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Recorte (informática)

Un comando de recorte (conocido como TRIM en el conjunto de comandos ATA y UNMAP en el conjunto de comandos SCSI ) permite que un sistema operativo informe a un medio de almacen...

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Un comando de recorte (conocido como TRIM en el conjunto de comandos ATA y UNMAP en el conjunto de comandos SCSI ) permite que un sistema operativo informe a un medio de almacenamiento qué bloques de datos ya no se consideran "en uso" y, por lo tanto, pueden borrarse internamente. [ 1 ] TRIM se utiliza principalmente en unidades de estado sólido (SSD), pero también en algunos discos duros de grabación magnética superpuesta (SMR). [ 2 ]

Los comandos de recorte se introdujeron poco después de las unidades SSD. Debido a que las unidades SSD utilizan una tecnología diferente a la de los discos duros magnéticos anteriores, las técnicas preexistentes para almacenar datos provocaron que las primeras unidades SSD se volvieran más lentas a medida que se usaban más. [ 3 ] Con el recorte, la unidad SSD puede eliminar de manera eficiente los datos innecesarios que, de otro modo, ralentizarían las operaciones de escritura futuras. [ 4 ]

Aunque las herramientas para "restablecer" algunas unidades a un estado nuevo ya estaban disponibles antes de la introducción del recorte, también eliminan todos los datos de la unidad, lo que las hace poco prácticas para la optimización continua. [ 5 ] A partir de 2010, muchas unidades SSD y muchos dispositivos de almacenamiento extraíbles flash tenían mecanismos internos de recolección de basura para ciertos sistemas de archivos (como FAT y NTFS ) que funcionaban independientemente del recorte. Aunque esto mantuvo con éxito su vida útil incluso en sistemas operativos que no admitían el recorte, tenía los inconvenientes asociados de una mayor amplificación de escritura y desgaste de las celdas flash, así como una disminución del rendimiento de escritura de las celdas flash. [ 6 ]

Fondo

Debido a la forma en que muchos sistemas de archivos manejan las operaciones de eliminación, al marcar los bloques de datos como "no en uso", [ 7 ] [ 8 ] los medios de almacenamiento (SSD, pero también discos duros tradicionales) generalmente no saben qué sectores/páginas están realmente en uso y cuáles pueden considerarse espacio libre. A diferencia de (por ejemplo) una operación de sobrescritura, una eliminación no implicará una escritura física en los sectores que contienen los datos. Dado que un SSD común no tiene conocimiento de las estructuras del sistema de archivos, incluida la lista de bloques/sectores no utilizados , el medio de almacenamiento no sabe que los bloques están disponibles. Si bien esto a menudo permite que las herramientas de recuperación de archivos recuperen archivos de discos duros electromecánicos , [ 8 ] [ 9 ] a pesar de que el sistema operativo informa que los archivos fueron "eliminados", también significa que cuando el sistema operativo posteriormente realiza una operación de escritura en uno de los sectores que considera espacio libre, se convierte efectivamente en una operación de sobrescritura desde el punto de vista del medio de almacenamiento. Para los discos magnéticos, sobrescribir datos existentes no difiere de escribir en un sector vacío, pero debido a cómo funcionan algunas unidades SSD a nivel más bajo, sobrescribir produce una sobrecarga significativa en comparación con escribir datos en una página vacía, lo que puede perjudicar el rendimiento de escritura. [ 8 ] [ 10 ]

Las SSD almacenan datos en celdas de memoria flash que se agrupan en páginas, generalmente de 4 a 16 KiB , agrupadas a su vez en bloques de 128 a 512 páginas, por ejemplo,  bloques de 512 kiB que agrupan 128 páginas de 4  kiB cada una. [ 7 ] [ 11 ] Las celdas de memoria flash NAND solo se pueden escribir directamente cuando están vacías. Si contienen datos, el contenido debe borrarse antes de una operación de escritura. Una operación de escritura en una SSD se puede realizar en una sola página, pero, debido a limitaciones de hardware, los comandos de borrado siempre afectan a bloques completos; [ 11 ] en consecuencia, escribir datos en páginas vacías en una SSD es muy rápido, pero se ralentiza considerablemente una vez que es necesario sobrescribir páginas previamente escritas. Dado que es necesario borrar las celdas de la página antes de poder volver a escribir en ella, pero solo se pueden borrar bloques completos, una sobrescritura iniciará un ciclo de lectura-borrado-modificación-escritura: [ 7 ] [ 12 ] el contenido de todo el bloque se almacena en la caché, luego todo el bloque se borra de la SSD, luego la(s) página(s) sobrescrita(s) se escribe(n) en el bloque en caché, y solo entonces se puede escribir todo el bloque actualizado en el medio flash. Este fenómeno se conoce como amplificación de escritura . [ 13 ] [ 14 ]

Operación

El comando TRIM permite que el sistema operativo notifique a la unidad qué páginas ya no contienen datos válidos. Para eliminar un archivo , el sistema operativo marca los sectores del archivo como libres para nuevos datos y, a continuación, envía un comando TRIM a la unidad. Tras el proceso TRIM, la unidad no conserva el contenido del bloque al escribir nuevos datos en una página de memoria flash, lo que reduce la amplificación de escritura (menos escrituras), aumenta el rendimiento de escritura (sin necesidad de una secuencia de lectura-borrado-modificación) y, por lo tanto, prolonga la vida útil de la unidad.

Los distintos controladores implementan el comando de forma ligeramente diferente, por lo que el rendimiento puede variar. [ 4 ] [ 9 ]

TRIM indica a la unidad que marque una región LBA como inválida y que las lecturas posteriores en dicha región no devolverán datos significativos. Durante un breve período, los datos podrían permanecer almacenados internamente en la memoria flash. Una vez emitido el comando TRIM y realizada la recolección de basura, la recuperación de datos eliminados o dañados puede resultar difícil o imposible, dependiendo de la implementación del comando en el firmware de la unidad. [ 15 ]

Implementación

Soporte del sistema operativo

El comando TRIM solo resulta útil si la unidad lo implementa y el sistema operativo lo solicita. La tabla a continuación identifica los sistemas operativos más importantes y la primera versión que admitió el comando. Además, las unidades de estado sólido más antiguas, diseñadas antes de la incorporación del comando TRIM al estándar ATA, requerirán actualizaciones de firmware; de ​​lo contrario, el nuevo comando será ignorado. Sin embargo, no todas las unidades pueden actualizarse para admitir la función TRIM.

La compatibilidad con TRIM también varía según las capacidades del controlador del sistema de archivos del sistema operativo, ya que solo un programa que comprenda qué partes del disco son espacio libre puede emitir el comando de forma segura, y a nivel del sistema esta capacidad suele residir en el propio controlador del sistema de archivos.

problemas de RAID

A partir de enero de 2017 La mayoría de las tecnologías RAID basadas en hardware no implementan la compatibilidad con el comando TRIM . Sin embargo, las implementaciones de RAID por software suelen incluir compatibilidad con TRIM.

Windows

Windows 10 ofrece compatibilidad con TRIM en volúmenes SSD ID mediante la opción "optimizar unidades" al configurar un volumen RAID.

macOS

El controlador RAID de macOS no es compatible con TRIM. Esto se aplica a todas las versiones de Mac OS X desde la 10.7 hasta la 10.12.

Linux

TRIM está disponible con volúmenes RAID en versiones posteriores a enero de 2011 del kernel de Linux dmraid , que implementa soporte para "RAID de hardware falso" asistido por BIOS, y que ahora pasa todas las solicitudes TRIM del sistema de archivos que se encuentra en la matriz RAID. [ 52 ]

No debe confundirse con dmraid, el sistema RAID de software de propósito general de Linux, mdraid , tiene soporte experimental para TRIM basado en lotes (en lugar de en vivo, al eliminar archivos ) en matrices RAID 1 cuando los sistemas están configurados para ejecutar periódicamente la utilidad mdtrim en sistemas de archivos (incluso aquellos como ext3 sin soporte nativo para TRIM). [ 53 ] En versiones posteriores de Linux, por ejemplo Red Hat Enterprise Linux 6.5 y posteriores, mdraid admite realmente pasar comandos TRIM en tiempo real, en lugar de solo como un trabajo por lotes. [ 54 ]

Sin embargo, Red Hat desaconseja el uso de los niveles RAID 1, 4, 5 y 6 por software en unidades SSD con la mayoría de las tecnologías RAID, ya que durante la inicialización, la mayoría de las utilidades de administración RAID (por ejemplo, mdadm de Linux ) escriben en todos los bloques de los dispositivos para garantizar que las sumas de comprobación (o las verificaciones de unidad a unidad, en el caso de RAID 1 y 10) funcionen correctamente, lo que provoca que la unidad SSD crea que todos los bloques, excepto los del área de reserva, están en uso, lo que degrada significativamente el rendimiento. [ 55 ]

Por otro lado, Red Hat recomienda el uso de RAID 1 o RAID 10 para RAID LVM en SSD, ya que estos niveles admiten TRIM ("descartar" en la terminología de Linux) y las utilidades LVM no escriben en todos los bloques al crear un volumen RAID 1 o RAID 10. [ 54 ]

RAID basado en firmware

Durante un breve período en marzo de 2010, se hizo creer a los usuarios que los controladores Intel Rapid Storage Technology (RST) 9.6 (y posteriores) en Windows 7 admitían TRIM en volúmenes RAID, pero Intel aclaró posteriormente que TRIM era compatible con la configuración del BIOS en modo AHCI y modo RAID, pero no si la unidad formaba parte de un volumen RAID. [ 56 ]

A partir de agosto de 2012, Intel confirma que los chipsets de la serie 7 con controladores Rapid Storage Technology (RST) 11.2 admiten TRIM para RAID 0 en Microsoft Windows 7. [ 57 ] Si bien Intel no confirmó la compatibilidad con los chipsets de la serie 6, se ha demostrado que TRIM en volúmenes RAID 0 funciona en chipsets Z68, P67 y X79 por entusiastas del hardware con una ROM de opción RAID modificada . [ 58 ] Se especula que la falta de compatibilidad oficial con los chipsets de la serie 6 se debe a los costos de validación [ 59 ] o a un intento de alentar a los consumidores a actualizar, [ 60 ] más que por razones técnicas.

Una excepción a la necesidad de una ROM de opción modificada en placas base con un chipset X79 es si el fabricante ha añadido un interruptor de ROM; esto implica que tanto la ROM RST como la RST-E estén dentro de la BIOS/UEFI. Esto permite que se utilice la ROM RST en lugar de la ROM RST-E, lo que permite que funcione TRIM. [ 61 ] Intel señala que se puede lograr el mejor rendimiento utilizando un controlador con la misma versión que la ROM; por ejemplo, si la BIOS/UEFI tiene una ROM de opción 11.0.0.0m, se debe utilizar un controlador de la versión 11.x. [ 62 ]

Habilitación de sistemas de archivos no compatibles

Cuando el sistema de archivos no admite TRIM automáticamente, algunas utilidades pueden enviar comandos de recorte manualmente. Por lo general, determinan qué bloques están libres y luego pasan esta lista como una serie de comandos de recorte a la unidad. Estas utilidades están disponibles de varios fabricantes (por ejemplo, Intel, [ 63 ] G.Skill [ 64 ] ), o como utilidades generales (por ejemplo, hdparm "wiper" de Linux desde la v9.17, [ 65 ] [ 66 ] o mdtrim, como se mencionó anteriormente ). Tanto hdparm como mdtrim encuentran bloques libres asignando un archivo grande en el sistema de archivos y resolviendo a qué ubicación física se asignó.

Independientemente del sistema operativo, la unidad puede detectar cuando el ordenador escribe ceros en un bloque y liberar (recortar) dicho bloque en lugar de registrarlo. Si la lectura de un bloque liberado siempre devuelve ceros, este atajo es transparente para el usuario, salvo por la mayor velocidad de escritura (y lectura) de bloques con ceros, además del beneficio habitual de una escritura más rápida en áreas no utilizadas. Los sistemas operativos no escriben ceros para borrar archivos o liberar espacio, pero algunas utilidades sí lo hacen.

Soporte de hardware

ATA

La especificación del comando TRIM [ 67 ] se ha estandarizado como parte del estándar de interfaz AT Attachment (ATA), liderado por el Comité Técnico T13 del Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información (INCITS). [ 68 ] TRIM se implementa bajo el comando DATA SET MANAGEMENT (opcode 06h) del borrador de la especificación ACS-2. [ 69 ] El estándar ATA es compatible con hardware ATA tanto paralelo (IDE, PATA) como serial (SATA).

Una desventaja del comando ATA TRIM original es que se definió como un comando no colable y, por lo tanto, no se podía combinar fácilmente con una carga de trabajo normal de operaciones de lectura y escritura en cola. SATA 3.1 introdujo un comando TRIM colable para solucionar esto. [ 70 ]

Existen diferentes tipos de TRIM definidos por las palabras SATA 69 y 169 devueltas por un comando ATA IDENTIFY DEVICE:

  • TRIM no determinista: Cada comando de lectura a la dirección de bloque lógico (LBA) después de un TRIM puede devolver datos diferentes.
  • TRIM determinista (DRAT): Todos los comandos de lectura al LBA después de un TRIM deben devolver los mismos datos o volverse deterministas.
  • Lectura determinista de cero después de TRIM (RZAT): Todos los comandos de lectura al LBA después de un TRIM deben devolver cero.

En la nota técnica SATA Word 105 se incluye información adicional que describe el número máximo de bloques de 512 bytes por comando de ADMINISTRACIÓN DE CONJUNTOS DE DATOS que puede admitir una unidad. Normalmente, este valor predeterminado es 8 (o 4  kB), pero muchas unidades lo reducen a 1 para cumplir con los requisitos de hardware de Microsoft Windows para TRIM, que establecen que el tiempo de finalización del comando no debe exceder los 20 ms o 8 ms × (número de entradas del rango LBA), lo que sea mayor, y siempre debe ser inferior a 600 ms. [ 71 ]

Un rango LBA individual se denomina Entrada de rango LBA y está representado por ocho bytes. El LBA se expresa mediante los primeros seis bytes de la Entrada de rango LBA y la Longitud del rango es un contador basado en cero (p. ej., 0=0 y 1=1) representado por los dos bytes restantes. Si la longitud del rango de dos bytes es cero, la Entrada de rango LBA se descartará como relleno. [ 72 ] Esto significa que para cada bloque de 512 bytes de rangos TRIM que admite un dispositivo, el máximo es de 64 rangos de 32  MB, o 2  GB. Si un dispositivo admite SATA Word 105 a 8, debería poder recortar 16  GB en un solo comando TRIM (DATA SET MANAGEMENT).

SCSI

SCSI proporciona el comando UNMAP (un análogo completo de TRIM) y el comando WRITE SAME (variantes 10 y 16) con el indicador UNMAP activado. [ 73 ]

SD/MMC

El comando MultiMediaCard y SD ERASE (CMD38) ofrece una funcionalidad similar al comando ATA TRIM, aunque requiere que los bloques borrados se sobrescriban con ceros o unos. En eMMC 4.5, y opcionalmente en tarjetas SDHC y SDXC, se define una suboperación DISCARD que se asemeja más a ATA TRIM, ya que el contenido de los bloques descartados puede considerarse indeterminado (es decir, "no importa").

NVM Express

El conjunto de comandos NVM Express incluye un comando genérico de administración de conjuntos de datos para indicar al dispositivo de almacenamiento la intención del host respecto a un conjunto de rangos de bloques. Si este comando se ejecuta con el bit Atributo - Desasignar (AD) establecido en 1 en el Dword 11 del comando, se realiza el recorte. También incluye un comando Escribir Ceros , que contiene un bit Desasignar (DEAC) en el Dword 12 que permite al disco recortar y devolver ceros. [ 74 ]

Desventajas

  • Algunos esquemas de cifrado negable implican hacer que todo el disco parezca basura aleatoria. El uso de TRIM anula esta capa de negación plausible, ya que los bloques de ceros (o unos) creados indican fácilmente qué bloques se utilizan. [ 75 ] Se ha argumentado que deshabilitar TRIM también podría resultar sospechoso. [ 76 ]
  • La versión original del comando TRIM ha sido definida como un comando no en cola por el subcomité T13 y, en consecuencia, puede incurrir en una penalización de ejecución masiva si se usa descuidadamente, por ejemplo, si se envía después de cada comando de eliminación del sistema de archivos. La naturaleza no en cola del comando requiere que el controlador primero espere a que todos los comandos pendientes terminen, emita el comando TRIM y luego reanude los comandos normales. TRIM puede tardar mucho tiempo en completarse, dependiendo del firmware en el SSD, e incluso puede activar un ciclo de recolección de basura . Esta penalización se puede minimizar en soluciones que hacen TRIM por lotes y/o TRIM periódicos, en lugar de recortar en cada eliminación de archivo , programando dichos trabajos por lotes para momentos en que la utilización del sistema es baja. Esta desventaja de TRIM se ha superado en la revisión 3.1 de Serial ATA con la introducción del comando TRIM en cola. [ 77 ] [ 78 ] Windows 8 agregó soporte para TRIM periódico y TRIM en cola.
  • Solo algunos hipervisores (como Hyper-V y Parallels Desktop ) han implementado TRIM para el sistema operativo invitado (a fecha de 2023).
  • Se ha vinculado un firmware de unidad defectuoso que informa erróneamente sobre la compatibilidad con TRIM en cola o que presenta errores críticos en su implementación con graves daños en los datos y/o errores graves como bloqueos frecuentes en varios dispositivos, especialmente en los M500 de Micron y Crucial [ 79 ] y las series 840 y 850 de Samsung. [ 80 ] Se ha confirmado la corrupción de datos en el sistema operativo Linux (el único sistema operativo con compatibilidad con TRIM en cola a fecha de 1 de julio de 2015). [ 81 ]

Estos dispositivos están en la lista negra en el archivo libata-core.c del kernel de Linux para forzar el envío de comandos TRIM no en cola ( ATA_QUIRK_NO_NCQ_TRIM ) a estas unidades en lugar de comandos TRIM en cola: [ 82 ]

  • Micron/Crucial M500 con todas las versiones de firmware, incluyendo SSD reacondicionados de fábrica.
  • Micron M510 con la versión de firmware MU01
  • Micron/Crucial M550 con la versión de firmware MU01
  • Crucial MX100 con la versión de firmware MU01
  • Unidades SSD Samsung de las series 840 y 850 que utilizan todas las versiones de firmware.

Este archivo también incluye en la lista negra el SuperSSpeed ​​S238 contra TRIM en general debido a que provoca la pérdida de datos en bloques incorrectos cuando se emite TRIM. [ 82 ] [ 83 ]

libata-core.c también tiene una lista blanca para enumerar las unidades SSD que los mantenedores del subsistema saben con certeza que implementan correctamente las banderas DRAT y RZAT ( ATA_QUIRK_ZERO_AFTER_TRIM ), en lugar de ignorarlas, como hacen muchas unidades. Las unidades incluidas en la lista blanca son las siguientes: [ 82 ]

  • SSDs cruciales
  • Unidades SSD de Intel, excluyendo la Intel SSD 510.
  • SSD de Micron
  • SSD de Samsung
  • SSD de Seagate [ 84 ]

Véase también

Referencias

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  • Desde write() hasta chips de memoria flash : una explicación de cómo el comando TRIM permite a las unidades SSD borrar datos no utilizados por el sistema de archivos.
  • Documento técnico sobre el comando TRIM : un documento técnico que explica el propósito y las acciones del comando.
  • Patente de Fusion-io: "Aparato, sistema y método para el almacenamiento en caché de escritura redundante".
  • TRIM en discos SSD y SMR : información sobre la función TRIM en unidades SSD y SMR