Введение

В данной статье приведены рекомендации по применению твердотельных накопителей (SSD-накопителей) с учетом их конструктивных особенностей и состояния ПО на момент написания статьи, т.е. весна 2019-го года. Следет всегда помнить, что твердотельный накопитель представляет собой нетривиальное сочетание высоких технологий, способов удешевить устройство и маркетинговых хитростей, а накопители одного и того же производителя, сделанные в разное время, могут кардинально отличаться друг от друга и по внутренней конструкции и по используемым алгоритмам, даже если имеют формально одинаковую спецификацию.

Те, кто хочет освежить свои знания о том, что такое SSD-накопитель, могут ознакомиться с подробной статьёй на Википедии.

Для более пристального рассмотрения проблематики можно ознакомиться со старой, но вполне актуальной статьёй Log-структурированные файловые системы — каждому SSD.

Проблемы, которые рассматриваются далее в статье также давно и хорошо известны:

• деградация скорости записи при заполнении накопителя, с чем мы боремся с помощью операции TRIM;
  
  
• ограниченный ресурс циклов перезаписи ячеек SSD, с чем борется внутренний контроллер SSD-накопителя, самостоятельно решая, что куда записывать и перезаписывать, за что мы платим невозможностью гарантированно и полностью стереть конфиденциальную информацию с такого накопителя;
  
  

Резервирование свободного места на SSD

Контроллер FTL накопителя самостоятельно выравнивает нагрузку по записи на память, используя имеющееся свободное пространство для размещения данных.
Поэтому для сохранения постоянной скорости записи на SSD-накопители, их не рекомендуется заполнять больше чем на 75%. Кроме того, на накопителе резервируется область, из которой FTL будет брать блоки для замены повреждённых блоков.
Теоретически, в современных SSD-накопителях необходимые области зарезервированы аппаратно, и, например, заявленная ёмкость накопителя 120ГБ вместо 128ГБ может означать, что 8ГБ находятся в резерве.

Включение операции TRIM

Проверить, поддерживает ли накопитель команду TRIM можно с помощью команды hdparm (возможно, понадобится установить пакет настройки параметров жестких дисков):

На простых дисках

Команду TRIM можно использовать несколькими способами.

1. Использовать опцию discard при монтировании диска. При включении этой опции при каждом удалении файлового объекта команда TRIM будет выполняться автоматически, т.е. при каждом удалении файла операционная система будет передавать контроллеру SSD-накопителя список освобождающихся блоков. Такое поведение может негативно влиять на производительность в целом при частом удалении файловых объектов. Имеются сведения, что при большой интенсивности удалений файлов некоторые накопители не могут обработать все команды, что ведёт существенному замедлению работы.
   Побочным результатом использования такого варианта является некоторое повышение конфиденциальности (так как данные в освобождаемых блоках должны при выполнении команды TRIM перезаписываться единицами).
   
   

2. Использовать системную службу fstrim.service/fstrim.timer

   Этот метод недоступен в ОС Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.5)

   Системная служба fstrim.service/fstrim.timer входит в пакет util-linux, который устанавливается автоматически при стандартной установке ОС.
   Хотя пакет устанавливается автоматически, служба при этом не устанавливается и не активируется, и её нужно дополнительно установить и активировать. Сделать это можно следующими командами:

   sudo cp /usr/share/doc/util-linux/examples/fstrim.service /etc/systemd/system
   sudo cp /usr/share/doc/util-linux/examples/fstrim.timer /etc/systemd/system
   sudo systemctl enable fstrim.timer

   После активации служба будет выполнять один раз в неделю  (неделя считается общепринятым интервалом для выполнения этой операции для обычных систем)  команду:

   fstrim -av
   которая будет формировать списки свободных блоков по всем смонтированным дисковым разделам (опция  -a т.е. все смонтированные разделы) и выдавать команду TRIM соответствующим устройствам, эту команду поддерживающим.
   
   

3. Использовать для автоматического запуска команды fstrim службу cron

   Этот вариант применим также и для ОС Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.5)

   например, в файл /etc/crontab добавить строку (выполнение команды fstrim -av в 10 утра по понедельникам):

   # m h dom mon dow user command
   0 10 * * 1 root fstrim -av

На дисках LVM

Для включения TRIM на дисках LVM следует изменить значение опции issue_discards с 0 на 1 в файле /etc/lvm/lvm.conf.
Включение этой опции передаст команды TRIM на базовый физический том (тома) логических томов, когда логический том больше не использует пространство физических томов (например, при выполнении команд lvremove, lvreduce и т. д.).
(Смотрите lvm.conf (5) и / или вписанные комментарии в /etc/lvm/lvm.conf). Как таковое, по-видимому, не требуется, чтобы работали «обычные» запросы TRIM (удаление файловых объектов внутри файловой системы).

На дисках dm-crypt

Включение TRIM на дисках dm-crypt выполняется добавлением опции discard в конфигурационный файл /etc/crypttab, например:

Опция монтирования noatime

Дополнительно для сохранения ресурса перезаписи и повышения производительности SSD-накопителя можно добавить к параметрам монтирования накопителя опцию noatime, отключающую выполнение записи последнего времени доступа при каждом чтении файла.
Однако это может нарушить работу программ, использующих этот атрибут, и считается, что выигрыш от применения этой опции небольшой.

Конфиденциальная информация на SSD

См. также:

• Порядок работы с конфиденциальной информацией на учтенных USB носителях - для Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.6);
• Порядок работы с конфиденциальной информацией на учтенных USB носителях - Astra Linux Special Edition РУСБ.10015-01 (очередное обновление 1.5).

Как упоминалось выше, все обращения к SSD-накопителю обрабатываются его внутренним контроллером FTL, и транслируются по неизвестным нам алгоритмам в неизвестные нам структуры данных.
При этом при "перезаписи" ранее записанной информации контроллер предпочитает записать новую информацию в  новый блок (блок с меньшим количеством перезаписей), не затирая ранее записанные данные.
Из этого следует, что

Можно, конечно, попытаться стереть весь накопитель, перезаписав всю его доступную ёмкость. Однако, как упоминалось выше, в накопителе может быть аппаратно зарезервирована область для ротации данных, недоступная извне накопителя,  и в этой области могут остаться неперезаписанные копии данных. Аналогично, выполнение операции TRIM не сотрёт копии данных, находящиеся в резервной области. Кроме того, команда fstrim работает только на примонтированных дисковых разделах, и не работает на свободных (незанятых дисковыми разделами) областях накопителя, и не работает на непримонтированных дисковых разделах. Т.е. при удалении отмонтированного дискового раздела команда TRIM не будет применена к освободившейся области.

Предопределённое чтение после TRIM (DRAT/DZAT)

Некоторые накопители, поддерживающие команду TRIM, обеспечивают так называемый Deterministic read data after TRIM (DRAT), гарантирующий, что при чтении подвергнутых очистке данных будет возвращено некое предопределённое значение данных (или даже гарантированно нулевые значения - в варианте Deterministic read zero after TRIM (DZAT)). Особо следует отметить, что говоря об свойстве DRAT обычно говорят, что выдаются нулевые значения, что нормально для дисковых накопителей, однако SSD-накопители при подготовке очищают блоки данных не нулями, а единицами, так что записав туда нули снова получим "грязный" блок, что лишает смысла всю операцию TRIM. Детали реализации опять не раскрываются, и контроллер может просто выдавать фиксированные значения для блоков, числящихся свободными,  вообще не перезаписывая содержимое этих блоков. 

Проверить наличие DRAT/DZAT можно той же командой hdparm:

TRIM ненужного дискового раздела

В современных Linux-системах при форматировании нового раздела на SSD-накопителе в файловую систему Ext4 первым делом выдаётся команда TRIM на все блоки, входящие в этот дисковый раздел, и только после этого начинается запись метаданных раздела.
Т.е. для очистки раздела достаточно его отформатировать в Ext4 (правда, при форматировании будет записаны некоторые новые данные).

Кроме того, чтобы выполнить TRIM по целому дисковому разделу (или по целому накопителю, т.к. командой поддерживаются блочные устройства) применяется команда blkdiscard.
Пример для дискового раздела /dev/sdf1:

Команды ATA-интерфейса Secure Erase, Enhanced Erase

Некоторые устройства поддерживают выполнение команд ATA-интерфейса Secure erase/Enhanced erase, согласно спецификациям ATA обеспечивающих однократную (Secure erase) или многократную (Enhanced erase) перезапись всех блоков данных устройства.
В некоторых источниках утверждается, что при применении этих команд к SSD-носителям  выполняется команда TRIM по всем блокам данных (и даже по блокам в резервных областях)..
Однако реальные процедуры выполнения этих команд не стандартизованы, и конкретные реализации не задокументированы, оставаясь полностью на усмотрение производителей оборудования.

В частности, известно, что некоторые устройства при выполнении этих команд не выполняют физическое перезаписывание всех данных , а просто заменяют свой внутренний ключ защитного преобразования хранимых данных.

Данные команды поддерживаются не всеми устройствами, и не работают на USB-устройствах.

Более подробная информация доступна по ссылке.

Дополнительные материалы

Coding for SSDs

Critical Role of Firmware and FTL in SSD Design