Principy organizace a obnovy dat na jednotkách Apple Fusion

Ve snaze najít kompromis a nabídnout vyšší výkon ve srovnání s tradičním pevným diskem a zároveň ponechat relativně nízké náklady na gigabajt uvedla společnost Apple Inc. na trh disk Fusion Drive - kombinaci polovodičového a plotnového pevného disku, která má za cíl využít to nejlepší ze dvou světů, tj. moderního flashového a běžného plotnového úložiště. Výrazné zvýšení výkonu, které poskytuje, je však někdy doprovázeno různými problémy, které nevyhnutelně vedou ke ztrátě dat a nutnosti jejich obnovy. Cílem článku je vysvětlit zvláštnosti této technologie a navrhnout některé techniky, které lze použít k obnově dat z ní ztracených.

Principy organizace a obnovy dat na jednotkách Apple Fusion

Co je Fusion Drive?

Poprvé se objevila v operačním systému Mountain Lion vydaném koncem roku 2012 a nyní ji podporují dva stolní počítače Apple - iMac a Mac Mini se systémem macOS 10.8 a novějším.

Fusion Drive je inteligentní systém automatické správy dat společnosti Apple, který integruje dvě různá digitální média - tradiční rotující pevný disk a nevolatilní úložiště založené na technologii SSD, která fungují jako jeden logický celek a koncovému uživateli jsou ve Finderu prezentována jako jeden svazek.

Podobně jako v případě RAID 0, kdy jsou data rozdělena mezi jednotlivé disky pole, jsou data na takovém úložišti rozprostřena mezi obě složky systému s jedním zásadním rozdílem: úložný prostor lze dynamicky přerozdělovat podle frekvence využívání dat, aby bylo dosaženo maximálního výkonu - nejčastěji přistupované soubory spolu se systémovými soubory se nacházejí na rychlejším flash disku, zatímco zřídka používané se přesouvají na objemnou část HDD. Výsledkem je rychlejší start systému a zkrácení doby spouštění pravidelně používaných aplikací.

Technologie je v podstatě založena na konceptu automatického uspořádání úložišť (storage tiering), který znamená migraci dat mezi různými připojenými úložnými zařízeními v souladu s požadavky na výkon a kapacitu a je její čistě softwarovou implementací. Jedinou softwarovou komponentou, o kterou se opírá, je správce logických svazků s názvem Core Storage. Core Storage slouží jako další vrstva abstrakce mezi systémem macOS a jednotkami/oddíly Macu, které jsou uspořádány do skupin logických svazků, místo aby byly přímo předány operačnímu systému. Umožňuje vytvářet rozprostřené svazky, zatímco Fusion Drive je v podstatě Logická skupina svazků složená z pevného disku a jednotky SSD.

Organizace dat

Jak již bylo řečeno, systém se skládá ze dvou samostatných jednotek: pevného disku a SSD. Celková kapacita takového úložiště se rovná součtu kapacit obou disků. Typická konfigurace vypadá následovně:

  1. dev/disk0 - fyzický disk SSD začleněný do skupiny logických svazků;
  2. dev/disk1 - fyzický pevný disk začleněný do skupiny logických svazků;
  3. dev/disk2 - logický svazek, který zahrnuje disk0 i disk1.

Disk0 i disk1 se skládají minimálně ze 3 oddílů: jeden malý servisní oddíl EFI na začátku disku, jeden velký datový oddíl Fusion Drive uprostřed disku a konfigurační oddíl systému macOS na konci disku.

Datový oddíl zabírá až 99 % místa a obvykle začíná sektorem 409 640. Jedná se o jediný oddíl určený pro jednotku Fusion Drive. Jsou v něm také uložena všechna metadata potřebná pro správné sestavení celého systému a správné čtení jeho dat. Lze vyčlenit tři hlavní oblasti metadat:

  • Oblast šifrované bloky (=Encrypted blocks) se nachází na konci datového oddílu a obsahuje šifrovaná metadata nezbytná pro interpretaci dat. Metadata na disku0 a disku1 jsou zašifrována různými klíči, jejich obsah se zcela neshoduje, ale pro správnou rekonstrukci dat stačí jedna z kopií.
  • Oblast záhlaví svazku (=Volume header) se nachází v nultém a posledním sektoru datového oddílu a uchovává jeho UUID a UUID skupiny logických svazků, do které patří, velikost tohoto svazku, šifrovací klíče pro šifrované bloky, které se nacházejí v oblasti Šifrované bloky, a rozmístění kopií označení disku.
  • Oblast popisek disku (=Disk label) obsahuje Popisek svazku, který uchovává umístění šifrovaných bloků, různé informace o skupině logických svazků ve formátu XML, včetně jejího identifikátoru UUID (který odpovídá hodnotě v záhlaví svazku), názvu a seznamu svazků, z nichž se skládá.

Všechna uživatelská data se zapisují nejprve na SSD disk (disk0), dokud není téměř plný - pro příchozí soubory je vyhrazena "vyrovnávací oblast" o velikosti přibližně 4 GB. Poté systém začne zaplňovat pevný disk (disk1), zatímco zřídka přistupované položky se přenesou z SSD disku na magnetický disk (a často používané odpovídajícím způsobem na SSD). Přesun dat mezi diskem0 a diskem1 probíhá v době nečinnosti v blokových řetězcích (velikost jednoho bloku je 128 KB, počet blokových řetězců může dosáhnout několika milionů) a závisí výhradně na vzorcích přístupu k datům sledovaných systémem Core Storage: pokud se k zřídka používaným datům uloženým na HDD přistupuje často, budou přesunuta na SSD.

Je třeba také zmínit, že "fúze" v tomto případě není synonymem pro "hybridní": hybridní architektury disků využívají odlišné techniky spoléhající se na ukládání dat do mezipaměti, kdy jsou informace primárně uloženy na prvku HDD a pouze některé jejich algoritmicky určené části jsou z něj zrcadleny za účelem zvýšení výkonu.

Výhody a nevýhody použití Apple Fusion Drive

Díky rychlosti a okamžitému spuštění SSD a levnému úložnému prostoru HDD zajišťuje disk Fusion Drive co nejkratší dobu čtení a zápisu často používaných dat. Přesto má tato technologie i nevýhody, které je třeba vzít v úvahu:

Takováto sestava nemůže být tak rychlá jako čistý SSD disk, zejména při práci se staršími soubory;

Fusion Drive podporují pouze modely iMac a Mac Mini. Podle zpráv se nepředpokládá, že by tato možnost byla dostupná pro jiné systémy Mac;

Konfigurace výrazně zvyšuje pravděpodobnost úplné ztráty nebo poškození dat v případě náhodného odpojení nebo selhání jednoho z disků.

Co může vést ke ztrátě dat na svazku Fusion Drive?

Stejně jako u jiných úložných zařízení může i u jednotky Fusion Drive dojít k potížím při provozu a ke ztrátě důležitých uživatelských dat. Kromě typických situací, kdy je ztráta dat způsobena chybným odstraněním souborů nebo formátováním úložiště, patří mezi nejčastěji se vyskytující problémy:

Úložiště se ve Finderu zobrazuje jako dvě jednotky místo jedné

V takovém případě se disky rozpojí a přestanou fungovat jako jednotka Fusion Drive, čímž se data, která obsahují, stanou nepoužitelnými. To může být způsobeno nesprávným použitím nástrojů pro správu disků, softwarovým problémem nebo výměnou jedné z jednotek.

Fusion Drive se stane nespustitelným

Tento problém se zpravidla objevuje při selhání jednotky SSD nebo HDD. Komponenta HDD je náchylnější k náhlému selhání, zatímco komponenta SDD obvykle selhává postupně a poskytuje varování, jako jsou chyby zápisu, oznámení SMART atd. U jednotky Fusion Drive je však zvláštní, že i když selže pouze jedna z jednotek, celé úložiště se stane nefunkčním a již se nespustí, takže data na nepoškozené jednotce jsou nečitelná.

Oddíly bez příčiny zmizí

Příčin tohoto problému může být celá řada, od poškození souborového systému v důsledku náhlého výpadku napájení nebo poruchy softwaru až po nesprávné použití nástrojů pro správu disků.

Vadné sektory na pevném disku

Pokusy o opravu vadných sektorů nebo řešení problémů s poškozením pomocí nástroje Disk Utility mohou způsobit vážné logické poškození a vést k nevratné ztrátě dat. Proto je třeba před opravou obnovit důležitá data.

Specifika obnovy dat ze svazku Fusion Drive

Data na jednotce Fusion Drive jsou rozprostřena na dvou discích, aniž by byla duplikována nebo jinak zálohována, a jsou značně fragmentovaná. Část bloků metadat potřebných pro jejich správné čtení je uložena pouze na disku SSD a druhá část na disku HDD, takže práce s nimi bez správně sestaveného svazku, nebo při chybějící jedné z komponent nepřinese žádný použitelný výsledek, protože poskládat všechny části dohromady je nad rámec možností. Na části SSD jsou také uložena téměř všechna metadata souborového systému, bez nichž není možné správně sestavit strom souborů a adresářů. Kromě toho musí být alespoň jedna kopie oblasti šifrovaných bloků úspěšně dešifrována pomocí dešifrovacích klíčů uložených uvnitř hlavičky svazku.

V důsledku toho úplné (fatální) selhání jednoho z disků nebo vážné poškození metadat nedává šanci na záchranu dat. V ostatních případech lze ztracené soubory obnovit pomocí některého z následujících přístupů:

  1. Fyzické problémy s jednotkou nelze řešit softwarovými prostředky, ale některé z nich lze opravit, pokud jsou obě jednotky zaslány spolehlivému poskytovateli služeb obnovy dat
  2. v případě logického problému lze úložiště správně zvolenými postupy znovu sestavit a obnovit ztracená data

Na závěr je tedy nutné konstatovat, že s klesajícími cenami SSD disků nevidíme z hlediska bezpečnosti pro použití technologie Fusion Drive důvod. A stejně tak jako segment hybridních SSHD disků je odsouzen k zániku. Záchrana a obnova dat z Apple zařízení využívajících tuto hybridní technologii patří vždy zbytečně k poměrně komplikovaným.