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我们收到的TOSHIBA MG04近线硬盘是东芝的最新产品,由于我们很少接触TOSHIBA的硬盘,因此我们对其技术和性能表现也非常感兴趣。

来源:ZDNetCBSi企业方案解决中心频道 2016年04月11日

关键字:近线存储 近线 Nearline HDD TOSHIBA

【ZD Research】经过多年的并购之后,作为硬盘驱动器市场留下的少数玩家之一,TOSHIBA东芝在之前主攻的是2.5“硬盘市场。随着云计算、云存储的兴起,近年来,东芝也开始瞄准3.5"硬盘市场,并以企业级应用为主要目标。当然,东芝的硬盘产品线也很完善,3.5”也有消费级的产品,在东芝的简体中文网站上被称为客户机硬盘,此外,还有专用级硬盘这一比较特别的分类,分别针对工业、监控、汽车等应用场景。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
TOSHIBA官网介绍

  我们收到了东芝送来的一批企业级硬盘,它们将会是东芝现在开始主推的产品线之一。这些硬盘属于东芝的MG04系列,也就是东芝所说的Enterprise Capacity企业级容量型硬盘,按照东芝的说法是:“容量优化企业级磁盘储存装置,适用于外部网络储存数组、企业备份与还原基础架构,以及存取密集大量储存系统与应用程序。”,它和东芝的Enterprise Performance企业效能型对应,也就是高性能的10500/15000RPM的企业级SAS硬盘。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
东芝的企业级效能型硬盘和企业级容量型硬盘的对比

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
TOSHIBA MG04近线硬盘的官方解剖图

  实际上,除了”企业级容量型硬盘“这一名称之外,MG04以及其前辈MG03这样的硬盘还有一个专用的名词形容:NearLine HDD,近线硬盘。NearLine的意思是介于Online和Offline之间,Online也就是不间断在线,一般的企业级效能型硬盘就属于Online型的硬盘,NearLine相对来说,具有相似的可靠性,但是具有更大的存储容量,相对地其性能则没有那么强大。Online、NearLine、Offline是存储金字塔的典型分层。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
TOSHIBA MG04ACA600E 6TB近线硬盘

  我们收到的TOSHIBA MG04近线硬盘是东芝的最新产品,由于我们很少接触TOSHIBA的硬盘,因此我们对其采用的技术和性能表现非常感兴趣。

  目前,业界的NearLine硬盘都是7200RPM规格的,东芝的MG04也不例外,当然,MG04之前的MG03,以及在Roadmap上看到的MG05、MG06、MG07、MG08都是7200RPM(别问我MG02和MG01是不是,我不知道有没有)。MG04系列也细分为三个级别,按照接口从高到低是SAS 12Gb/s、SAS 6Gb/s以及SATA 6Gb/s。SAS(Serial Attached SCSI)接口的双端口能力在企业级应用中目前来看仍然是一种不可或缺的能力,而SATA接口则可以提供更低的价格和更好的适应性,它可以应用在几乎所有的计算机系统上。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测

  东芝的中文官网没有和友商一样提供了每个系列硬盘的datasheet,不过其提供了一个比较详细的规格表:

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测

  作为”容量型“的硬盘,MG04目前最高可以提供到6TB的型号,也就是我们收到的型号,不过,显然中文官网上的资料图并没有进行更新——当然,基本的参数是容量无关的,例如,10 per 1016 bits read的不可恢复错误率,笔者喜欢将其简化为10-15,另外,MG04系列硬盘都具有550TB/y的工作负载,也就是每年可以保证写入550TB的数据量。最后,MG04系列硬盘具有140万小时的平均故障时间,可以稍为注意到东芝使用的是MTTF(Mean Time To Failure),友商一般用的是MTBF(Mean Time Before Failure或Mean Time Between Failure),它们大致上可以认为差不多。

  需要说明的是,近线硬盘最突出的特性就是具有和在线硬盘一样的可用性,也就是24x7(每天24小时、每周7天)的持续运行,这与普通消费级硬盘8x5的规格截然不同,对于企业级应用来说,这是一个最基本的要求。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
两个TOSHIBA MG04硬盘,一个带有硬盘保护盒,一个没有,可以看出,TOSHIBA的硬盘保护盒也颇具特色

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
型号均为MG04ACA600E

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
TOSHIBA MG04ACA600E,SATA 6Gb/s接口,容量6TB

  东芝MG硬盘的型号分解如下:

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测TOSHIBA MG系列硬盘型号解析

  可以得知,我们手上的硬盘使用的是512e扇区格式。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
没有裸露的电子元件,现代的HDD都这样,这可以加强对集成电路元件的保护

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
SATA 6Gb/s接口

  在最后,需要特别指出的一个特性是东芝的PWC with PLP技术——这是两个技术,它们在512e扇区格式以及6TB的型号上出现——我们手上的硬盘正是采用512e扇区格式的6TB型号。其中,PLP(Power Lost Protection,掉电保护)技术可以在突然掉电的情况下,利用硬盘盘片的转动惯性产生的反电动势——也就是相当于一种微型的飞轮UPS——将缓存中的数据记录到磁盘介质上,而PWC(Persistant Write Cache,持久写入缓存)技术则进一步提升PLP的能力,原理是使用非易失性存储——也就是Flash闪存,在这套体系中,硬盘回复主机写入操作已经”Normal Completion(正常完成)“但这些数据仍然保存在硬盘的内存当中,在碰到掉电的情况下,由PLP技术产生的电力用来将这些内存数据转移到Flash闪存上,由于写入到Flash闪存(PWC w/PLP的情况)所需要的能源要少于写入到硬盘盘片上(只有PLP的情况),因此可以具有比单独的PLP技术更强的掉电保护能力,也因此只有最大容量的6TB型号以及512e型号具有,后者的情况比较复杂。需要注意的是,PWC w/PLP技术并非万能,正规的UPS和合规的PSU仍然推荐使用。

  东芝描述了两种情况,一种是正常操作流程之外的掉电——例如不合规范的电源未能在Power Good信号消失之后维持规定的电源供给时间,这时未保存到Flash闪存的数据可能会丢失;另一种是,未能到达”Normal Completion(正常完成)“阶段的数据有可能在掉电中丢失。PWC w/PLP带来的一个副效应是PLP操作之后重新加电,硬盘需要更长的时间准备,因为需要将Flash或者说PWC当中的数据检查写入磁盘。

  我们使用了一台双路的Dell PowerEdge R720服务器服务器进行了测试,其搭载了两个Intel Xeon E5-2690处理器。为了测试硬盘,我们特地使用了一块Avago MegaSAS 9212-4i4e SAS HBA——其前身是LSI MegaSAS 9212-4i4e。这是一块8口、6Gb/s速率的SAS介面卡,当然,它也支持SATA。为了更好地测试硬盘,我们将其刷新为IT模式,这个模式下,HBA卡提供了最纯粹的SAS/SATA控制能力,并去掉了IR模式下带来的软RAID堆栈延迟。测试使用的操作系统是Windows Server 2012 R2 Datacenter,安装了最新的Firmware以及驱动,使用的测试软件为HD Tune Pro v5.6和最新的Iometer 1.1.0。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
测试平台与测试环境

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测

LSI MegaSAS 9212-4i4e现在已经改名叫Avago MegaSAS 9212-4i4e

  我们首先简单测试硬盘的读写曲线以及一些指标,然后使用Iometer仔细测试了基准性能指标和应用性能指标。

  首先进行的是比较简单的曲线测试,以提供一个大略的视图。在以往我们使用的是HD Tach RW,不过其已多年未更新。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
读取曲线

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写入曲线

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
 随机读取性能

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随机写入性能

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
附加读取测试

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
附加写入测试

  HD Tune Pro可以很方便地看到整个硬盘的传输速率曲线,不过实际应用中这种曲线用处也不是很大,我们看重的是接下来的Iometer测试。

  Iometer首先进行的是基准指标测试,一般来说,现代的这个基准指标测试的性能会和一个特性比较紧密的联系在一起,那就是磁盘扇区格式。HDD处于从512B扇区向高级格式化的4KiB扇区的转变已经多年,在客户端,这个转变已经基本完成,但在企业端,它还远没有结束,因为可能有些软件会依赖于老的512B扇区格式,或者516B、520B这样特殊的格式,因此,几乎所有的企业级硬盘都提供了4Kn(4KiB Native)和512e(512Byte Emulation)的扇区格式选择,我们收到的这款就是512e(512Byte emulation),意思是,物理存储是4KiB扇区格式,但对主机模拟为512B扇区格式,也就是存在一个转换层,这会带来一些损耗。我们对MG04所有的项目都分别进行了512B和4KiB扇区对齐下的测试。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
4KiB对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  写入性能很稳定,这应该是PWC w/PLP——前面特地介绍的持久写入缓存——的作用。在512B对齐下,连续读写可以分别获得117K和99K的IOps,在4KiB对齐下则要差不少,因为物理扇区是4KiB,而硬盘对外提供的扇区格式是512B,所以每一个512B读取实际上就是一个4KiB的读取,而每一个512B的写入就意味着一次4KiB的读取加上一次4KiB的写入。4KiB物理扇区格式的含义是,数据块的ECC是基于整个4KiB块计算。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
4KiB对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

    4KiB块性能在现下是比较重要的指标,在两种对齐方式下的连续读写能力都很不错,逼近了持续传输速率指标,512B对齐达到了208MiB/s读取和200MiB/s写入,4KiB对齐达到了206MiB/s读取和191MiB/s写入,后者写入比前者要低5%。在随机读写上,TOSHIBA MG04ACA600E在32队列深度下两种对齐方式都可以提供196个IOps,很出色,一般的7200RPM硬盘在150左右。随机写入这两种对齐方式具有明显的差距,512B对齐仅有133IOps,4KiB这有246IOps,不仅比一般硬盘的150IOps要高不少,也比本身的读取IOps高不少。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  鉴于TOSHIBA MG04ACA600E出色的随机性能,这里特别加上了4KiB随机读写延迟的图表,可以看出,4KiB对齐下的TOSHIBA MG04ACA600E的延迟确实很低,1队列深度随机读取延迟为12ms,写入为4ms,写入如此之低是因为缓存的作用。抛开缓存不谈,12ms的4KiB随机读取延迟比大部分7200RPM硬盘14~16ms的指标要高。需要注意的是,这个明显优于读取的写入延迟指标展示的是MG04具有的电路处理能力。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
4KiB对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  1MiB块大小下可以衡量硬盘在时下正常负载下的工作能力,在读取方面,TOSHIBA MG04ACA600E两种对齐方式下差距不大,分别是203MiB/s的读取和196MiB/s的写入、202MiB/s的读取速率和188MiB/s的写入速率的话。随机写入则仍然是4KiB对齐明显要更好,此时能达到86左右的写入IOps,大概是顺序操作的42%~45%,并没有因为是随机操作而性能大减。

  基准性能指标可以大致推测出企业应用脚本的性能,只要没有明显的缺陷的话:

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐  

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  文件服务器混合了读取和写入,512B对齐/4KiB对齐分别是176IOps/197IOps,对7200RPM硬盘来说,很不错。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  网站服务器倒是两种对齐下性能都很相似,大约为192 IOps,很不错。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  数据库服务器下两种对齐方式差别比较明显,512B对齐只有158IOps,而4KiB对齐达到了211IOps,这是因为数据库服务器测试当中包含了写入操作。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  工作站,分别是175IOps和216IOps,很不错。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
512B对齐

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测4KiB对齐

  Workstation和Real Workstation的区别是,前者只包含了8KiB块,后者包含了8KiB、16KiB、24KiB、32KiB四种,总的来说,和前者相似。

【ZD Research】结果让人比较惊讶,TOSHIBA MG04的性能和一般的7200RPM硬盘相比要明显强出不少。由于资料贫乏,因此尚不清楚哪些方面导致了这样的表现。不过,从测试来看,MG04的随机能力很强,在1队列深度下随机读取延迟为12ms,随机写入为7.5ms(512B对齐)/4ms(4KiB对齐),可以看到4KiB对齐下才能发挥出硬盘应有的性能,此时没有需要先读取才能写入的操作惩罚。

  先抛开缓存不谈,12ms的4KiB随机读取延迟比大部分7200RPM硬盘14~16ms的指标要高,因此这应该是MG04具有较强的寻道能力,很有可能是其搭载了改进的DSA(Dual-Stage Actuator,二阶段致动器),目前,业界各大厂商都有在开发的DSA,但具体搭载的时间和型号尚不十分明确。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
TOSHIBA MG04近线硬盘上可以看到DSA的身影,问题是DSA与DSA不一定相同

  缓存方面,除了几乎所有硬盘都会搭载的Cache之外,TOSHIBA MG04还在512e型号和6TB型号当中搭载了一套独有的技术,称为PWC with PLP(Persistant Write Cache with Power Lost Protection,掉电保护的持久写入缓存),如前面所述,MG04的4KiB对齐写入延迟只有4ms,比读取要快很多,显然这是缓存的作用,数据未真正写入磁盘就已经返回“操作完成”。

TOSHIBA MG04 NearLine硬盘评测
测试加上的4KiB对齐下的4KiB随机读写延迟,TOSHIBA MG04ACA600E延迟确实很低;大部分7200RPM硬盘为14~16ms

  显然缓存并不是MG04独有,基本上每个硬盘都有32~128MiB的RAM(现在已经有256MiB的了),因此数据未真正写入磁盘就已经返回“操作完成”并不是MG04的专利。然而,在掉电的时候,RAM缓存会丢失数据,而东芝的PWC w/PLP则使用PWC搭配PLP技术,在碰到掉电的情况下,由PLP技术通过硬盘盘片转动惯性所产生的电力来将内存中未写入的数据转移到非易失的Flash闪存上,从而达到了缓存防掉电的目的。在以往,一些重要的应用会需求关闭硬盘的写入缓存以保障数据安全,PWC w/PLP则不需要,可以在提供良好的写入性能的同时并能保证数据安全。一直打开的PWC持久写入缓存也是几乎在所有测试当中,写入性能都比读取性能要高的原因。

东芝MG04近线系列6TB SATA硬盘评测
TOSHIBA MG04ACA600E,搭载PWC w/PLP(掉电保护的持久写入缓存)技术的NearLine近线硬盘

  很让人印象深刻,TOSHIBA MG04提供了良好的性能的同时还提供了不错的可靠性,不过缺点仍然存在,就是512e的扇区格式尚不够完美,可能的话,我们或许应该多考虑一下4Kn的型号。

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