Linux SSD分区对齐¶

备注

本文是探寻为何新购买的USB SSD磁盘起始扇区不是常规的 2048 而是 65535 ，并且使用了 parted 强制手段来对齐到 2048 ( 1MiB )。

不过，虽然可以强制对齐 2048 ，但是考虑到 USB-to-SATA 控制器的参数是厂商提供的，应该有其优化原因(例如大数据块读写)。所以，最终并没有采用本文强制对齐 2048 扇区( 1MiB )，而是按照 parted 默认对齐优化方式分区。所以会和之前SSD磁盘分区有些差异，对使用来说没有区别。

本文仅供参考。

正如 Linux SSD partition alignment – problems with external USB-to-SATA controllers – I 开头所说: 当你尝试解决一个问题，就会发现你从来没有意料的新问题出现。

奇怪的65535起始扇区¶

我在构建边缘云计算构建的树莓派集群，选购的西部数据Passport SSD移动硬盘，在第三次购买的西数Passport SSD虽然 fdisk -l /dev/sda 显示有:

Disk /dev/sda: 931.51 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x221a87f7

Device     Boot Start        End    Sectors   Size Id Type
/dev/sda1        2048 1953521663 1953519616 931.5G  7 HPFS/NTFS/exFAT

但是我发现不管怎样使用 fdisk 创建分区，默认都只能从 65535 扇区开始:

Welcome to fdisk (util-linux 2.36.1).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.


Command (m for help): p
Disk /dev/sda: 931.51 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xcb6a7256

Command (m for help): n
Partition type
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended (container for logical partitions)
Select (default p): p
Partition number (1-4, default 1):
First sector (65535-1953525167, default 65535):
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (65535-1953525167, default 1953525167): +256MB

Created a new partition 1 of type 'Linux' and of size 256 MiB.

Command (m for help): p
Disk /dev/sda: 931.51 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xcb6a7256

Device     Boot Start    End Sectors  Size Id Type
/dev/sda1       65535 589814  524280  256M 83 Linux

Partition 1 does not start on physical sector boundary.

可以看到分区开始位置并不是物理扇区边界 Partition 1 does not start on physical sector boundary.

我注意到我前2次购买到 Disk model: My Passport 25F3 设备的 Sector size 和 I/O size (logical/physical) 和第3次购买的设备不同，原先是:

Disk /dev/sda: 953.86 GiB, 1024175636480 bytes, 2000343040 sectors
Disk model: My Passport 25F3
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 4096 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 1048576 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xab86aefd

Device     Boot  Start      End  Sectors  Size Id Type
/dev/sda1  *      2048   526335   524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/sda2       526336 67635199 67108864   32G 83 Linux

为什么第3次购买的设备:

Disk model: ssport
...
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes

而之前2次购买的设备sector不同:

Disk model: My Passport 25F3
...
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 4096 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 1048576 bytes

物理扇区从 4096 字节变成了 512 字节，而优化I/O大小从原先的 1MB (1048576/1024.0=1024.0) 更改成了约 32MB (33553920/1024.0/1024.0=31.99951171875)

How to fix “Partition does not start on physical sector boundary” warning? 提到了西部数据 Advanced_Format 使用了4096字节的物理扇区取代陈旧的每个扇区512字节。并且西数还提供了一个 Advanced Format Hard Drive Download Utility 介绍了在旧设备上启用Advanced Formatting提高性能。

Western Digital Dashboard¶

西部数据提供了 Western Digital Dashboard 帮助用户分析磁盘(包括磁盘型号，容量，firmware版本和SMART属性)以及firmware更新

Western Digital Dashboard 提供了Windows版本，我部署使用 U盘运行Alpine Linux ，通过 KVM Atlas 运行Windows虚拟机来测试SSD 磁盘，验证和排查为何最新购买的SSD磁盘使用了较小的物理扇区(512字节sector)

1 MiB-alignment¶

对于SSD磁盘，通常会希望Linux使用 1 MiB-alignment ，也就是以 512 字节的逻辑扇区，共计 2048 个扇区，磁盘的第一个分区会对齐在 2048 * 512 = 1024 * 1024 = 1 (MiB) = 256 * 4096 。

这个第一分区的起始扇区也就是称为具备原生4k支持的AF磁盘，不论磁盘底层使用 512 字节还是 4096 字节，都能保证 1 MiB-alignment 能够对齐物理扇区。

磁盘通过 lsblk 检查:

# lsblk /dev/sde
NAME MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sde    8:64   0 931.5G  0 disk

可以看到上述存在比较奇怪问题的西部数据Passport SSD移动硬盘规格是 931.5G 。而我另外购买的2快同样型号西部数据Passport SSD移动硬盘使用 lsblk 检查却是 953.8G

# lsblk /dev/sda
NAME   MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sda      8:0    0 953.8G  0 disk
├─sda1   8:1    0   256M  0 part /media/sda1
└─sda2   8:2    0    32G  0 part /

当使用 fdisk 或者 pated 分区，就会看到第一个分区始终只能建立在从 65535 扇区开始，而这个 65535 扇区不是 2048 的倍数

fdisk和parted分区显示从 65535 开始¶

# fdisk /dev/sde

Welcome to fdisk (util-linux 2.34).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.


Command (m for help): p
Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Command (m for help): n
Partition type
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended (container for logical partitions)
Select (default p): p
Partition number (1-4, default 1):
First sector (65535-1953525167, default 65535):
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (65535-1953525167, default 1953525167): +256MB

Created a new partition 1 of type 'Linux' and of size 256 MiB.

Command (m for help): p
Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Device     Boot Start    End Sectors  Size Id Type
/dev/sde1       65535 589814  524280  256M 83 Linux

Partition 1 does not start on physical sector boundary.

Linux SSD partition alignment – problems with external USB-to-SATA controllers – I 的作者做了一个测试，将SSD移动硬盘从USB外接上拆下来，直接连接到主机的SATA控制器，则再次使用 fdisk 划分分区就会从 2048 扇区开始。这说明:

通过外接的 USB-to-Sata-controller bus ，磁盘的起始扇区会从 65535 的倍数开始

Linux如何搜集和报告磁盘属性¶

从 RedHat 的网站上可以找到 io-limits.txt 说明了 “I/O Limits” 是基于 sysfs 和 块设备 的 ioctl 接口( 如 libblkid )获取信息:

sysfs interface

/sys/block/<disk>/alignment_offset
/sys/block/<disk>/<partition>/alignment_offset
/sys/block/<disk>/queue/physical_block_size
/sys/block/<disk>/queue/logical_block_size
/sys/block/<disk>/queue/minimum_io_size
/sys/block/<disk>/queue/optimal_io_size

我们检查这个存在问题的磁盘就可以看到:

起始扇区65535的磁盘 I/O Limits信息¶

$ cat /sys/block/sde/alignment_offset
0

$ cat /sys/block/sde/queue/physical_block_size
512

$ cat /sys/block/sde/queue/logical_block_size
512

$ cat /sys/block/sde/queue/minimum_io_size
4096

$ cat /sys/block/sde/queue/optimal_io_size
33553920

而之前正常磁盘的信息

起始扇区2048的磁盘 I/O Limits信息¶

$ cat /sys/block/sda/alignment_offset
0

$ cat /sys/block/sda/queue/physical_block_size
4096

$ cat /sys/block/sda/queue/logical_block_size
512

$ cat /sys/block/sda/queue/minimum_io_size
4096

$ cat /sys/block/sda/queue/optimal_io_size
1048576

上述信息称为 “I/O Limits” 数据

通过 lsblk 命令，我们可以看出上述数据:

lsblk -o  NAME,ALIGNMENT,MIN-IO,OPT-IO,PHY-SEC,LOG-SEC

此时输出对比就可以看到，那块起始扇区异常位于 65535 扇区的USB外接SSD磁盘输出如下:

NAME                          ALIGNMENT MIN-IO   OPT-IO PHY-SEC LOG-SEC
sde                                   0   4096 33553920     512     512

而正常输出则是:

NAME   ALIGNMENT MIN-IO  OPT-IO PHY-SEC LOG-SEC
sda            0   4096 1048576    4096     512

此外，对比直接连接在SATA接口上的SSD磁盘，会看到这个 optimal_io_size 显示是 0 ，例如，以下是一块intel 内置2.5” SSD固态硬盘:

NAME                          ALIGNMENT MIN-IO   OPT-IO PHY-SEC LOG-SEC
sda                                   0    512        0     512     512

将SSD移动硬盘直接接在SATA接口上，则 optimal_io_size 显示是 0 ，而我购买的西部数据Passport SSD移动硬盘接在USB接口上显示有2种值，一种是比较正常的:

NAME   ALIGNMENT MIN-IO  OPT-IO PHY-SEC LOG-SEC
sda            0   4096 1048576    4096     512

另一种是比较异常的:

NAME                          ALIGNMENT MIN-IO   OPT-IO PHY-SEC LOG-SEC
sde                                   0   4096 33553920     512     512

导致不同对齐的原因¶

Linux分区工具，例如 parted 使用 libblkid 的输出信息，而 Linux 则是基于磁盘的属性数据( I/O Limits )来 启发 对齐决策，根据: io-limits.txt 所谓的启发分区:

"The heuristic parted uses is:
1)  Always use the reported 'alignment_offset' as the offset for the
    start of the first primary partition.
2a) If 'optimal_io_size' is defined (not 0) align all partitions on an
    'optimal_io_size' boundary.
2b) If 'optimal_io_size' is undefined (0) and 'alignment_offset' is 0
    and 'minimum_io_size' is a power of 2: use a 1MB default alignment.
    - as you can see this is the catch all for "legacy" devices which
      don't appear to provide "I/O hints"; so in the default case all
      partitions will align on a 1MB boundary.
    - NOTE: we can't distinguish between a "legacy" device and modern
      device that provides "I/O hints" with alignment_offset=0 and
      optimal_io_size=0.  Such a device might be a single SAS 4K device.
      So worst case we lose < 1MB of space at the start of the disk."

由于异常磁盘报告: optimal_io_size: 33553920 (bytes) (32MB)，则 33553920 / 512 = 65535 ，所以就会把磁盘分区的起始扇区决定为 65535

而正常的磁盘报告: optimal_io_size: 1048576 (bytes) (1MB)，则 1048576 / 512 = 2048 ，则把磁盘分区的起始扇区决定为 2048

注意，对于直接通过SATA接口连接的intel SSD磁盘，报告的 optimal_io_size: 0 ，则Linux内核自动把扇区对齐到 1MB 位置。

备注

为什么我最近购买的西部数据Passport SSD移动硬盘会报告一个非常高的 optimal_io_value ，高达 32MiB ？

parted忽略 `heuristic`¶

由于Linux的分区工具，是通过 libblkid 库来监测磁盘拓扑参数(I/O limits)，通过 heuristic rules (启发式规则)来决定对齐，这就导致了SSD磁盘接在内置SATA磁盘接口和USB转换SATA外置接口不同的参数，引发不同的对齐策略。

虽然 fdisk 和 prated 都是使用 libblkid 库，导致磁盘起始扇区没有实现 1MiB-alignment ，但是，如果使用 gdisk 则会忽略这个问题，即使通过外接 USB-to-SATA-controller 依然会执行 1MiB-alignment 。

此外，虽然 fdisk 不能忽略 65535 的起始扇区，但是 parted 却提供了强制创建分区(忽略对齐 65535 ):

# parted /dev/sde mkpart primary fat32 1MiB 257MiB
Warning: The resulting partition is not properly aligned for best performance: 4000000s % 65535s !=
0s
Ignore/Cancel? i
Information: You may need to update /etc/fstab.

可以看到，上面 parted 命令强制创建分区从 1MiB 开始，也就是 2048 扇区开始，同时结束是 257MiB ，则分区空间就是 256 MB。

然后通过 fdisk -l /dev/sde 命令可以检查:

Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Device     Boot Start    End Sectors  Size Id Type
/dev/sde1        2048 526335  524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)

然后再添加第二个分区:

parted /dev/sde mkpart primary ext4 257MiB 32GiB

不过，我发现 parted 划分的分区只能指定 start 和 end ，所以实际划分的分区大小和之前使用 fdisk 划分分区使用 +32G 获得的分区大小有一点点区别。所以最终第2个分区我是使用 fdisk 来添加的。使用 fdisk 命令添加分区可以直接指定扇区或分区大小(只有第一个分区受到 65535 影响无法指定 2048 ，第二个分区已经超出 65535 就还是可以使用 fdisk 来管理分配的)

使用 fdisk /dev/sde 划分第二个分区步骤如下:

在parted强制划分第一个分区从2048扇区开始，再用fdisk添加第二个扇区¶

Command (m for help): p
Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Device     Boot Start    End Sectors  Size Id Type
/dev/sde1        2048 526335  524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)

Command (m for help): n
Partition type
   p   primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
   e   extended (container for logical partitions)
Select (default p): p
Partition number (2-4, default 2):
First sector (526336-1953525167, default 589815): 526336
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (526336-1953525167, default 1953525167): 67635199

Created a new partition 2 of type 'Linux' and of size 32 GiB.

Command (m for help): p
Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Device     Boot  Start      End  Sectors  Size Id Type
/dev/sde1         2048   526335   524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/sde2       526336 67635199 67108864   32G 83 Linux

Command (m for help): w
The partition table has been altered.
Calling ioctl() to re-read partition table.
Syncing disks.

完成后可以看到，分区的扇区和之前树莓派环境安装Alpine Linux到USB磁盘启动完全一致。

然后就可以完成树莓派4 USB存储启动Alpine Linux(clone方式)

不过，上述强制分区对齐到 1MiB 上，使用 parted 检查分区是显示不对齐的:

Disk /dev/sde: 931.53 GiB, 1000204886016 bytes, 1953525168 sectors
Disk model: ssport
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 33553920 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xd7882f4e

Device     Boot  Start      End  Sectors  Size Id Type
/dev/sde1         2048   526335   524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/sde2       526336 67635199 67108864   32G 83 Linux

检查命令显示如下:

# parted /dev/sde align-check opt 1
1 not aligned: 2048s % 65535s != 0s

# parted /dev/sde align-check opt 2
2 not aligned: 526336s % 65535s != 0s