Большинство производителей жестких дисков сегодня предлагают три основные линейки продуктов: диски для настольных систем (Desktop HDD), для систем видеонаблюдения (Surveillance HDD), и для датацентров и критичеких важных приложений (Enterprise HDD). Отдельно также можно отметить диски для СХД. Разница в цене между продуктами разных линеек и при этом идентичной емкости может быть весьма значительной. Так, стоимость дисков для видеонаблюдения ниже, чем цена дисков корпоративного класса, а диски для настольных систем дешевле, чем для систем видео.

Известно, что диски корпоративного класса отличаются максимальной надежностью и долговечностью, обеспечивают высочайший уровень целостности данных за счет различных технологи коррекций ошибок, способны работать в многодисковых массивах. Диски для десктоп-систем — менее долговечны, у них меньше гарантийный срок и параметр MTBF. Особняком стоят продукты для систем видеонаблюдения — по цене они чуть дороже, чем для диски для ПК, но дешевле, чем корпоративные. В чем особенности этих дисков и почему крайне не рекомендуется экономить и пытаться использовать диски для ПК в системах для видеонаблюдения (равно как не стоит переплачивать и использовать для записи видео корпоративные диски)?

Режим работы жестких дисков в зависимости от задачи

Согласно различным исследованиям, жесткий диск в обычном настольном ПК в основном выполняет работу по считыванию, и гораздо меньше по времени занят записью данных. Примечательно, что в серверных системах это соотношение может быть примерно таким же, в зависимости от типа сервера.

Совсем другая схема работы в системах видеонаблюдения: здесь почти непрерывно осуществляются только операции записи и сравнительно редко – операции чтения. В системах, предполагающих анализ видеоданных и частый поиск по записанным ранее файлам (что характерно для крупных корпоративных систем), требуется, чтобы диск в равной мере осуществлял как запись, так и воспроизведение. Если вспомнить, что у жесткого диска и операции чтения, и операции записи выполняет один и тот же блок головок, то станет ясно, что решить такую задачу весьма непросто, особенно если данные находятся на кардинально разных дорожках диска. Также стоит упомянуть, что стойки с накопителями могут использоваться в режиме 24х7 в достаточно жестких температурных условиях, но при этом диски должны гарантировать надежность в эксплуатации. Такие требования заставляют производителей жёстких дисков выпускать особые модели для рынка систем видеонаблюдения.

Современные технологии и термины

Возможно это прозвучит странно, но для видеосигнала полная целостность данных не является критической, гораздо хуже длительные задержки при записи видеопотока. Небольшие ошибки, встречающиеся в видеопотоке, не влияют на общую целостность видеофайла, и ведут разве что к утере нескольких пикселей. При этом длительная задержка при записи потока уже будет хорошо заметна для зрителя. Как же производители решают задачи, которая стоят перед дисками для видео? Ответ в использовании различных специализированных технологий при конструировании и производстве таких дисков. Речь идет о компенсации ротационной вибрации, формате разметки Advanced Format, увеличенном показателе MTBF, применении ATA Streaming Command Set и гибком конфигурировании размера буфера. Расскажем более подробно об этих технологиях.

• ATA Streaming Command Set. Технология Streaming Command Set, включенная в стандарт ATA/ATAPI-7, обеспечивает комплексный набор инструментов для операций с дисками для аудио-видео приложений. ATA Streaming Command Set включает: журнал Streaming Performance, описывающий стандартную производительность диска; ограничения по времени восстановления ошибок, с целью предотвратить длительные задержки при восстановлении ошибок; управление чтением/записью, для возврата или использования частично откорректированных данных; журнал ошибок потоковой записи (для уменьшения временной задержки при обработке системных ошибок; команда конфигурирования потока (Configure Stream Command) — оптимизирует буфер данных для диска.

• Компенсация ротационной вибрации. Во время работы жесткого диска возникает так называемая ротационная вибрация (РВ), которая вызвана скоростным вращением диска — от 5400 до 15000 об/мин. Если в компьютере есть только один диск, ротационная вибрация не страшна, если же в стойке установлено два и более жестких дисков, то общая вибрация всех устройств создает помехи для точного позиционирования считывающих и записывающих головок диска. Таким образом, позиционирующий механизм вынужден вновь и вновь пытаться переместить головки на нужную дорожку, в результате чего резко падает производительность накопителя. Причем, чем больше дисков используется в системе, тем сильнее может падать быстродействие. Замеры Seagate показали, что при угловом ускорении около 21 рад/с², диски для настольных систем испытывают серьезные проблемы с позиционированием головок, теряют дорожки, а производительность падает очень существенно, более чем в два раза.

Для снижения воздействия РВ на работу жестких дисков вендоры используют технологии компенсации вибрации: RAFF (Rotary Acceleration Feed Forward) и RVS (Rotational Vibration Safeguard). Суть их в том, что на плату контроллера и на корпус диска устанавливаются акселерометры. Данные с акселерометров поступают на контролер жесткого диска, который вносит необходимые коррекции в работу привода головок. Технологии компенсации ротационной вибрации актуальны лишь для многодисковых систем, поэтому и поддерживают их только продвинутые модели, предназначенные для установки в стойку.

• SkyHawk ImagePerfect – специальная прошивка (firmware), которая использует технологию многоуровневого кеширования (Multi-Tier Caching, MTC) и обеспечивает целостность записываемых данных, препятствуя выпадению видеокадров. Поддерживается до 64 видеопотоков уровня HD. Интеллектуальный алгоритм уменьшает число ошибок с данными, что обеспечивает высокое качество изображений без пикселизациии и потери кадров для большого числа видеопотоков.

• Advances Format как способ оптимизации быстродействия. Advanced Format (альтеративное название 4K Cluster) — формат разметки области хранения данных на жестких дисках, в котором используются физические секторы размером 4 килобайта вместо традиционных 512 байт.
Применение такой технологии позволяет выиграть до 10% полезного дискового пространства, также улучшается сохранность данных благодаря более эффективной системе исправления ошибок. Основным минусом этой технологии является снижение скорости обработки небольших (менее 4К) файлов.
Новые операционные системы Windows уже поддерживают технологию Advanced Format, а для более старых ОС (Windows XP) для перехода на Advanced Format придется воспользоваться специальными утилитами, которые смогут эмулировать разметку диска.

• MTBF, Mean Time Between Failures — среднее время безотказной работы диска. Это статистический показатель, который не применяется к одиночному изделию. Для массива дисков этот параметр подсчитывается следующем образом. Например, имеется 100 дисков с гарантийным сроком три года, для которых параметр MTBF равен 1 млн. часов. В одном году 8760 часов, в трех годах — 26280 часов. За гарантийный период 100 дисков в общей сложности отработают 2,628 млн часов. Это значит, что в течение трех лет гарантийного срока из 100 дисков могут выйти из строя не более 2-3 дисков. Также часто используется показатель AFR (Annual Failure Rate — годовая интенсивность отказов). Упрощенная формула подсчета AFR выглядит следующим образом: AFR=1/(MTBF/8760). Таким образом, для модели Seagate SkyHawk параметр AFR = ~ 0,877.

• Короткий рабочий ход (Short Stroke). Технология короткого рабочего хода предназначена для минимизации задержек времени, нужных для позиционирования головки над нужной дорожкой. Суть технологии в том, что мы выделяем на пластинах для пользования только часть наиболее быстрых внешних треков, например, всего 10% или 20%. В этом случае жёсткий диск будет производить гораздо меньше перемещений головок и его быстродействие (а также долговечность) значительно увеличится. Однако использование такой технологии сопровождается значительным уменьшением ёмкости. Например, для диска 4 ТБ емкость сокращается до 400 ГБ (если параметр Short Stroke = 10%) или 800 ГБ (при 20%). С другой стороны, Short Stroke позволяет легко поднять быстродействие диска на 20-40%. В случае, когда требуется именно быстродействие, а не объем, это может быть важно. 

Как мы тестировали

В случае сильного сжатия один видеопоток разрешением Full HD обладает битрейтом около 2-3 МБ/с. Если взять за отсчет средний показатель Data Transfer Rate у современных дисков в диапазоне 80-200 МБ/с, то каждый диск в системах видеонаблюдения потенциально способен записывать видео с нескольких десятков камер.

Для тестирования мы взяли диск Seagate SkyHawk 4 TB ST4000VX007, который предназначен для применения в системах видеонаблюдения.

Вся процедура состояла из нескольких этапов. Вначале мы протестировали диск с помощью синтетических Benchmark-утилит HD Tune, CristalDiskMark, ATTO Disk Benchmark, AS SSD Benchmark. Для полноты картины каждый тест выполнялся три раза.

На втором этапе мы провели измерение быстродействия с помощью open-source утилиты IOMeter. Тестирование накопителя с помощью IOmeter проводилось без создания на нем логического раздела, дабы результаты тестирования не зависили от конкретной файловой системы. Но поскольку IOmeter «не видит» диски в формате Raw, которые были размечены по технологии GPT, все диски пришлось конвертировать в стандартный MBR. Напомним, что MBR не способен создавать разделы объёмом свыше 2 ТБ.

Для имитации нагрузки, подобной системам видеоналюдения, мы сгенерировали в IOmeter собственную конфигурацию Access Specification, где для операций записи/чтения используются блоки данных по 8 МБ, а 95% операций представляют собой последовательную запись. В качестве задачи исследовалась скорость обработки данных при увеличении числа потоков данных с 8 до 256 с удвоением этого числа на каждом шаге.

Далее диск протестировали с помощью утилит AJA System Test для двух типов видеосигнала: 1920*1080 HD-1080i (10 bit RGB) и 4096*3112 4K Full. Величины потока менялись от 256 MB/sec до 64 GB/sec. Утилита Blackmagic Disk Speed Test рассчитывает пригодность использования хранилища для различных качеств видео. В качестве размера тестового файла были взяты следующие величины: 1, 2, 3, 4, 5 ГБ. 

Seagate SkyHawk: описание тестируемой модели

Диски Seagate SkyHawk оптимизированы для систем видеонаблюдения и способны работать в режиме 24×7. Емкость этих дисков варьируется от 1 до 10 ТБ. Устройства серии SkyHawk способны записывать видео до 90% рабочего времени, оставшиеся 10% воспроизводить записанное видео, при этом поддерживая запись сигнала с 64 камер HD-формата одновременно. Кроме того, благодаря «прошивке»  ImagePerfect, SkyHawk способны минимизировать  потери кадров видео

Лимит рабочей нагрузки SkyHawk составляет 180 ТБ в год (втрое больше, чем у обычных дисков для настольных ПК), параметр MTBF достигает одного миллиона часов. На диски предоставляется трехлетняя ограниченная гарантия.

Прошивка (firmware) ImagePerfect™ поддерживает рабочую нагрузку в режиме 24×7. Одно из преимуществ SkyHawk — наличие сенсора вибрации, в дисках от 4ТБ и выше, который позволяет организовывать RAID-массивы из более чем 16 дисков в одной системе. Такая предоставляет заказчикам возможность гибкого роста и масштабирования по мере потребности. В целом, один миллион часов наработки на отказ, 3-летняя гарантия и защита от влияния окружающей среды обеспечивают отличные характеристики TCO.

Диски SkyHawk подключаются по интерфейсу SATA Rev 3.0. Это последняя версия интерфейса Serial ATA, обратно совместимая с SATA 2.0 и использующая те же типы разъёмов и кабелей. Максимальная теоретическая скорость передачи данных для SATA Rev 3.0 достигает 6 Гбит/cек, здесь также улучшены функции управления энергопотреблением.

Рис. 1. CristalDiskInfo: статус диска Seagate SkyHawk 4 ТБ

Результаты тестирования

Вначале мы оценили быстродействие диска с помощью популярной утилиты HD Tune. На первом этапе мы запустили тест диска с размером блока 8 МБ, на втором — с размером блока 512 КБ. Далее  решили проверить, как влияет на производительность диска короткий рабочий ход. Размер блока составлял 8 МБ, выделенная область диска — в первом случае 10% (400 ГБ), во втором — 800 ГБ (20%).

Табл. 1. Тестирование при помощи утилиты HD Tune, блок данных 8 МБ

Как видно по таблице, использование короткого рабочего хода кардинально увеличивает минимальную скорость считывания и записи (почти в два раза), и примерно на 20% повышает среднюю скорость. Максимальная скорость практически не меняется, что, впрочем, вполне логично. Интересно, что переход с Short Stroke 10% на Short Stroke 20% почти не изменяет результаты, разве что на еще 10-15% снижается время доступа.

Табл. 2. Тестирование при помощи утилиты HD Tune, блок данных 512 КБ

Если задать размер блоков данных равным 512 КБ, то HD Tune показывает незначительное падение производительности диска, в пределах 2-3%.

Табл. 3. Тестирование при помощи утилиты CristalDiskMark

 Результаты тестирования, полученные с помощью утилиты CristalDiskMark, вполне коррелируют с указанными выше цифрами от HD Tune.

Табл. 4. Результаты тестирования посредством утилиты ATTO Disk Benchmark

Рис. 2. ATTO Disk Benchmark: результаты тестирования модели SkyHawk 4 ТБ

Табл. 5. Результаты тестирования посредством утилиты AS SSD Benchmark

Табл. 6. Результаты тестирования AS SSD Copy Benchmark

Рис. 3. Результаты тестирования при помощи AS SSD Compresstion Benchmark для SkyHawk 4 ТБ.

Ниже представлены результаты тестирования диска при помощи утилиты IOMeter. Более детально с итогами можно ознакомиться в ниже приведенных таблицах.

Табл. 7. Результаты тестирования IOMeter для SkyHawk 4 TB.

При тестировании с помощью утилиты AJA System Test было выполнено по три измерения для каждой величины потока. При этом на небольшом потоке наблюдался заметный разброс значений, в то время как для потока 16 GB/sec и 64 GB/sec утилита показала практически стабильные результаты для всех трех попыток измерения.

Табл. 8. Результаты тестирования AJA System Test для SkyHawk 4 TB.

Рис. 4. Измерение производительности при помощи AJA System Test

Финальный этап тестирования — измерение производительности при помощи утилиты Blackmagic Disk Speed Test. Это приложение имеет минимум настроек — можно изменять только размер тестового файла: от 1 до 5 ГБ. Поэтому было проведено пять измерений, с разными размерами тестового файла.

Рис. 5. Измерение при помощи Blackmagic Disk Speed Test. Размер тестового файла — 1 ГБ

Рис. 6. Измерение при помощи Blackmagic Disk Speed Test. Размер тестового файла — 2 ГБ

Рис. 7. Измерение при помощи Blackmagic Disk Speed Test. Размер тестового файла — 3 ГБ

Рис. 8. Измерение при помощи Blackmagic Disk Speed Test. Размер тестового файла — 4 ГБ

Рис. 9. Измерение при помощи Blackmagic Disk Speed Test. Размер тестового файла — 5 ГБ

Выводы

Согласно итогам тестирования Seagate SkyHawk, пиковая скорость достигает 180-190 МБ/сек. Это не так уж и много, с другой стороны, производитель предупреждает, что специфические технологии оптимизация производительности, реализованные в Surveillance HDD, негативно влияют на результаты в синтетических бенчмарках. Такие диски созданы для специфичных задач и тестовое ПО не вполне отображает их особенности.

Преимущества Surveillance HDD в другом: они способны работать в режиме 24х7 в течение многих лет, хорошо функционируют в стойке, в многодисковых массивах, обладают намного более высоким параметром MTBF, бесперебойно работают в жестких температурных условиях (допустимая температура нагрева корпуса — до +70 С). Иными словами, там, где обычные десктоп-диски придется менять едва ли не каждый год, Surveillance HDD будут стабильно и бесперебойно выполнять свои задачи.

Спецификации

* - Компания Seagate настоятельно не рекомендует использовать диски при
нагреве свыше 60С, это значительно снижает их ресурс службы.

Читайте также:

Тест Seagate Barracuda: насколько быстра «морская щука»?