盘驱动器也必须读写一整个扇区。
• 逻辑扇区是磁盘的firmware模拟出来的操作系统看到的扇区。比如，为了兼容老的软硬件系统，很多4K扇区的磁盘(512e类型，见下文4K扇区磁盘的分类)，都模拟512B扇区。

3. 4K扇区磁盘的分类

3.1 4K native

简写为4Kn，这类磁盘firmware里不会把4K的物理扇区模拟成512B的逻辑扇区，也就是说，外部可见的逻辑扇区直接映射到内部的物理扇区。自从2014年开始，企业级的4K native磁盘已经在市场上流通了。这类磁盘的logo如下：

但，由于4Kn不能兼容512B扇区的软硬件系统，它的使用并不广泛。虽然Windows(Windows8和Windows Server 2012)和Linux(自从kernel 2.6.31)都支持4Kn的磁盘，然而很多操作系统不能从4Kn磁盘引导(见这里和这里)，这些磁盘通常作为外部存储使用。
3.2 512e

为了向下兼容，磁盘提供商在firmware里模拟512B扇区，目前这也是事实上的标准(见这里)。这类磁盘被叫做Advanced Format 512e, 或者512 emulation磁盘。它的logo如下：

4096B扇区和512B扇区之间的转换是磁盘的firmware完成的，对外界透明，也就是说，可以像读写传统磁盘一样来读写512e磁盘，如下图所示：

比如，操作系统读取512B数据，磁盘驱动器会：

1. 读取目标扇区4096B；
2. 从中抽取被读取的512B返回给操作系统；

对于读操作来说，这个过程带来的性能损失很小，可以忽略不计。但是对于写操作，问题就麻烦了。操作系统写512B数据，磁盘驱动器必须采用“读-修改-写”(RMW: Read-Modify-Write)的方式：

1. 读取目标扇区4096B；
2. 修改其中的512B；
3. 把目标扇区写回；

可以预见，这种方式有明显的性能影响。但是，假如操作系统写入的要是整个4K，并且和一个扇区对齐，那么就不必采用RMW的方式了，性能的影响可以规避。

4. 分区对齐##

为了避免RMW带来性能损耗，最好能做到如下两点：

• 写入大小是4K的整数倍；
• 写入边界和物理扇区边界对齐；

Linux系统已经作了优化：

• 尽量写入4K的整数倍；
• 尽量和分区对齐。

注意第二点，这要求分区和物理扇区是对齐的。假如分区和物理扇区没有对齐，而每个写操作和分区又是对齐的，导致的结果是，每个写操作恰恰和物理扇区没有对齐。如下图所示：

可见，系统IO-1和系统IO-2和分区是对齐的。但是，分区和物理扇区没有对齐，导致磁盘IO-1和磁盘IO-2都没对齐，并且每个磁盘IO需要两次RMW，共4个RMW才能完成。所以，分区和物理扇区的对齐至关重要。parted可以检查已有分区是否对齐；并且在做新分区时，若没对齐，也会得到警告。