逻辑扇区和物理扇区

Posted 2022-11-29 -飞鹤-

1. 磁盘

磁盘（disk）是指利用磁记录技术存储数据的存储器。磁盘是计算机主要的存储介质，可以存储大量的二进制数据，并且断电后也能保持数据不丢失。如下图，磁盘是由圆形盘片再加上机械臂磁头构成。

1.1. 扇区

磁盘一直是存储设备的主流，磁盘的盘片是圆形，通过机械磁头以圆形方向磁道读写数据。如下图的玫红色部分的C区域，是一个扇形区域，即扇区(Sector)。那么一个Sector多大呢？磁头在盘片上是可以每次只读写一个字节的数据，但是这样面临一个问题。向磁盘写数据时，因为磁信号写入信噪比(SNR) 的原因，存在出错的可能性。因此，需要增加一种纠错机制，来让数据的写读更安全。综合读写性能，纠错算法等考虑，大家选定512为一个Sector大小，也即磁盘每次至少读写512大小（有效数据为512，但是实际数据比这大，因为还有纠错算法的校验位数据）。自此以后，磁盘的最小读写单元一直为SectorSize=512。

1.2. Advanced Format Disk

磁盘容量的增加，主要是通过提高磁盘单面积存储密度来实现的。存储密度的提升会导致磁信号信噪比相应提升，进而导致更多出错的可能性。针对这种情况，急需要一种快速提升纠错能力的新算法。原来12bit/512Byte的纠错算法，即每512Byte中只要出错小于等于12bit即可以纠正。单纯地想针对512Byte提升纠错能力，非常难实现。此时一种相对简单的提升纠错能力的方法提出来了。即将sector扩大到4096Byte，那么纠错能力相应地变为96bit/4096Byte。因为出错情况并不是平均分布的，例如4096Byte中出现90bit错误，且有20bit错误出现在前512Byte中，针对这种情况，原先的12bit/512Byte机制是无法纠错的，但是新的96bit/4096Byte机制是可以纠错的。
基于上述原因，磁盘将最小读写单元SectorSize改为4096Byte。这种SectorSize=4096在磁盘，存储工业协议统一称为Advanced Format Disk（高级格式盘，也被称为4K盘）。
磁盘的最小存储单元改为4096了，但是使用磁盘的计算机一直是按最小单元512Byte来读写磁盘。4K盘为此，增加了一个转换层来模拟512Byte的操作。如果操作系统写512，那么磁盘实际会先读出4K数据，再修改相应的512Byte，再以4K大小写入磁盘。磁盘的这种操作，被称为512e，即512 Emulation。

2. 操作系统

2.1. Sector

磁盘的发展历史是早于操作系统的。因此在操作系统创建时，操作磁盘是按磁盘的SectorSize(512)来操作的，这样性能才最好。后来，随着磁盘容量的提升，出现了512e的Advanced Format Disk。操作系统也能用这种新的512e盘，但是发现在写小文件时（文件大小1K左右），性能下降几倍。一通分析下来，操作系统发现，实际写512Byte文件，磁盘会先读出4K内容，再修改相应位置的512Byte，再以4K大小写入磁盘，这样的操作，性能必须几倍的下降。

2.2. 4K对齐

不仅如此，操作系统还发现，读写4K大小的文件，在某些情况下，速度会降低一倍。经分析，发现文件系统的MBR默认为63个Sector，那么实际读4K数据，磁盘实际读2个4K数据，然后前面4K部分取512Byte，后来4K数据取3584Byte，这样拼凑为一个4K数据。此时，发现针对Advanced Format Disk，文件系统MBR是否对齐4K同样非常影响读写性能。

2.3. 协议

操作系统发现这样不行，针对一些对磁盘小文件读写性能敏感的应用程序，无法让他们获取良好的体验。操作系统想知道磁盘内部的SectorSize是512，还是4096？于是，操作系统方和磁盘方坐在一起商量，提出一个新的概念，即：磁盘内部实际操作的最小单元被称为Physical Sector，磁盘对外提供操作接口最小单元为Logical Sector。操作系统原来是向磁盘发送25h的SCSI命令，来获取磁盘的容量和sector信息。如下图，磁盘回的内容包括两部分，前4Byte为磁盘总可用Sector数，后4Byte为SectorSize=0x200(512)。

原有的SCSI协议没办法传递两个Sector大小，所以大家商量升级一下协议，增加一条新的命令9Eh。9Eh命令兼容25h，其同样可以获取磁盘的总可用Sector数，以及SectorSize。这个SectorSize即磁盘的接口最小读写单元，也即新协议中的Logical Sector。另外9Eh命令返回值中还包括一个内容LOGICAL BLOCKS PER PHYSICAL BLOCK EXPONEN，即以指数的形式来表示Physical Sector的大小为几个Logical Sector。如下图中的：2^3（8），Physical Sector为8个Logical Sector，即4096。

2.4. 现状

操作系统不停地升级，新的Widnows和Linux均已经支持Logical sector设置为4096。其具体为：
但是很多老的软件，并没有升级，且有大量的用户。因此，针对消费级市场的磁盘，其为了兼容老的操作系统及其应用，其依然保持Logical Sector=512，Physical Sector=4096。但是针对企业级的磁盘，其使用新的操作系统，并且有专门的配套软件，所以企业级磁盘一般是Logical Sector=4096，Physical Sector=4096。
Windows下可以通过下面的命令来获取相关信息：

C:\\Windows\\system32>fsutil fsinfo ntfsinfo d:
NTFS Volume Serial Number :       0xa016d8a616d87eaa
Version :                         3.1
Number Sectors :                  0x00000000747057ff
Total Clusters :                  0x000000000e8e0aff
Free Clusters  :                  0x000000000e7b2813
Total Reserved :                  0x0000000000000000
Bytes Per Sector  :               512
Bytes Per Physical Sector :       4096

Linux下使用如下命令获取相关信息：

michael@-Product-Name:/$ sudo fdisk -l /dev/nvme0n1
Disk /dev/nvme0n1: 476.96 GiB, 512110190592 bytes, 1000215216 sectors
Disk model: YS9203_512G
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes

ATA或NVMe接口的存储设备（固态硬盘或SSD），除了兼容SCSI命令，可以通过9Eh来获取相关信息，还可以通过ATA协议或NVMe协议提供的Identify命令来获取相关信息。