آموزش رایگان Data Storage Networking؛ چگونه ظرفیت هاردها را محاسبه کنیم؟

در این مقاله با فالنیک همراه باشید تا ببینیم ظرفیت واقعی هارددیسک‌ها چگونه محاسبه می‌شود، هارددیسک‌ها از چه مکانیزم‌هایی برای بهبود عملکرد و سرعت استفاده می‌کنند و ظرفیت‌ و سرعت هارددیسک‌ها چه رابطه‌ای با یکدیگر دارند.

• تکنیک صف بندی (Queuing) در هارد چیست؟
• بررسی اندازه هارد درایو (Drive Size)
• ظرفیت قابل استفاده هارد (Usable Capacity) چقدر است؟
• علت تفاوت در فضای قابل استفاده ذخیره سازی چیست؟
• نحوه محاسبه ظرفیت واقعی هارددیسک
• فایده محاسبه ظرفیت واقعی هارددیسک چیست؟
• بررسی سرعت در هارد درایو (Drive Speed)

یکی از پرسش‌های جالبی که توسط کاربران و حتا متخصصان تازه‌وارد به دنیای شبکه و ذخیره‌سازی مطرح می‌شود این است که چرا ظرفیت اسمی هارددیسک‌ها با آن چیزی که ویندوز در نشان می‌دهد اختلاف دارد، چرا در هنگام پیاده‌سازی معماری RAID با مشکل کمبود فضا روبرو می‌شویم و ناگهان همه چیز دگرگون می‌شود؟

به عنوان فردی که سابقه چندین ساله در حوزه برنامه‌نویسی، امنیت و شبکه دارد، پیشنهاد می‌کنم درباره مبناها و نحوه تبدیل آن‌ها به یکدیگر دانش خود را ارتقا دهید. مبناها در دنیای محاسبات و به ویژه در دنیای شبکه و ذخیره‌سازی نقش مهمی دارند و کمک می‌کنند بخش عمده‌ای از کارها را به شکل ساده‌تری انجام دهید. به‌طور مثال، هنگامی که قصد پیاده‌سازی یک vlan را دارید و باید آدرس‌های آی‌پی را بشکنید، باید در این زمینه اطلاع داشته باشید، هنگامی که قصد پیاده‌سازی سطوح مختلفی از رید را دارید باید با نحوه محاسبه ظرفیت اسمی و واقعی هارددیسک‌ها آشنا باشید.

تکنیک صف بندی (Queuing) در هارد چیست؟

همه دیسک درایوها از تکنیک صف‌بندی برای بهبود عملکرد استفاده می‌کنند. صف‌بندی به درایو اجازه می‌دهد اولویت‌بندی دقیقی در ارتباط با عملیات ورودی/خروجی پیاده‌سازی کند، به‌طوری که دستورات خواندن و نوشتن به ترتیبی که برای چیدمان دیسک بهینه شده‌اند اجرا شوند. رویکرد فوق، نظم خوبی در عملیات ورودی/خروجی به وجود می‌آورد، به‌طوری که دستورات خواندن و نوشتن تا حد امکان به ترتیب اجرا می‌شوند تا حرکت هد کمتر شود و زمان تأخیر به پایین‌ترین حد ممکن برسد.

مجموعه دستورات ata، مکانیزم صف‌ بندی فرمان بومی (NCQ) سرنام Native Command Queuing را پیاده‌سازی می‌کند. این‌کار عملکرد درایو sata در انجام عملیات همزمان خواندن و نوشتن را بهبود می‌بخشد، با این‌حال تکنیک فوق به اندازه مکانیزم command tag queuing که رسانه‌های scsi از آن استفاده می‌کنند قدرتمند نیست.

بررسی اندازه هارد درایو (Drive Size)

در دنیای ذخیره‌سازی، اندازه موضوع مهمی است. این معیار به‌ویژه هنگام خرید رسانه‌های ذخیره‌ساز برای سرورها حائز اهمیت است. در دنیای کسب‌وکار و به‌ویژه بازار ایران، این واژه کاربردی دوگانه دارد، زیرا هم برای ابعاد فیزیکی و هم برای ظرفیت از آن استفاده می‌شود. به‌طور کلی، زمانی‌که در مورد دیسک‌ درایوها صحبت می‌کنیم دو معیار مهم وجود دارد که باید در مورد آن مطلع باشیم:

1. ظرفیت (Capacity)
2. فاکتور فرم فیزیکی (Physical Form Factor)

به‌طور معمول، وقتی درباره اندازه یک درایو صحبت می‌کنیم، به ظرفیت رسانه یا میزان داده‌ای که می‌تواند ذخیره کند اشاره می‌کنیم. در گذشته، این اندازه بر حسب مگابایت (MB) بیان می‌شد، اما این روزها صحبت از گیگابایت (GB)، ترابایت (TB) و در مقیاس کلان پتابایت (PB) است که سازمان‌های بزرگ از آن استفاده می‌کنند. برای آشنایی با این واحدها، مطالعه مقاله بایت، گیگابایت، ترابایت و پتابایت چیست؟

 پیشنهاد می‌‌شود. در این‌جا اندازه یک درایو به قطر پلاتر درایو اشاره دارد که معمولاً drives’ form factor نامیده می‌شود. هارددیسک‌های مدرن امروزی در دو اندازه زیر به بازار عرضه می‌شوند:

1. هارد 3.5 اینچی
2. هارد 2.5 اینچی

همان‌گونه که ممکن است حدس زده باشید، یک درایو با یک پلاتر 2.5 اینچی از نظر فیزیکی کوچک‌تر از یک درایو با یک پلاتر 3.5 اینچی است و بازهم این درایوهای 3.5 اینچی هستند که اطلاعات بیشتری نسبت به درایوهای 2.5 اینچی ذخیره می‌کنند. دلیلش هم روشن است، یک صفحه 3.5 اینچی دارای سطوح بیشتری برای ثبت اطلاعات است.

درایوهای 3.5 اینچی در ابعاد استانداردی ساخته و روانه بازار می‌شوند در نتیجه همه درایوهای 3.5 اینچی می‌توانند در اسلات یک سرور یا آرایه دیسک قرار بگیرند. همین موضوع در مورد درایوهای 2.5 اینچی نیز صدق می‌کند. درایوهای 2.5 اینچی نیز در ابعاد استانداردی ساخته می‌شوند و می‌توان یک درایو 2.5 اینچی معیوب متعلق به یک برند را با نمونه دیگری که توسط برند دیگری ساخته شده تعویض کرد. بنابراین اگرچه از نظر فنی، اصطلاحاتی مثل 2.5 اینچ و 3.5 اینچ به قطر پلاتر اشاره دارند اما وقتی درباره ابعاد فیزیکی این درایوها صحبت می‌کنیم، منظورمان اندازه بدنه و نه ظرفیت است. جدول زیر مشخصات ظاهری هر یک از رسانه‌ها را نشان می‌دهد.

عمق	عرض	ارتفاع	نوع
146 میلی‌متر (5.75 اینچ)	101 میلی‌متر (4 اینچ)	26 میلی‌متر (1 اینچ)	3.5 اینچی
100 میلی‌متر (3.94 اینچ)	70 میلی‌متر (2.75 اینچ)	15 میلی‌متر (0.16 اینچ)	2.5 اینچی

سازندگان درایوهای حالت جامد نیز اندازه‌های رایج ۲.۵ اینچی و ۳.۵ اینچی را به رسمیت شناختند و به همین  دلیل امروزه تجهیزات ذخیره‌سازی مثل nas بدون مشکل از دیسک درایوهای 2.5 و 3.5 اینچی پشتیبانی می‌کنند. رویکرد فوق برای مصرف‌کنندگان نیز مزیت خوبی به همراه دارد، زیرا این شانس را دارند تا از درایو حالت جامد (SSD) به جای دیسک مکانیکی استفاده کنند.

ظرفیت قابل استفاده هارد (Usable Capacity) چقدر است؟

وقتی در مورد ظرفیت صحبت می‌کنیم، باید به این نکته مهم اشاره کنیم که هنگام خرید یک دیسک درایو هیچ‌گاه به ظرفیتی که روی دیسک درج شده دست پیدا نمی‌کنید. به‌طور مثال، اگر یک هارددیسک 4 ترایابی را خریداری کنید، قطعا به 4 ترابایت فضای قابل استفاده دسترسی نخواهید داشت. یک دلیل این است که ظرفیت‌های ذخیره‌سازی را می‌توان به صورت پایه 10 (اعشاری) یا پایه 2 (دودویی) بیان کرد. به عنوان مثال، 1 گیگابایت در پایه 10 کمی متفاوت از پایه 2 است:

Base 10 = 1,000,000 bytes

Base 2 = 1,048,576 bytes

همان‌گونه که ممکن است حدس زده باشید، هنگامی که در مورد ظرفیت‌هایی در مقیاس گیگابایت یا حتی ترابایت صحبت می‌کنیم، تفاوت‌ها کاملا قابل توجه هستند: تفاوت بین این دو عدد در مقیاس ترابایت قابل توجه باشد:

Base-10 terabyte = 1,000,000,000,000 bytes

Base-2 terabyte = 1,099,511,627,776 bytes

در مثال بالا که ظرفیت بر حسب ترابایت است، اختلاف این دو واحد منبا کمی بیش از 9 گیگابایت است.

علت تفاوت در فضای قابل استفاده ذخیره سازی چیست؟

به‌طور مثال، یک هارددیسک با ظرفیت 1 ترابایت بعد از پارتیشن‌بندی و فرمت‌بندی، ظرفیتی تقریبا معادل 931 گیگابایت را نشان می‌دهد، البته به شرطی که سالم باشد. همچنین، یک هارددیسک 500 گیگابایتی نیز ظرفیتی معادل 465 گیگابایت در سیستم عامل ویندوز به کاربر نشان می‌دهد. آیا تولیدکنندگان در این زمینه کم فروشی کرده‌اند؟ قطعا این‌گونه نیست، زیرا به دلیل کلاه‌برداری با جریمه‌های سنگینی روبرو می‌شوند. پس مشکل کجا است؟ اگر سازنده دیسک درایو روی جعبه محصول ظرفیت را در مبنای 2 نشان دهد، اما سیستم عامل ظرفیت را در مبنای 10 نشان دهد، این‌گونه به‌نظر می‌رسد که مشکلی به وجود آمده است.

همان‌گونه که اشاره کردیم، هارددیسک‌ها از مولفه‌های مختلف مثل ترک و سکتور ساخته شده‌اند. بنابراین، در محاسبه ظرفیت هارددیسک، باید حاصل‌ضرب تعداد دیسک‌ها در تعداد ترک‌ها و سپس تعداد سکتورها و تعداد بایت‌هایی که در یک سکتور قرار گرفته محاسبه شود تا نتیجه دقیقی به‌دست آید.

در محاسبات از واحدهای کیلوبایت، مگابایت و گیگابایت برای نمایش مقادیر به شیوه علمی استفاده می‌کنیم. به این صورت که 1000 به معنای 10 به توان 3 است، 1 میلیون به معنای 10 به توان 6 است و 1 میلیارد به معنای 10 به توان 9 است که برای سهولت می‌توانیم به جای 100 میلیارد بایت از معادل آن که 100 گیگابایت است استفاده کنیم. با اطلاعاتی که به دست آوردیم به فرمول زیر می‌رسیم:

1 Kilo = 10^3 = 1,000

1 Mega = 10^6 = 1,000,000

1 Giga = 10^9 = 1,000,000,000

1 Tera = 10^12 = 1,000,000,000,000

رسانه‌های ذخیره‌ساز از مبنای 10 و نرم‌افزارها از مبنای 2 برای محاسبه و نمایش اطلاعات استفاده می‌کنند. بنابراین اشتباهی به‌وجود نیامده است و مشکل نحوه نمایش اطلاعات است. سازمان استانداردسازی IEC برای حل مشکل، یک سیستم پیشوند برای تشریح تفاوت مبنای 10 و 2 ارائه کرد. در مبنای 2 واحدها mebibyte، kibibyte، gibibyte و tebibyte است که bi به نمایش باینری اشاره دارد که به‌اختصار MiB، KiB، GiB و TiB نشان داده می‌شود، اما به ندرت از این اختصارات برای نمایش ظرفیت‌ها استفاده می‌شود. 

اکنون به تفاوت مهم می‌رسیم. نرم‌افزارها و سیستم‌عامل‌هایی مثل ویندوز مفاهیمی همچون کیلوبایت، مگابایت، گیگابایت و ترابایت را به روش دیگری محاسبه می‌کنند که متفاوت از سیستمی است که فروشندگان استفاده می‌کنند. تفاوت به این صورت است:

فرمول مورد استفاده توسط تولیدکنندگان دیسک درایوها برابر است با Kilo=10³ =1000 KB

فرمولی که سیستم‌عامل‌هایی مثل ویندوز استفاده می‌کنند برابر است با Kilo= 2¹⁰ = 1024KB

نحوه محاسبه ظرفیت واقعی هارددیسک

تنها کاری که باید انجام دهیم این است که تبدیل مربوط به GM، MB، K به GiB، MiB و KiB را محاسبه کنیم.

kB – KiB: 1000 / 1024 = 0.977

MB – MiB: (1000 * 1000) / (1024 * 1024) = 0.954

GB – GiB: (1000 * 1000 * 1000) / (1024 * 1024 * 1024) = 0.931

همان‌گونه که مشاهده می‌کنید هرچه ظرفیت‌ها بالاتر می‌رود، تفاوت‌ها بیشتر می‌شود. اکنون زمان آن رسیده تا فرمول فوق را به شکل عملی محاسبه کنیم. فرض کنید درایوی داریم که ظرفیت آن 356 گیگابایت است. فرمول محاسبه به شرح زیر است:

356GB * 0.931= 331.436 GB

همان‌گونه که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، مقداری که ما به‌دست آوردیم با چیزی که ویندوز نشان می‌دهد، هم‌خوانی دارد. البته روش دیگری نیز برای محاسبه ظرفیت وجود دارد که به شرح زیر است:

اجازه دهید یک هارد دیسک 120 گیگابایتی را به‌عنوان مثال در نظر بگیریم:

روش محاسبه ظرفیت هارد درایو توسط کارخانه به صورت زیر است:

120GB=120,000MB=120,000,000KB=120,000,000,000 bytes

در حالی که روش محاسبه ظرفیت هارد به صورت زیر است:

120,000,000,000 bytes/1024=117,187,500KB/1024=114, 440.9MB/1024=111.8GB

جدول زیر پسوندهای باینری و دسیمال واحدهای مختلف را نشان می‌دهد.

فایده محاسبه ظرفیت واقعی هارددیسک چیست؟

هنگامی که این دوره آموزشی به جلو رفت و با مفهوم RAID آشنا شدید، متوجه می‌شوید که هنگام پیاده‌سازی RAID نباید به ظرفیت اسمی دیسک درایو دقت کنید، بلکه باید دقت کنید که چه میزان فضا در دسترس دارید و بر مبنای آن معماری رید را پیاده‌سازی کنید. البته معیارهای دیگر نیز وجود دارند که باعث می‌شوند ظرفیت واقعی به‌درستی نشان داده نشود، به‌طور مثال، هنگام فرمت کردن یک دیسک در سیستم ‌عامل از چه سیستم فایلی استفاده شده است.

علاوه بر این، سیستم‌ عامل و سیستم فایلی اغلب مقداری فضا را به عنوان سرباره مصرف می‌کنند. به‌طور مشابه، هنگام نصب یک دیسک در یک آرایه ذخیره‌سازی، آرایه معمولاً مقداری از ظرفیت را به عنوان سربار کاهش می‌دهد. علاوه بر این؛ معماری رید (RAID) موضوع مهمی است که باید در این زمینه به آن دقت کنید.

بررسی سرعت در هارد درایو (Drive Speed)

سرعت درایو به سرعت چرخش صفحات بستگی دارد، در این‌جا از معیار دور در دقیقه (RPM) برای بیان سرعت دیسک درایو استفاده می‌شود. به‌بیان ساده، این مقدار میزان چرخش صفحات در هر دقیقه را نشان می‌دهد. سرعت‌های رایج درایو‌ها به شرح زیر است:

1. 5,400 RPM
2. 7,200 RPM
3. 10,000 RPM
4. 15,000 RPM
5. 20,000 RPM (کاملا به ندرت)

در این‌جا نیز برای سهولت به‌ترتیب از اختصارات 5.4K، 7.2K، 10K، 15K و 20K استفاده می‌شود.

برای آن‌که برداشتی کلی از این سرعت‌ها به‌دست آورید به این مثال دقت کنید. یک صفحه 3.5 اینچی که با سرعت 15000 دور در دقیقه می‌چرخد به این نکته اشاره دارد که لبه‌های بیرونی آن سرعتی در حدود 240 کیلومتر در ساعت  دارند. بنابراین، هرچه سرعت یک دیسک درایو بیشتر باشد، به همان نسبت خواندن و نوشتن در زمان کمتری انجام می‌شود، عملکرد بهبود پیدا می‌کند و متاسفانه قیمت نیز افزایش پیدا می‌کند.

همچنین یک رابطه پایدار میان معیار دور در دقیقه و ظرفیت وجود دارد. به‌طور معمول، هرچه RPM یک درایو بیشتر باشد، ظرفیت آن درایو کمتر است. برعکس، هرچه دور درایو کمتر باشد، ظرفیت آن بیشتر می‌شود که با توجه به اطلاعاتی که ارائه کردیم کاملا منطقی است.

نکته دیگری که باید به آن اشاره داشته باشیم این است که درایوهای 10k و 15k معمولاً مجموعه دستورات scsi را اجرا می‌کنند و دارای یک رابط sas یا fc هستند. بنابراین، درایوهای سریع‌تر، پروتکل و رابط با عملکرد تنظیم‌شده‌تر را پیاده‌سازی می‌کنند که بازهم منطقی است. همچنین درایوهای 5.4k و 7.2k معمولاً مجموعه دستورات ata را پیاده‌سازی می‌کنند و دارای رابط sata هستند. اگر مطلب را از ابتدا دنبال کرده باشید، اکنون شناخت دقیقی در ارتباط با دو مثال زیر دارید:

2.5-inch, 900 GB, 10K SAS

3.5-inch, 4 TB, 7,200 RPM SATA

به عنوان یک قاعده کلی، انتظار نداشته باشید دیسک‌هایی با معیار دور در دقیقه (RPM) سریع‌تر از K15 مشاهده کنید. ظهور رسانه‌های حالت جامد، دشواری و افزایش هزینه‌های مورد نیاز برای توسعه دیسک‌هایی با RPM بالاتر از K15 باعث شده تا تولیدکنندگان تمایلی به ساخت دیسک‌هایی با سرعت بالاتر از K15 نداشته باشند. در واقع، روندها نشان می‌دهد که K10  به دلیل هزینه کمتر و توسعه آسان‌تر برای فروشندگان، محبوبیت بیشتری نسبت به K15 دارد.

البته وسترن دیجیتال به عنوان یک شرکت قدیمی در صنعت ساخت هارددیسک‌ها تصمیم گرفت برای مقابله با سلطه حافظه‌های حالت جامد هارددیسک‌هایی با RPM برابر با K20 در قالب فرم فکتور 2.5 اینچ با انکلوژر 3.5 اینچ تولید و روانه بازار کند. با این‌حال، این مدل هارددیسک‌ها به دلیل قیمت بالایی که دارند در بازار ایران پیدا نمی‌شوند و در خارج از ایران نیز شرکت‌ها ترجیح می‌دهند از همان حافظه‌های حالت جامد استفاده کنند. اکنون که با آناتومی و ویژگی‌های اصلی درایوهای دیسک آشنا شدیم، بیایید ببینیم که چگونه مولفه‌هایی که با آن‌ها آشنا شدیم روی عملکرد یک درایو تاثیرگذار هستند، اما اجازه دهید این بحث را در شماره آینده بررسی کنیم.