ディスクセクター

コンピュータのディスクストレージにおいて、セクターとは磁気ディスクまたは光ディスク上のトラックの細分化を指します。ほとんどのディスクでは、各セクターにはユーザーがアクセスできる一定量のデータが格納されます。従来、ハードディスクドライブ(HDD)の場合は512バイト、 CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROMの場合は 2048 バイトです。^[1]新しい HDD と SSD では 4096 バイト (4  KiB ) のセクターが使用され、これはAdvanced Format (AF)として知られています。

セクターはハードドライブの最小の記憶単位です。^[2]ほとんどのディスクパーティション方式は、ファイルの実際のサイズに関係なく、ファイルがセクターの整数倍を占めるように設計されています。セクター全体を埋め尽くさないファイルは、最後のセクターの残りがゼロで埋められます。実際には、オペレーティングシステムは通常、複数のセクターにまたがる可能性のあるデータブロックで動作します。 ^[3]

幾何学的には、セクターという言葉は、中心、2 つの半径、および対応する円弧(図 1 の項目 B を参照) の間の、パイのスライスのような形をしたディスクの部分を意味します。したがって、ディスク セクター(図 1 の項目 C) は、トラックと幾何学的セクターの交差点を指します。

最近のディスク ドライブでは、各物理セクターは、セクターヘッダー領域 (通常は「ID」と呼ばれます) とデータ領域の 2 つの基本部分で構成されています。セクター ヘッダーには、ドライブとコントローラが使用する情報が含まれています。この情報には、同期バイト、アドレス識別、欠陥フラグ、エラー検出および修正情報が含まれます。ヘッダーには、データ領域が信頼できない場合に使用する代替アドレスも含まれる場合があります。アドレス識別は、ドライブの機構が読み取り/書き込みヘッドを正しい位置に配置したことを確認するために使用されます。データ領域には、同期バイト、ユーザー データ、およびデータに発生した可能性のあるエラーをチェックして修正するために使用されるエラー修正コード(ECC) が含まれています。

最初のディスクドライブである1957年のIBM 350ディスクストレージには、トラックあたり10個の100文字セクターがあり、各文字は6ビットでパリティビットが含まれていました。トラックあたりのセクター数は、すべての記録面で同じでした。各セクターに関連付けられた記録された識別子フィールド（ID）はありませんでした。^[4]

1961年のIBM 1301ディスクストレージでは、可変長セクター^{[異論あり（文献では可変長ブロックにセクターという用語を使用していないため）–議論]が導入され、IBMでは}レコードまたは物理レコードと呼ばれ、各レコードにレコード内のデータとは別のレコードアドレスフィールドが追加されました。^{[5] [6]}現代のディスクドライブはすべて、セクター内のデータとは別に、IDフィールドと呼ばれるセクターアドレスフィールドを持っています。

また、1961年にブライアントは4000シリーズでゾーン記録（ZBR）の概念を導入しました。これは、トラックの直径に応じてトラックあたりのセクター数を変えることを可能にするもので、外側のトラックには内側のトラックよりも多くのセクターがあります。 ^{[7] 1980年代後半に、ZBRは}ImprimisとQuantum によって発表されたディスクドライブで再び使用され、 ^[8] 1997年までに業界で広く使用されるようになりました。^[9]

1964 年にIBM System/360とともに発表されたディスクドライブやその他の DASD は、自己フォーマット可変長セクター ( IBM ではレコードまたは物理レコードと呼んでいる) を使用していました^{(異論あり(文献では可変長ブロックに対してセクターという用語を使用していないため) -議論してください)}。レコードのすべてのフィールドのエラーを検出するために、前世代の文字ごとのパリティ検出に代わる巡回冗長検査(CRC) が使用されました。これらの IBM 物理レコードには、ID フィールドとして機能するカウント フィールド、データの検索に役立つオプションのキー フィールド、およびデータ フィールドという 3 つの基本部分があります。実際には、ほとんどのレコードにはキー フィールドがなく、キー長が 0 で示されます。これらの 3 つのフィールドの構造は、レコードの CKD トラック フォーマットと呼ばれます。

1970年のIBM 3330ディスクストレージでは、各レコードのデータフィールドのCRCをエラー訂正コード（ECC）に置き換え、ほとんどのエラーを検出し、多くのエラーを訂正できるようにすることでデータの整合性を向上させました。^[10]最終的に、ディスクセクターのすべてのフィールドにECCが配置されました。

1980年代以前は、セクターサイズの標準化はほとんど行われていませんでした。ディスクドライブにはトラックあたりの最大ビット数があり、さまざまなシステムメーカーがOSやアプリケーションに合わせてトラックをさまざまなセクターサイズに細分化していました。1980年代にPCが普及し始め、1980年代後半にIDEインターフェイスが登場したことで、512バイトのセクターがHDDや同様のストレージデバイスの業界標準のセクターサイズになりました。^{[11] [検証失敗]}

1970 年代に、IBM は固定ブロック アーキテクチャの 直接アクセス ストレージ デバイス(FBA DASD) をCKD DASDのラインに追加しました。CKD DASD は複数の可変長セクターをサポートし、IBM FBA DASD は 512、1024、2048、または 4096 バイトのセクター サイズをサポートしました。

2000年に業界団体の国際ディスクドライブ機器・材料協会（IDEMA）は、将来のデータストレージ容量の増加に対応するため、512バイトを超えるセクターサイズフォーマットを規定する実装と標準を定義する作業を開始しました。^[11] 2007年末までに、将来のIDEMA標準を見越して、SamsungとToshibaは4096バイトセクターの1.8インチハードディスクドライブの出荷を開始しました。2010年にIDEMAは4096セクタードライブのAdvanced Format標準を完成させ、^[11]すべてのメーカーに対して512バイトセクターから4096バイトセクターへの移行日を2011年1月に設定し、^[12] Advanced Formatドライブがすぐに普及しました。

セクターは具体的には物理的なディスク領域を意味しますが、ブロックという用語は小さなデータ チャンクを指すために広く使用されています。ブロックは、コンテキストに応じて複数の意味を持ちます。データ ストレージのコンテキストでは、ファイルシステム ブロックは、複数のセクターを含む可能性のあるディスク セクターの抽象化です。他のコンテキストでは、データ ストリームの単位またはユーティリティの操作単位である可能性があります。^[13]たとえば、Unix プログラム dd では、パラメーターを使用して実行中に使用するブロック サイズを設定できますbs=bytes。これは、dd によって配信されるデータ チャンクのサイズを指定し、セクターやファイルシステム ブロックとは無関係です。

Linuxでは、ディスクセクターサイズはで決定できsudo fdisk -l | grep "Sector size"、ブロックサイズはで決定できますsudo blockdev --getbsz /dev/sda。^[14]

コンピュータファイル システムでは、クラスター(割り当て単位またはブロックとも呼ばれる) は、ファイルとディレクトリのディスク領域割り当ての単位です。ディスク上のデータ構造の管理のオーバーヘッドを削減するために、ファイル システムは、デフォルトでは個々のディスク セクターではなく、クラスターと呼ばれる連続したセクターのグループを割り当てます。

512 バイトのセクターを使用するディスクでは、512 バイトのクラスターには 1 つのセクターが含まれ、4キビバイト( KiB ) のクラスターには 8 つのセクターが含まれます。

クラスターは、ファイルを保持するために割り当てることができるディスク領域の最小論理量です。したがって、大きなクラスターを持つファイルシステムに小さなファイルを保存すると、ディスク領域が無駄になります。このような無駄なディスク領域は、スラック領域と呼ばれます。平均ファイルサイズと比較してクラスターサイズが小さい場合、ファイルあたりの無駄な領域は統計的にクラスターサイズの約半分になります。クラスターサイズが大きい場合、無駄な領域は大きくなります。ただし、クラスターサイズが大きいほど、ブックキーピングのオーバーヘッドと断片化が軽減されるため、全体的な読み取りおよび書き込み速度が向上する可能性があります。一般的なクラスターサイズは、1セクター (512 B) から 128 セクター (64 KiB ) の範囲です。

クラスターはディスク上で物理的に連続している必要はありません。複数のトラックにまたがる場合や、セクターインターリーブが使用されている場合は、トラック内で不連続になる場合もあります。セクターは依然として論理的に連続しているため、 これを断片化と混同しないでください。

「失われたクラスター」は、ファイルがディレクトリリストから削除されたが、ファイルアロケーションテーブル（FAT）にはファイルに割り当てられたクラスターがまだ表示されている場合に発生します。^[15]

クラスタという用語はDOS 4.0でアロケーションユニットに変更されました。しかし、クラスタという用語は今でも広く使用されています。^[16]

初期のハードドライブやほとんどのフロッピーディスクの場合のように、セクターを半径とトラックの交点として定義すると、ディスクの外側のセクターはスピンドルに近いセクターよりも物理的に長くなります。各セクターに含まれるバイト数は同じであるため、外側のセクターのビット密度は内側のセクターよりも低く、磁気面を効率的に使用できません。解決策はゾーンビット記録です。ディスクはゾーンに分割され、各ゾーンは少数の連続したトラックを囲みます。各ゾーンはセクターに分割され、各セクターの物理的サイズは同じになります。外側のゾーンは内側のゾーンよりも円周が長いため、より多くのセクターが割り当てられます。これはゾーンビット記録として知られています。^[17]

ゾーン ビット記録の結果、回転ごとにヘッドの下を通過するビット数が増えるため、連続した読み取りと書き込みは内側のトラックよりも外側のトラック (下位のブロック アドレスに対応) で著しく高速になります。この差は 25% 以上になることがあります。

1998 年、従来の 512 バイトのセクター サイズは、当時ムーアの法則を上回る速度で成長していた容量増加の障害の 1 つであると特定されました。4096 バイトのセクターを使用する Advanced Format の実装によってデータ フィールドの長さを増やすことで、この障害が取り除かれました。これにより、データ サーフェス領域の効率が 5 ～ 13 % 向上し、ECC の強度が増して容量の増加が可能になりました。このフォーマットは、2005 年に業界コンソーシアムによって標準化され、2011 年までにすべてのハード ドライブ メーカーのすべての新製品に組み込まれました。