smr что это такое
Жесткие диски SMR: за и против
Покупая жесткий диск, пользователи ориентируются на объем, форм-фактор, скорость вращения шпинделя и размер кэша. Однако есть еще одна характеристика, которая существенно влияет на производительность винчестеров – технология записи.
Технология записи жестких дисков
Схема работы жесткого диска не сложная. Круглые пластины из металла с покрытием из ферромагнитного сплава, вращаются на шпинделе. На пишущие головки подается напряжение, которое намагничивает участки дисков. Каждый намагниченный участок называется доменом, и хранит бит данных, приобретая значения 0 или 1. Значение домена определяется магнитным вектором.
Сейчас в жестких дисках используется две технологии записи информации:
CMR – аббревиатура от «conventional magnetic recording», что обозначает «обычная магнитная запись». Из названия видно, что это стандартная технология записи, которая распространена у большинства современных жестких дисков.
На самом деле, CMR – это упрощенный вариант, произошедший от аббревиатуры PMR, обозначающей технологию перпендикулярной записи. Это значит, что вектор намагниченности доменов располагается под прямым углом к плоскости диска, то есть перпендикулярно. В CMR-накопителях при записи информации треки (дорожки) накладываются параллельно, не взаимодействуя друг с другом.
SMR – черепичная магнитная запись. Все треки записываются, частично накладываясь на предыдущий, словно черепица на крыше. Если необходимо перезаписать информацию в середине массива, системе придется продублировать второй трек, который наложен сверху, что влечет за собой перезапись третьего по счету и дальше по цепочке.
Чтоб избежать перезаписи всего диска, дорожки объединяют в ленты. При записи информации, обновление треков не выходит за пределы одной ленты.
Управление процессами записи и перезаписи осуществляется компонентами самого диска или и с участием системы ПК:
DM-SMR – запись регулируется только контроллером. К этой группе относится большинство жестких дисков пользовательского сегмента.
HM-SMR – процессы записи и чтения контролируются системой (хостом), а фиксация данных осуществляется строго последовательно.
HA-SMR – комбинация двух технологий, процессы записи могут контролироваться силами винчестера или хоста.
Также в различных источниках можно встретить упоминание о технологии LMR. Это продольная запись, при которой магнитный вектор находится на плоскости диска. Технология устаревшая и с 2010 года не используется.
Плюсы и минусы SMR
У дисков с черепичной технологией записи есть определенные преимущества:
Не обошлось и без недостатков:
Однако самой острой проблемой по мнению пользователей является тот факт, что не все производители считают нужным сообщать, какая технология записи используется в различных моделях.
Компания Seagate – наверное единственная, которая откровенно заявила о применении технологии SMR в своих жестких дисках. Но в апреле 2020 года несколько журналистских расследований доказали, что технология черепичной записи используется и другими корпорациями без соответствующей маркировки и каких-либо упоминаний.
Полемика велась больше месяца, в результате производители опубликовали списки моделей дисков SMR и написали подробные рекомендации по эксплуатации к линейкам, предназначенным для data-центров, NAS-хранилищ и RAID-массивов. Это именно те конфигурации систем хранения данных, которые в большей степени зависят от скоростных характеристик накопителей.
Как правильно использовать диски SMR
Несмотря на очевидные и в некоторых случаях критичные недостатки, SMR-диски нельзя считать продуктами недостойными внимания. В некоторых сценариях экономия может быть вполне оправдана.
Падение скоростей дисков SMR не доставит проблем в сборках с достаточным количеством оперативной памяти. Объем ОЗУ определяет частоту обращения к файлу подкачки. Если в ПК установлена оперативная память в объеме 16 ГБ и более, файл подкачки задействуется по минимуму, снижая нагрузку на винчестер.
Избавить винчестер от чрезмерной нагрузки поможет установка в систему пользовательского SSD. На твердотельный накопитель следует установить операционную систему, игры, рабочие программы и приложения. Другими словами, все те элементы, которые в процессе работы ПК часто модифицируются.
SMR-диски крайне не рекомендуется использовать в конфигурациях массивов RAID 5/50, RAID 6/60, RAIDZ. Высокая степень нагрузки может привести к падению производительности всего массива. В домашних NAS-хранилищах с конфигурацией RAID 5 допускается использование младших моделей винчестеров WD линейки Red.
Таким образом, если выбрать правильный сценарий эксплуатации, жесткие диски SMR с «черепичной» магнитной записью могут стать удачным выбором для создания систем хранения информации за умеренную цену.
Жесткие диски SMR с «черепичной» магнитной записью — за и против
Содержание
Содержание
С каждым днем становится все больше жестких дисков, использующих технологию записи данных SMR. Однако многочисленные тесты показывают невысокую скорость случайной записи и не вызывают особого энтузиазма у пользователей. Многие предпочитают приобретать диски с традиционной технологией записи PMR/CMR, а другие вовсе отказываются от использования HDD в пользу SSD. Давайте разберемся, жесткий диск с SMR для домашнего ПК — это зло, или же его «просто не умеют готовить».
Что такое «черепичная» магнитная запись?
Shingled Magnetic Recording — «черепичная» магнитная запись. В жестких дисках с перпендикулярной магнитной записью (CMR) треки записываются на пластину параллельно, не пересекаясь с другими. А в жестких дисках с «черепичной» магнитной записью (SMR) каждый последующий трек при записи частично накладывается на предыдущий, как черепица на крыше. Однако такой подход имеет один весьма существенный недостаток. При перезаписи данных даже в одном-единственном треке необходимо перезаписать трек по соседству с ним, затем соседний с тем треком… и так далее по цепочке. В конечном итоге, нам придется перезаписать всю пластину, и все это ради изменившихся данных в единственном треке.
Чтобы этого избежать, треки группируют в так называемые ленты небольшого размера, поэтому при изменении данных будут перезаписаны только треки, относящиеся к одной или нескольким лентам, а не весь диск целиком. Производители не разглашают фактический размер лент, но очевидно, что он должен быть таким, чтобы одна или несколько лент могли целиком уместиться в кэш жесткого диска. А кэш у дисков с SMR довольно внушительный: типичный размер — 256 Мб и больше. Кстати говоря, именно большой размер кэша HDD является одним из косвенных признаков того, что перед вами диск с «черепичной» записью.
Но один лишь дисковый кэш не поможет, если данные будут литься непрерывным потоком. Здесь в игру вступает медиа-кэш: данные из дискового кэша поступают в медиа-кэш, а затем контроллер диска распределяет эти данные по нужным лентам. Физически медиа-кэш представляет собой одну или несколько выделенных областей на жестком диске, использующих традиционную перпендикулярную запись. Эти области имеют размер в десятки гигабайт и располагаются в самом начале диска (за пределами LBA-пространства), либо равномерно распределены по всей поверхности.
Управление данными при записи на диск с SMR может осуществляться как хостом (системой), так и самим устройством. В зависимости от реализации, диски с SMR обычно делят на три типа:
Впрочем, для рядового пользователя шансы столкнуться с последними двумя типами ничтожно малы, так как подавляющее большинство всех выпускаемых дисков с SMR — это DMSMR диски.
Плюсы и минусы SMR
Как и у любой технологии, у «черепичной» магнитной записи и дисков на ее основе есть свои плюсы и минусы.
Плюсы:
Минусы:
Сравнительные тесты производительности SMR vs. CMR
Неужели технология SMR выглядит привлекательно лишь в теории, но не на практике? Чтобы выяснить это, проанализируем результаты тестов накопителей с SMR и CMR в популярных бенчмарках и специальных испытаниях. В качестве подопытных были выбраны два четырехтерабайтника серии Red от Western Digital — SMR-диск (WD40EFAX) и вариант c CMR (WD40EFRX). Для большей наглядности добавим к сравнению еще один диск на 4 Тб с CMR — Seagate Ironwolf ST4000VN008. Все диски изначально пусты.
Наш испытуемый с SMR демонстрирует неплохие показатели в программах HD Tune Pro и PCMark 8. Эти результаты достигаются не только за счет более вместительного кэша, но и благодаря последовательному характеру нагрузок, используемому в данных бенчмарках — последовательные чтение/запись оптимальны для дисков с SMR.
Следующее испытание представляет более реалистичный сценарий использования. Диски заполняются на 3/4, а затем удаляется 1 Тб данных. Сразу после этого копируются файлы общим объемом 125 Гб, и далее незамедлительный прогон теста чтения/записи в CrystalDiskMark 7, чтобы не дать дискам успеть «прийти в себя».
Здесь SMR-диск уже не так хорош, как его CMR-собратья. Причина проста: контроллер диска отчаянно ищет свободное место в заполненном медиа-кэше для вновь поступающих данных, при этом пытаясь разбросать по лентам те данные, что там уже имеются. Ситуацию усугубляет еще и тот факт, что в дисках с «черепичной» магнитной записью расположение логических секторов может не соответствовать их физическому расположению (используется дополнительный слой трансляции адресов). В результате — падение производительности почти в полтора раза даже на такой средней нагрузке.
Финальное испытание — восстановление «упавшего» RAIDZ-массива из четырех CMR-дисков. Для этого из набора извлекается диск и заменяется на один из тестируемых образцов, после чего запускается процесс восстановления. Перед началом испытания массив был заполнен примерно на 60 %, а контроль его целостности отключен.
Пересборка RAIDZ отправила WD40EFAX в настоящий нокдаун. Время выполнения процесса восстановления с этим диском просто обескураживает — тот же WD40EFRX справился в 15,5 раз быстрее. Тем не менее, сам процесс завершился без единой ошибки, поскольку RAIDZ — это программный массив дисков, и тестируемый диск был полностью исправен. А если бы это был массив уровня RAID 5/6 с аппаратным контроллером, в случае длительной задержки ответа со стороны SMR-диска, контроллер вполне мог посчитать такой диск неисправным и исключить его из пула, что привело бы к деградации RAID.
Как показали результаты тестов, применение дисков с технологией записи SMR в высоконагруженных сценариях может удивить крайне неприятным образом и потому нецелесообразно. С точки же зрения сегмента домашних ПК (которым, скажем прямо, RAID-массивы не особо и нужны), использование SMR-дисков в слабонагруженных сценариях приветствуется, а при средней нагрузке — терпимо (не каждый «домашний» пользователь будет каждый день гонять туда-сюда терабайты данных).
Практические советы — готовим SMR правильно!
Как мы уже выяснили, для дисков с «черепичной» магнитной записью наиболее оптимальными являются последовательные чтение и запись, а идеальный режим доступа отвечает концепции WORM (Write Once, Read Many) — «один раз записал, много раз считал». Исходя из этого, дадим несколько полезных советов, которые могут помочь сделать работу с SMR-дисками максимально комфортной.
Производители жестких дисков все еще продолжают экспериментировать с перспективными технологиями записи, и SMR на данный момент является единственной альтернативой традиционной CMR. Несмотря на некоторые присущие технологии SMR недостатки, устройства на ее основе можно смело назвать хорошим выбором для пользователей, которые хотят заполучить терабайты хранения для своих данных за умеренную цену. Так или иначе, выбор остается за покупателем.
Почему производители HDD умалчивают о применяемой в них технологии черепичной магнитной записи (SMR)
реклама
Вот и пришло то время, когда утрачивающаяся популярность HDD взлетела до космических высот благодаря майнингу новой криптовалюты Chia Coin на жестких дисках. HDD стали востребованными, возник их дефицит, и значительно увеличились цены. Ну и за такие цены покупателю не мешало бы, и знать о различных недостатках и косяках покупаемых HDD, чтобы грамотно и правильно их эксплуатировать, учитывая присущие им недостатки. А не иметь скрытый производителем недостаток, который при определенных обстоятельствах эксплуатации HDD вылезет так сказать наружу, и владелец такого HDD сломает себе всю голову, ну почему же это у меня не работает. Речь пойдет о применяемой в HDD технологии черепичной магнитной записи (SMR), которая преподнесла своим владельцам немало неприятных сюрпризов.
Давайте разберемся, что это за такая технология магнитной записи. При черепичной записи дорожки записываются на диск с частичным перекрытием друг друга, внахлест, по принципу размещения черепицы на крыше. То есть каждая следующая (записываемая) дорожка частично перезаписывает предыдущую (записанную) дорожку. И результирующая ширина таких дорожек становится меньше, ну а их количество на заданной площади становится больше.
Это позволяет более эффективно использовать физическое пространство блинов HDD, и соответственно увеличить объем записанных данных на него использую эту технологию. Использование этой технологии при проектировании HDD напросилось само собой. Дело в том, что физические размеры записывающей головки больше, чем размеры считывающей головки. Это обусловлено тем, что записывающая головка должна создавать достаточно сильное магнитное поле для осуществления процесса записи. А сила создаваемого магнитного поля и зависит от размера головки. Считывающая же головка может быть гораздо меньшего размера. Вот и получилось все само собой. Записывающая головка пишет широкие дорожки, но с перекрытием друг друга так, чтобы остаточная ширина дорожки была равна ширине считывающей головки.
реклама
Но получилось все по принципу «одно лечим, другое калечим». Использование этой технологии записи привело к снижению скорости записи. Почему же это произошло? Рассмотрим случай, при котором нужно перезаписать одну из дрожек (N+1), находящуюся, где-нибудь в середине всего массива дорожек.
реклама
Ну а какая скорость чтения? Здесь тоже не все так хорошо. Из-за высокой плотности расположения дорожек, скорость позиционирования считывающих головок ниже, чем в HDD с технологией записи CMR, что и снижает скорость чтения.
Но не было бы у владельцев HDD с технологией черепичной записи многих проблем, если бы производитель честно указывал наличие в производимых им HDD этой самой технологии. Владелец бы тогда знал, как и где можно применить такой HDD, а где его не стоит применять.
Например, пользователи, которые в RAID массиве заменили вышедшие из строя HDD WD Red 6TB WD60EFRX на новые модели WD60EFAX, получили чрезвычайно длительное время перестроения массивов SHR1 и RAID5 (от 2 до 8 дней). У многих пользователей перестроение завершилось с ошибкой. HDD просто исключался из массива как неисправный. Оказалось, что новый HDD имел технологию черепичной записи. И причиной развала RAID массива стало совместное использование HDD с технологией CMR и SMR. А пользователь то об этом не знает, потому что информацию об используемой технологии записи от него утаил производитель. И потому пользователь не может сделать правильного вывода о причине развала RAID массива и принять соответствующие меры.
В конце концов, пользователи стали подозревать производителей в использовании этой технологии, и начали настойчиво задавать им вопросы. Вот, например, что ответила компания Western Digital:
реклама
И список HDD компании Toshiba использующих эту технологию:
Пора подвести итог всего вышесказанного. Ну, мне не совсем понятна причина утаивания производителями HDD применяемой в их накопителях технологии черепичной магнитной записи (SMR). Желание представить свой товар в более выгодном свете, увеличив емкость накопителей ценой снижения их скорости, получив при этом еще и побочные косяки, и скрыв это. Ну по моему, это такая себе перспектива, которая рано или поздно принесла бы компаниям массу неприятностей, что, в общем, то и произошло. А указали бы компании эту информацию честно, то и не было бы у них подобных неприятностей.
Надеюсь, моя статья окажется для вас полезной.
CMR против SMR: выводим производителей HDD на чистую воду
Страница 1: CMR против SMR: выводим производителей HDD на чистую воду
Интерес к магнитной записи SMR за последние месяцы значительно возрос. Причина в том, что производители жестких дисков выпустили ряд моделей, использующих SMR, но не указали это в спецификациях. Между тем наши тесты определенно указывали на наличие SMR. Последним примером можно назвать WD Red 6 TB WD60EFAX, жесткий диск для NAS с явным использованием SMR по результатам тестов. Позднее WD уже официально подтвердила использование SMR в данной модели. Но так ли плоха магнитная запись SMR? В статье мы подробно расскажем о данной технологии, взвесим преимущества и недостатки, чтобы наши читатели смогли сделать обоснованный выбор. Конечно, мы приведем список моделей разных производителей с использованием SMR.
Когда мы начинали наше руководство, скандал насчет линейки Western Digital RED еще не полыхал во всю силу. Сегодня же появилось еще больше аргументов для публикации подобной статьи. Тем более многие пользователи паникуют, если обнаружат SMR в своих накопителях, чаще всего совершенно напрасно. Но позвольте рассказать обо всем по порядку.
Технология перпендикулярной магнитной записи PMR является преемником продольной LMR (Longitudinal Magnetic Recording). В случае LMR магнитные домены расположены параллельно плоскости пластины диска. Чтобы повысить плотность расположения доменов, в случае PMR или перпендикулярной магнитной записи они ориентированы уже вертикально. Конечно, такой шаг привел к полной перестройке головок чтения/записи, которые отличаются от классических головок LMR. Благодаря вертикальной ориентации магнитных доменов удалось увеличить плотность записи в три раза по сравнению с LMR. Производители HDD Toshiba и Seagate используют PMR с середины нулевых годов. Переход на PMR позволил увеличить емкость выше 750 Гбайт в стандартном 3,5″ формате, а также получить 300 Гбайт на 15.000 об/мин у жестких дисков SAS без чрезмерного нагрева.
Два данных способа одинаковы в том, что головки чтения/записи выполняют запись напрямую на целевую дорожку, не затрагивая соседние. К сожалению, в случае SMR это сделать уже не получится.
Как можно догадаться по названию «черепичная» магнитная запись SMR (Shingled Magnetic Recording), дорожки накладываются друг на друга как черепица. Идея возникла из-за разных размеров головок: для чтения головка может быть очень маленькой, но головка записи физически намного крупнее. Поэтому дорожки можно расположить плотнее, сохранив их читаемость. Но при записи целевой дорожки придется перезаписывать и соседнюю, с которой имеется «перехлест». Затем следующую, если в ней есть данные. В худшем случае придется переписать все дорожки зоны. Но благодаря меньшему расстоянию между дорожками плотность записи существенно увеличивается по сравнению с PMR.
Жесткие диски SMR оснащаются дисковым кэшем (on-disk cache) на быстрых внешних дорожках, который дополняет традиционный кэш контроллера. Дисковый кэш записывается по технологии PMR без перехлеста дорожек. При поступлении данных на запись HDD размещает их в кэше, а позднее контроллер диска перемещает данные в область SMR. Собственно, в этом и кроется недостаток всей концепции. Если быстрый дисковый кэш заполнится до того, как контроллер перенесет его содержимое в область SMR, то входящий поток данных придется притормозить на время очистки кэша. После чего новые данные уже можно записывать в кэш. Так что если вы будете записывать на жесткий диск SMR большой массив данных, то после определенного объема скорость записи существенно снизится. Технологию SMR разделяют на управляемую диском (device-managed) и управляемую хостом (host-managed). В последнем случае процесс записи данных регламентируется не контроллером HDD, а операционной системой или драйвером.
Ниже мы привели несколько фактов, которые следует принимать во внимание при чтении статьи.
К сожалению, есть другая проблема. Производители жестких дисков, особенно в потребительском сегменте, не спешат публично раскрывать преимущества и недостатки SMR, когда используют данную технологию.
Seagate использует SMR (device managed) в тех же жестких дисках BarraCuda (3,5″), FireCuda SSHD (2,5″), BarraCuda и BarraCuda Pro в формате 2,5″. 3,5″ жесткие диски BarraCuda Pro, все модели IronWolf, IronWolf Pro, SkyHawk AI и Exos X работают по технологии CMR. В линейке SkyHawk на рынке присутствуют обе версии (HDD SMR объявлены, но еще не вышли на рынок). К сожалению, маркетинговые материалы не уточняют используемые технологии записи. Но Seagate публикует довольно подробные технические характеристики, которые позволяют легко и быстро узнать нужную информацию.
Что касается Western Digital, лишь некоторые жесткие диски линейки UltraStar (ранее HGST) опираются на SMR (device managed и host-managed). Новые жесткие диски Red и Blue, начиная с 2018 года с функцией дискового кэша (см. наш тест WD60EFAX), а также ряд моделей Red используют SMR. В отличие от Seagate, способ записи по спецификациям узнать невозможно. То же самое касается и Toshiba, которая подтвердила, что не собирается публиковать информацию об используемом методе записи. Между тем модели линейки P300 используют SMR, хотя об этом нигде не указано.
Многие пользователи жалуются на то, что после приобретения жестких дисков SMR они столкнулись с проблемой резкого падения скорости записи при продолжительной нагрузке. Здесь нельзя говорить о том, что жесткий диск «плохой», как можно часто слышать. Просто HDD для данного сценария выбран неудачно. С другой стороны, кто мешал производителям жестких дисков в полной мере информировать пользователей об имеющихся особенностях?
Жесткие диски SMR не такие плохие, как можно было бы подумать. Мы протестировали немало жестких дисков в лаборатории, как с SMR, так и без. Есть сценарии, для которых жесткие диски SMR отлично подойдут. Об этом мы поговорим в конце статьи, а пока позвольте пояснить, как можно узнать наличие SMR на практике.
Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).
Мы рекомендуем ознакомиться с нашим руководством по выбору SSD. Если подбирать SSD для компьютера, то придется разбираться со многими техническими тонкостями: в спецификациях указываются контроллер, интерфейс, тип флэш-памяти, характеристики надежности и многое другое. Поэтому неопытные пользователи могут легко запутаться в подобной информации. В нашем руководстве мы рассмотрим наиболее важные характеристики и отличия, поговорим об актуальных технологиях, интерфейсах и форм-факторах. А также приведем советы экспертов.
Мы подготовили руководство по выбору лучшего SSD за свои деньги на текущий квартал. Оно поможет сориентироваться во всем многообразии накопителей и подобрать самый оптимальный вариант.
SMR: понятно в теории, сложно на практике
Сегодня рост объема данных на человека растет в геометрической прогрессии, а компании, предлагающие решения для хранения этих данных, стремятся сделать все возможное, чтобы увеличить доступную емкость своих устройств. Технология черепичной магнитной записи Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) позволяет повысить плотность записи, за счет чего емкость диска увеличивается на 25%. Это возможно благодаря увеличению количества дорожек на каждой пластине и сокращению расстояния между ними. Дорожки размещаются друг над другом (как черепица на крыше), что позволяет записать больше данных, не увеличивая площади пластины. При записи новых данных дорожки частично накладываются друг на друга, или «усекаются». Ввиду того, что считывающий элемент на дисковой головке меньше записывающего, он может считывать данные даже с усеченной дорожки, не нарушая их целостности и достоверности.
Однако с технологией SMR связана следующая проблема: чтобы перезаписать или обновить информацию, необходимо переписать не только требуемый фрагмент, но и данные на последних дорожках. Из-за того, что записывающий элемент шире, он захватывает данные на граничащих дорожках, поэтому необходимо перезаписать и их. Таким образом, при изменении данных на нижней дорожке нужно скорректировать данные на ближайшей наложенной дорожке, потом на следующей, и так далее, пока не будет переписана вся пластина.
По этой причине дорожки SMR-диска объединены в небольшие группы, называемые лентами. Накладываются друг на друга, соответственно, только дорожки в пределах одной ленты. Благодаря такому группированию в случае обновления некоторых данных перезаписывать придется не всю пластину, а лишь ограниченное количество дорожек, что существенно упрощает и ускоряет процесс. Для каждого типа дисков разрабатывается своя архитектура ленты с учетом сферы его применения. Каждая линейка продуктов Seagate рассчитана на определенную сферу применения и конкретные условия работы, и технология SMR позволяет достичь при правильном использовании наилучших результатов.
Seagate SMR — это технология, позволяющая удовлетворить постоянно растущий спрос на дополнительную емкость. На сегодняшний день она активно совершенствуется и в сочетании с другими инновационными методами может быть использована для повышения плотности записи на жестких дисках следующих поколений.
Но прежде всего, необходимо разобраться в некоторых нюансах ее применения.
Выделяют три типа устройств, поддерживающих черепичную запись:
Автономные (Drive Managed)
Работа с этими устройствами не требует никаких изменений в программном обеспечении хоста. Вся логика записи/чтения организована самим устройством. Значит ли, что мы можем просто установить их и расслабиться? Нет.
Диски, в которых реализована Drive Managed технология записи, обычно обладают большим объемом write-back кэша (от 128МБ на диск). При этом последовательные запросы обрабатываются в режиме write-around. Основные сложности, c которыми сталкиваются разработчики устройств и СХД, основанных на данной технологии записи, следующие:
1. Размер кэша лимитирован и по мере его заполнения мы можем получить непредсказуемую производительность устройств.
2. Иногда возникают значительные уровни задержек при интенсивном сбросе кэша.
3. Определение последовательностей — далеко не всегда тривиальная задача, и в сложных случаях мы можем ожидать деградацию производительности.
Основным достоинством данного подхода является полная обратная совместимость устройств с существующими ОС и приложениями. Хорошо понимая вашу задачу, вы можете уже сейчас покупать Drive Managed устройства и получать преимущества от использования технологии. Дальше в статье вы увидите результаты тестирования подобных устройств и сможете определиться, насколько они вам подходят.
Управляемые хостом (Host Managed)
В данных устройствах используется набор расширений к ATA и SCSI для взаимодействия с дисками. Это устройство другого типа (14h), которое требует серьезных изменений во всем Storage Stack и несовместимо с классическими технологиями, то есть без специальной адаптации приложений и операционных систем вы не сможете использовать эти диски. Хост должен выполнять запись на устройства строго последовательно. При этом производительность устройств на 100% предсказуема. Но необходима корректность работы более высокоуровневого ПО для того, чтобы производительность подсистемы хранения была действительно предсказуемой.
Поддерживаемые хостом (Host Aware)
Это гибридные решения, объединяющие преимущества Device Managed и Host Managed технологий. Приобретая такие диски, мы получаем поддержку обратной совместимости с возможностью использования специальных расширений ATA и SCSI для оптимальной работы с SMR-устройствами. То есть мы можем, как просто выполнять запись на устройства, как делали это раньше, так и делать это наиболее оптимальным образом.
Для того, чтобы обеспечить работу с Host Managed и Host Aware устройствами, разрабатывается пара новых стандартов: ZBC и ZAC, которые входят в T10/T13. ZBC является расширение SCSI и ратифицируется T10. Стандарты разрабатываются для SMR дисков, но в будущем могут быть применены и для других устройств.
ZBC/ZAC определяют логическую модель устройств, где основным элементом является зона, которая отображается как диапазон LBA.
Стандарты задают три типа логических зон, на которые разбиты устройства:
1. Conventional zone — зона, с которой мы можем работать традиционным образом, как с обычными жесткими дисками. То есть, можем писать последовательно и случайно.
2. Два типа Write Pointer Zone:
2.1. Sequential write preferred — основной тип зон для Host Aware устройств, отдается предпочтение последовательной записи. Случайная запись на устройства обрабатывается как в Device Managed устройствах и может стать причиной потери производительности.
2.2. Sequential write only — основной тип зон для Host Manged устройств, возможна только последовательная запись. Случайная запись недопустима, при попытках её произвести будет возвращена ошибка.
Каждая зона обладает своим Write Pointer и своим статусом. Для всех устройств, поддерживающих HM тип записи, первый LBA следующей команды записи обязательно должен соответствовать положению Write Pointer. Для HA устройств Write Pointer является информационным и служит для оптимизации работы с диском.
Кроме новой логической структуры в стандартах появляются и новые команды:
REPORT_ZONES является основным методом, благодаря которому можно получить информацию о существующих зонах на устройстве и их статусе. Диск в ответ на эту команду сообщает о существующих зонах, их типах (Conventional, Sequential Write Required, Sequential Write Preferred), состоянии зон, размере, информацию о нахождении Write Pointer.
RESET_WRITE_POINTER является преемником команды TRIM для ZBC устройств. При ее вызове происходит стирание зоны и перемещение Write Pointer на начало зоны.
Для управления статусом зоны используются 3 опциональные команды:
OPEN_ZONE
CLOSE_ZONE
FINISH_ZONE
В VPD страницах появилась новая информация, включая максимальное количество открытых зон, обеспечивающее лучшую производительность и максимальное количество зон, доступных для случайной записи с лучшей производительностью.
Производителям СХД необходимо позаботиться о поддержке устройств HA/HM, внося изменения на всех уровнях стека: библиотеки, планировщики, RAID engine, логические тома, файловые системы.
Кроме того, нужно обеспечить два типа интерфейсов для работы приложений: традиционный интерфейс, организовав массив как device managed устройство, а также реализацию виртуального тома как HOST AWARE устройства. Это необходимо, так как ожидается появление приложений, работающих с HM/HA устройствами напрямую.
В общем виде алгоритм работы с HA устройствами выглядит следующим образом:
1. Определите конфигурацию устройства, использую REPORT_ZONES
2. Определите зоны для случайной записи
2.1. Количество ограничено возможностями устройства
2.2. В этих зонах нет необходимости отслеживать положение Write Pointer
3. Используйте остальные зоны для последовательной записи и используя информацию о положении Write-Pointer и выполняя только последовательную запись
4. Контролируйте количество открытых зон
5. Используйте сборку мусора для высвобождения пула зон
Некоторые техники записи можно применять из имеющихся all-flash СХД, для которых решались проблемы предстательной последовательной записи и сборки мусора.
Компания RAIDIX провела тестирование SMR дисков Seagate у себя в лаборатории и дает несколько рекомендаций по их использованию. Эти диски отличаются тем, что являются Device Managed и не требуют никаких серьезных изменений в работе приложений.
При тестировании была сделана попытка проверить ожидания производительности таких дисков и понять, для чего мы можем их использовать.
В тестах участвовали два диска Seagate Archive HDD объемом 8000GB.
Тестирование выполнялось на операционной системе Debian версии 8.1
CPU Intel i7 c частотой 2,67 MHz
16 GB RAM
Диски имеют интерфейс SATA 3, мы включили контроллер в режим AHCI.
Для начала мы приводим информацию об устройствах, выполнив Inquiry запрос.
Ничего особенного мы не увидели. Попытки прочитать информацию о зонах обернулись неудачей.
RAIDIX делает ПО для СХД, работающих в различных индустриях, и мы стремились не использовать специализированные или платные бенчмарки.
Начинаем с того, что проверяем потоковую производительность дисков на внутренних и внешних дорожках. Результаты тестов дадут максимальную ожидаемую производительность устройства и соответствуют в первую очередь таким задачам, как архивирование данных.
Настройки блочной подсистемы мы не трогали. Выполняем тестирование, записывая на диски данные блоками 1 мегабайт. Для этого мы используем бенчмарк fio v.2.1.11.
Джобы (Jobs) отличаются друг от друга только смещением от начала устройства и запускаются один за другим. В качестве библиотеки ввода-вывода выбрана libaio.
Результаты представляются неплохими:
Производительность на внешних и внутренних дорожках отличается практически в 2 раза.
Мы видим периодические провалы производительности. Они не критичны для архивирования, но могут стать проблемой для других задач. При корректной работе write-back кэша СХД мы предполагаем, что не будем наблюдать подобной ситуации. Мы провели схожий опыт, создав массив RAID 0 из обоих дисков, выделив 2ГБ RAM кэша на каждый диск, и не увидели провалов производительности.
При чтении провалов не видно. И последующие тесты покажут, что на операциях чтения SMR диски по производительности ничем не отличаются от обычных.
Теперь мы проведем более интересные тесты. Запустим 10 потоков c разными offset одновременно. Это мы делаем для того, чтобы проверить корректность буферизации и посмотреть, как диски будут работать на задачах CCTV, Video Ingest и подобных.
На графиках приведена суммарная производительность по всем работам:
Диск неплохо справился с нагрузкой!
Производительность держится на уровне 90 МБ/с, равномерно распределена по потокам, и не наблюдается серьезных провалов. График на чтение абсолютно аналогичен, только приподнят на 20 МБ. Для хранения и раздачи видеоконтента, обмена большими файлами производительность подходящая и практически не отличается от производительности обычных дисков.
Как и ожидалось, диски неплохо показали себя на операциях потоковых чтения и записи, а работа в несколько потоков стала для нас приятным сюрпризом.
Переходим к «случайным» чтению и записи. Посмотрим, как диски поведут себя в классических задачах предприятий: хранение файлов СУБД, виртуализация и пр. Кроме того, в «случайные» операции подпадают частая работа с метаданными и, например, включённая дедупликация на массиве.
Тестирование мы проводим блоками 16 килобайт и по-прежнему верны fio.
В тесте мы настроили несколько джобов с разной глубиной очереди, но полностью результаты приводить не будем. Показательно только начало теста.
Первые 70,5 секунд мы видим нереальные для жесткого диска 2500 IOps. При этом происходят частые провалы. Видимо, в этот момент происходит запись в буфер и его периодический сброс. Потом происходит резкое падение до 3 IOps, которые держатся до конца теста.
Если подождать несколько минут, то после того, как сбросится кэш, ситуация повторится.
Можно ожидать, что при наличии небольшого числа случайных операций диск будет вести себя неплохо. Но если мы ожидаем интенсивную нагрузку на устройство, лучше воздержаться от использования SMR дисков. RAIDIX рекомендует при возможности выносить всю работу с метаданными на внешние устройства.
А что же со случайным чтением?
В этом тесте мы ограничили время отклика 50 мс. Наши устройства справляются неплохо.
Чтение оказывается в промежутке 144-165 IOPs. Сами числа неплохи, но немного пугает разброс в 20 IOPs. Ориентируйтесь на нижнюю границу. Результат неплохой, на уровне классических дисков.
Несколько изменим подход. Давайте еще взглянем на работу с большим количеством файлов.
С этим нам поможет утилита frametest от SGI. Этот бенчмарк создан для проверки производительности СХД при выполнении монтажа несжатого видео. Каждый фрейм является отдельным файлом.
Мы создали файловую систему xfs и смонтировали ее со следующими параметрами:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,nobarrier
Запускаем frametest со следующими параметрами:
Бенчмарк создает 2000 файлов размером 8МБ.
Начало теста проходит неплохо:
Averaged details:
Open I/O Frame Data rate Frame rate
Last 1s: 0.028 ms 79.40 ms 79.43 ms 100.37 MB/s 12.6 fps
5s: 0.156 ms 83.37 ms 83.53 ms 95.44 MB/s 12.0 fps
Но после записи 1500 фреймов ситуация значительно ухудшается:
Averaged details:
Open I/O Frame Data rate Frame rate
Last 1s: 0.035 ms 121.88 ms 121.92 ms 65.39 MB/s 8.2 fps
5s: 0.036 ms 120.78 ms 120.83 ms 65.98 MB/s 8.3 fps
Averaged details:
Open I/O Frame Data rate Frame rate
Last 1s: 0.036 ms 438.90 ms 438.94 ms 18.16 MB/s 2.3 fps
5s: 0.035 ms 393.50 ms 393.55 ms 20.26 MB/s 2.5 fps
Проведем тест на чтение:
В течение всего теста производительность отличная:
Averaged details:
Last 1s: 0.004 ms 41.09 ms 41.10 ms 193.98 MB/s 24.3 fps
5s: 0.004 ms 41.09 ms 41.10 ms 193.98 MB/s 24.3 fps
Сейчас ведется работа над специализированными файловыми системами для SMR дисков.
Seagate разрабатывает основанную на ext4 SMR_FS-EXT4. Можно обнаружить несколько log-structured файловых систем, спроектированных специально для Device Managed SMR дисков, но ни одну из них нельзя назвать зрелым, рекомендуемым к внедрению продуктом. Также Seagate ведется разработка поддерживаемой хостом (Host Aware) версии SMR диска, которая должна быть завершена до конца года.
Какие мы можем сделать выводы по результатам замеров производительности?
Device Managed устройства можно смело использовать для задач, не отличающихся интенсивной записью. Они очень неплохо справляются с задачами однопоточной и многопоточной записи. Для чтения данных они подходят отлично. Периодические “случайные” запросы к дискам при обновлении метаданных поглощаются большим кэшем.
Для решения задач, отличающихся интенсивной “случайной” записью или обновлением большого количества файлов такие устройства не очень подходят, как минимум, без использования дополнительных технических средств.
Параметр MTBF протестированных дисков составляет 800 000 часов, что в 1,5 раза ниже, чем у, например, NAS-дисков. Большой объем дисков значительно увеличивает время восстановления и делает практически невозможным регулярный media-скан. Мы рекомендуем при проектировании хранилища с такими дисками полагаться на RAID с количеством parity, большим чем 2 и/или подходах позволяющих сократить время восстановления (Например, Parity Declustering).