2018/04/27

存储极客 | 这些硬盘参数你都懂得吗？（下篇）

唐僧

✎✎✎“存储极客”栏目再次与大家见面啦！在这里，只有一位大咖名叫“存储”，它的粉丝我们称为“存储极客”！

存储极客

这是一群存储偏执狂

为存储而生，跟存储死磕

各具独家秘笈

有观点，有碰撞，有干货

从2015年8月18起

做客存储极客栏目

与你分享存储里的那点事儿

在之前的《存储极客：这些硬盘参数你都懂吗？（上）-从案例引发的讨论》一文中，我们从用户实际需求出发，围绕下面2个表格对不同硬盘的性能和可靠性差距展开了部分讨论。其中包括但不限于这几个要点：

1. 振动对硬盘的影响及防范

2. 可靠性前提条件和NL硬盘的由来

- 小知识：硬盘读写负载与SSD擦写寿命

3. 环境规格——温湿度范围

4. MTBF不是虚标：换算出年均故障率

理想很丰满，现实有时却骨感

在谈到MTBF（平均无故障时间）和AFR（年均故障率）两个指标时，也许有的读者会说：“我使用的硬盘比这个故障率要高啊？”这种现象确实存在的不少，比如我国南方空气湿度偏高，电子设备受到氧化、腐蚀的速度会加快。硬盘厂商给出统一的数字，是要在推荐的环境范围内，并且系统设计（特别是机箱结构设计）要达标。

这里我又想起10年前参加过的一次Intel ESDC（服务器系统设计峰会），工程师在上面讲针对一款机箱振动的验证测试，印象中是2U 12个1500转3.5英寸硬盘。结果台下另一位Intel其他部门的同事就提出疑问，表示实际共振情况没有这么理想，随机访问性能会下降20%。据此大家就不难理解我在上文中引用“15K硬盘能够达到21 rad/sec/sec”的用意了吧？

要想把硬盘用好，获得理想的性能和可靠性，还有许多要注意的问题。接下来我们再此列出《上篇》中的表格，并继续之前的讨论。

视频监控写入负载是否会超标？

我们根据硬盘每年的读写负载，计算出550/300/180/55TB对应到平均每天就是1.51/0.83/0.49/0.15TB，平均每秒大约17.5/9.6/5.67/1.74MB。回到本文上篇中那个数据备份的需求，每天写入不到1TB的数据，使用Enterprise Capacity这个档次的Nearline硬盘比较合适。

戴尔、惠普等一线品牌服务器和企业级存储阵列，选配的7200转大容量硬盘一般都是Nearline系列。上图引用了《戴尔SCv2000：入门级阵列硬件设计功力》一文中样机上安装的Constellation ES.3 4TB SAS硬盘，希捷从这一代之后的V4改用Enterprise Capacity系列名称。

这里我还有一点疑问：视频监控应用是比较典型的多流写入，而且7x24小时连续工作，在一个系统中为了应对单盘故障RAID保护又是有必要的。首先，年负载55TB的桌面硬盘很容易超标；其次，如果有高清监控且需要保留时间较短的场合，每块硬盘平均写入速度超过5.67MB/s，是否将年负载180TB的监控盘换成550TB的Nearline硬盘更合适呢？

我也曾咨询过硬盘厂商的工程师，如果超出建议负载较多其故障率会高于标称的AFR（监控盘为0.88%），而且Enterprise Capacity（ES）的AFR设计标准本身就低至0.44（8TB）～0.63%，可以降低后期维护的成本和数据丢失风险。

至于“云盘”，其平均故障率监控盘还要高些，只要不在意也可以用吧？

当然这里面还有成本的因素，Enterprise Capacity的公开报价是7200转盘里面比较高的。由于视频监控在国内的市场巨大，像海康、大华这样的厂商在监控硬盘上估计有较大的议价能力。

盘位数支持与箱体结构要求

在每个机箱支持的盘位数上，最新资料4TB及以上写的都是“8+”，而我们在另一份早些的希捷监控硬盘资料中看到了这样的描述：

上图截自

《Seagate Surveillance +SRS HDD Product Manual, Rev. E》

在视频监控环境中，非RAID应用顺序（I/O）使用模型下盘数不限。（取决于箱体结构）而监控硬盘在RAID应用中建议≤16盘位。究其原因，如果做了RAID，硬盘磁头容易按照同样的轨迹来运动。这时共振的影响应该会有所加大。

回到我们引用的那个英文表格，Enterprise Capacity系列硬盘支持大于8盘位的部署，在有的机箱中甚至支持84、90这样的盘位。

扩展阅读：《高密度盘柜难点：评戴尔SCv2080结构设计》

戴尔SCv2080、PS6610高密度双控制器阵列、SC280/SC180 JBOD扩展柜，其5U机箱支持84个3.5英寸SAS硬盘驱动器，通过上下2个“抽屉”来安装/更换硬盘，结构设计比较巧妙。

根据我的理解，ENAS系列虽然抗旋转振动能力与Enterprise Capacity相同，但由于其主要定位中小型设备，只建议配置不超过16盘位，对机箱结构要求相应放松。经济型Constellation CS主要针对互联网等大型分布式环境，其中定制系统相对偏多，需要适应各种不同需求，因此抗旋转振动也达到了12.5 rad/sec/sec。

不可恢复读错误：NL盘表现居中

不可恢复读错误可以理解为磁介质上静态数据损坏的比率，由于这个数值比较固定，随着单盘容量增大在一块盘上遇到错误的几率也越来越高。我们注意到，Enterprise Capacity和ENAS的该项指标比10K、15K高转速SAS硬盘高一个数量级，但比桌面和其它“准企业级”硬盘还是要低一个数量级的。

对于监控硬盘，资料显示目前只有8TB型号可以达到1 per 10E15。由于目前桌面硬盘的容量只达到6TB，那么8TB监控盘有可能与Enterprise Capacity出自同一平台。

由于不可恢复读错误可能在RAID Rebuild时才暴露出来，RAID卡、磁盘阵列控制器普遍设计了后台介质扫描的功能，而有些廉价视频监控设备使用的软RAID就不好说了。此外，EMC等存储厂商还使用非标准扇区（从传统512byte增大到520byte）加入校验实现容错。

NL-SAS并不只是“假SAS”硬盘

主机接口方面，7200转硬盘中只有Nearline（Enterprise Capacity）系列具备SAS版本。除了SCSI协议的完整性之外，最重要的是提供双端口支持，在那些双控磁盘阵列中SATA驱动器还得加个转接板就不划算了。而且，也只有SAS接口硬盘才能兼容520/528这些非标准扇区大小。

在质保年限上，桌面硬盘目前执行2年；Enterprise Capacity、NAS与高转速SAS同为5年；表格里对比的其它7200转硬盘基本上是3年。根据经验，质保5年的硬盘设计寿命一般在8-10年，如果超出5年使用故障率会提高；同理，普通7200转硬盘的设计寿命通常也有5年，缩短保修时间也有降低服务成本的考虑。

至此，我们看出ENAS系列应该是由Enterprise Capacity近线硬盘“降级”而来，它们之间的定位可以从开头表格中的组件级差别上看出来。比如：两者都使用了相对较好的高通量密度音圈磁头，而读写头和盘片ENAS为Performance而Enterprise Capacity采用High Performance等级。总之结构决定性质，只是我们在本文中并不都需要深挖。

性能增强新技术：Flash缓存、掉电保护

在硬盘上添加少量闪存的固态混合硬盘（SSHD），希捷最早推出消费级产品，并于后来引入到企业级市场（只限10K高转速SAS盘）。客观地说其市场空间不大，因为在混合阵列上可以做SSD+HDD之间的分层存储，混合硬盘用于服务器也要看应用能否发挥其优势。

不过加入Flash之后带来了另外一个用途——掉电保护。我们知道早期硬盘上DRAM缓存中的数据断电就会丢失，所以对数据一致性要求高的应用通常会选择在RAID卡/阵列控制器上关闭硬盘自身的写缓存。如今则可以利用电容和盘片旋转的势能将DRAM写缓存区的数据写到闪存中。

对于没有Flash缓存的Enterprise Capacity，希捷在最新一代8TB型号上内置了2MB NOR闪存，用于掉电时备份写缓存数据，因此可以打开WCE（Write Cache Enable），大幅提升随机写性能——IOPS 342明显超出读IOPS 164（队列深度16）。

据了解，HGST企业级硬盘采用了另一种技术来达到同样的目的——开辟一小块磁道做为将随机写I/O变成顺序写入的缓冲区。

硬盘厂商怎么说？

上表引用自希捷文档《安全和智能的监控硬盘选择指南》

其实希捷官方也做了监控专用硬盘和企业级3.5寸海量盘的对比。首先，监控盘“划算”就是在谈它的性价比；而性能、节电模式/响应时间、写入负载、抗振动、SAS接口支持和质保期限上Enterprise Capacity都更胜一筹，具体的技术我们都已讨论过。

更多选购要点：系统设计和兼容性

以上写了这么多硬盘自身的特性，其实同样的盘用在不同系统上其可靠性表现也可能会有不小的差距。

比如散热设计，我认为正规一些的服务器、存储厂商，测试每个盘位上承载最大功耗硬盘时的满负载工作温度，应该是比较基本的要求。对于一线品牌，安装各种转速硬盘时产生的线性、旋转振动值是否超标，估计也在结构方面的测试项目中。用软件仿真和实测可以做为互补，通过这些评估工作可以看出机箱、硬盘托架等有无改良空间，能够支持的硬盘范围等。