NAS 儲存空間升級實戰:SMR 硬碟能用嗎?有哪些前置工作?

NAS 儲存空間升級實戰:SMR 硬碟能用嗎?有哪些前置工作?

如果你還有印象的話,前幾年的家用 NAS 市場,由於自建私有雲端的話題正熱,在結合了各種備份及串流應用下,一時之間可說是十分熱絡,但對於目前的 NAS 使用者而言,最急迫的問題反而不是換機,而是在這段時間的使用下,多數人應該都已逐漸遇到了空間不足的狀況,必須得開始考慮擴充容量的問題。

不過幸好這幾年單顆硬碟空間,成長的速度十分之快,可說是升級 NAS 空間的最佳時機,以下我們就從硬碟的挑選乃至於實機的操作教學,一併做完整的解說。

NAS 專用硬碟真的比較好嗎?

雖然 SSD 已經逐漸普及,不過以大量資料備份為主要用途的NAS,依舊會使用碟盤式硬碟來作為儲存媒介,其優勢在於儲存空間遠勝於 SSD,因此能夠進一步壓低單位儲存成本,幾年前開始,各家硬碟廠開始針對 NAS 推出獨立的硬碟產品系列,價格亦比普通硬碟要貴一些,例如 Seagate 的 IronWolf 、Toshiba N300 以及 WD 的 Red 等等,難道要升級 NAS 空間,就只能選購 NAS 硬碟嗎?

NAS 儲存空間升級實戰:SMR 硬碟能用嗎?有哪些前置工作?

以穩定性為訴求

其實硬碟的選擇,並非單純只看容量就好,NAS 硬碟出現的原因,跟 NAS 的運作方式有很大的關係,以普通電腦來說,更重視的是系統、程式執行的速度,所以對於硬碟存取的效能特別重視,往往必須透過高轉速來減少讀取時間,然而高轉速會帶來更大的噪音、震動、熱量,以及增加出錯的機率,所以一般硬碟的設計,大多以每週工作 5 天,每天工作 8 小時為前提,如果電腦長時間不關機,讓硬碟持續處於運作狀態下,就會大幅縮短硬碟的壽命。

相對於電腦來說,NAS 卻是必須全天候開機,也就是每週工作 7 天,每天工作 24 小時,才能維持遠端存取以及備份功能的正常運作,甚至一整年都不見得可以關機休息,所以 NAS 硬碟會更強調於運作的穩定性。另一方面,NAS 內部通常是多顆硬碟距離很近地裝載在一起,同時運轉所產生的共振效應也會更明顯,所以廠商通常會在 NAS 硬碟加入額外的震動抑制或補償技術,確保運作的可靠性,就先天體質上來說,NAS 硬碟確實比普通硬碟更適合 NAS 使用。

MTBF 與工作負載率

而在挑選 NAS 硬碟時,還另外有幾個特殊規格可以留意,包括 MTBF 以及工作負載率,前者為「平均故障間隔時間」,通常以小時為單位,可作為評估硬碟可靠性的標準,不過廠商標示 100 萬小時,並不代表它真的能夠用上 114 年而不會故障,這個數字是從一整批產品中的故障比率中,所推算出的數值,所以你還是有可能會遇到機王,這時候保固的長短就很重要了。至於工作負載率則是指硬碟每年可進行讀寫的最大容量,以 TB/年為單位,只要每年工作負載不超過這個限制,就不會傷害到硬碟本身的穩定度。

NAS 硬碟的工作特性以及可靠度,都與普通硬碟有所差別,也因此價格較高。(由左而右分別是 Toshiba N300、Seagate IronWolf、WD Red Pro)

SMR 與 CMR 磁記錄技術的差異

進一步解剖硬碟,你便會發現,機械式的硬碟是由多張磁片搭配讀寫頭所組成,其儲存的原理,是在合金圓盤上塗佈一層具有磁性的薄膜,再透過讀寫頭上的線圈產生磁場,進而改變磁顆粒的方向排列,達成資料的寫入存儲,為了在既有的硬碟設計上,想辦法增加每一張碟片的磁錄密度,其實是硬碟廠商最頭痛的問題。

磁錄技術的轉變

早期的硬碟多採用 LMR 平行磁記錄技術,藉由縮小塗層當中的磁顆粒尺寸,雖然可以增加磁錄密度,但也更容易引發超順磁效應(極性受到溫度影響而產生變化),導致資料的遺失,因此後續便出現改良的 PMR 垂直磁記錄技術,把磁化的方向從水平向轉變為垂直向,除了可以改善上述超順磁效應的發生,也能更有效的運用碟片面積來儲存更多資料,然而垂直磁記錄近年所遇到的瓶頸,倒並非是磁片本身,而是在於讀寫頭的尺寸,已經到了硬體設計的極限,無法再進一步縮小下去了,因此所以才有了 SMR 疊瓦式磁記錄的出現。

SMR 技術的缺陷

從技術上來說,SMR 同樣也是採用垂直式的磁化方式,因此為了做出區隔,原先的 PMR 就改稱為 CMR,主要的差別,在於 CMR 在磁軌與磁軌之間是有保留一些間距的,這些間距並不會用來儲存資料,而 SMR 則是把磁軌重疊起來,取消了間距的存在,如此便能提升單一磁片的儲存空間,不過如此一來,磁頭若對磁軌進行寫入動作時,因為沒有了間距,所以也會連帶會影響到鄰軌的資料,對此各家硬碟的韌體解決方式不一,例如先將新資料存至空白軌道,或是把鄰軌的資料暫存至記憶體,等硬碟閒置時再統一整理磁軌,如果是新的硬碟,自然不需要這些動作,但隨著硬碟資內資料越來越多,頻繁的覆寫動作,除了會造成效能上的低落,也可能會出現資料上的錯誤,不過雖然 SMR 並不適合頻繁的寫入作動,但這類硬碟具有容量的優勢,可降低冷儲存的單位成本。

硬碟內部由磁片和讀寫頭組成,想要增加容量,會遭遇到許多物理上的限制。

Seagate 的 SMR 與 CMR 的主要差異,在於 SMR 是將磁軌重疊在一起,有如瓦片般層層疊起。(資料來源:Seagate)

SMR 因為取消間距,磁軌寬度縮小,因此讀寫頭在進行寫入動作時,也會同時影響到鄰近的磁軌。(資料來源:Seagate)

SMR 硬碟可以用來組 RAID 嗎?

雖然 SMR 硬碟確實存在有部分缺點,但也並非一無可取,如當年從 LMR 進步到 PMR,同樣也引發不少疑慮,但終究是不可逆的時代趨勢,容量成本效益終究是得放在首位,硬碟廠商不太可能因為 SMR 走上回頭路,不過 PMR 硬碟一時之間還不太可能消失,所以不必太擔心。另一方面,藉由進階的快取、讀寫控制等技術,消除 SMR 硬碟的弱勢,則會是目前硬碟廠商的努力方向,至於下一代的磁記錄技術,如MAMR、HAMR 也都已現身,就等待未來下放至消費市場。

NAS 廠商的態度

雖然硬碟廠商把採用 SMR 磁記錄技術的硬碟,擴充至 NAS 硬碟系列產品線,已經是由來已久,不過近期卻引起了相當大的爭議,值得注意的是,其中反對聲量最大的,多是一般的消費者,甚至打算集結上法院提告,只有 Seagate 出來疾呼,認為 NAS 並不適合使用 SMR 硬碟,並宣布未來自家的 Ironwolf NAS 硬碟,絕對不會採用 SMR 技術,此外 Toshiba 也從未計畫要在 NAS 硬碟上採用 SMR 技術。然而另一方面,最為強調資料儲存安全性的各家 NAS 廠商們,似乎都沒有太大的批評聲浪,事實上,從 Ausustor 網站的官方相容列表來看,SMR 技術的硬碟亦赫然在列,或許也代表著,他們並不認為這些 SMR 硬碟,會對 NAS 市場帶來什麼毀滅性的傷害。

組建 RAID 的前提

一般人使用 NAS,皆會透過多顆組成 RAID,以增加硬碟容錯的空間,確保資料的可靠度,那麼使用 SMR 硬碟是否可以建 RAID 呢,其實在 Synology 的官方 QA 網頁中已有建議,使用者在建立 RAID 時,最好全部使用 PMR 或 SMR 硬碟,不要混合兩種硬碟安裝,否則 SMR 的特性可能會影響整體讀寫效能,不過進一步來說,考慮到 SMR 的隨機寫入機制,其實並不建議在 RAID 0、RAID 5、RAID 6 等分散式架構下使用,至於鏡像結構的 Raid 1,或是檔案櫃形式的 JBOD,SMR 硬碟則是可以比較正常地使用沒有問題。

透過 Synology 提供的 RAID 計算器,可以快速地計算不同 RAID 格式下的實際可用容量,並進行比較。

Seagate 採用 SMR 技術硬碟一覽表。

WD 採用 SMR 技術硬碟一覽表。

Toshiba 採用 SMR 技術硬碟一覽表。

更換 NAS 硬碟的前置工作

升級 NAS 硬碟空間可分為兩種情境,一種是原本的 NAS 因為預算考量,一開始就沒有插滿所有的硬碟槽,所以只需再插入新硬碟即可,另一種則是要把原本 NAS 裡安裝的硬碟,替換為較大容量的硬碟來增加空間。前者由於不需更動到舊有的硬碟,所以設定流程比較簡單,而後者則是利用 NAS 的硬碟容錯機制,進行硬碟的抽換,不過不管是哪一種情況,要注意「新的硬碟的容量必須要比舊硬碟大,或至少是相同容量規格」,這樣才不會造成資料復原方面的問題,至於要在同一台 NAS 中,混用不同品牌的 NAS 硬碟,倒是沒有什麼關係。

別忘了先備份

不管是進行任何 NAS 的升級動作,開始之前,建議還是先將 NAS 內的重要檔案備份出來,雖然目前NAS的軟硬體設計已經相當成熟,進行硬碟的升級,不但可以支援熱插拔,且擴充的過程中不會刪除任何舊有資料,但是沒人敢保證在過程中,是否會發生什麼突發狀況。而現在的 NAS 也已具備多重備份的功能,不管是備份至公有雲端,還是異地、異機的備份,都可以依照個人需求處理,甚至透過 USB 埠連接隨身硬碟來備份檔案也沒問題。還有一點容易忽略的是,如果你的 NAS 採用的是 RAID 0 或 JBOD 配置,由於並沒有任何容錯空間,所以一定要把檔案備份出來才行,等硬碟更換完成,再將備份檔案重新存入。

現在 NAS 幾乎均有 USB 連接埠的設計,要把 NAS 內的資料備份出來並不困難。

順序很重要

此外,在抽換硬碟之前,亦可先檢查 NAS 儲存區的狀態是否良好,如果處於錯誤或是降級狀態的話,建議先將其修復之後,再進行硬碟更換擴充的動作,而在抽換的過程中,千萬不可以一次就把所有硬碟拆卸下來,再通通換上新硬碟,必需逐顆進行更換,同時每更換一顆硬碟,就必需按照官方步驟進行重建,從下面我們將分別針對 Synology、QNAP 及 Asustor 等三家主要 NAS 品牌的產品,分別進行操作。

NAS 硬碟插槽的數目,除了影響支援的 RAID 格式種類,也會增加升級硬碟需花費的時間。

Synology NAS 的硬碟升級更換

Synology NAS 的作業系統為 DSM,目前最新版本為 6.2.3,Synology 較特別的地方在於,除了普通的 RAID 磁碟陣列之外,自家也有推出稱之為 SHR(Synology Hybrid RAID)的獨特格式,不過更換硬碟的方式基本上都是相同的,如果是多顆硬碟的機型,且沒有打算更換全部硬碟的話,官方建議是從容量最小的硬碟開始換起,如此才可以把硬碟的使用率最大化。

步驟 1. 進入 DSM 頁面,點開左上方主選單,點選「儲存空間管理員」。

1.進入DSM頁面,點開左上方主選單,點選「儲存空間管理員」。

步驟 2. 可先在總覽頁面檢視狀態是否良好,接著便可進行抽換硬碟。

2.可先在總覽頁面檢視狀態是否良好,接著便可進行抽換硬碟。

步驟 3. 更換硬碟後會出現「降級」的警示,至「儲存集區」點選「動作」並「修復」。

3.更換硬碟後會出現「降級」的警示,至「儲存集區」點選「動作」並「修復」。

步驟 4. 選擇剛剛所更換上的那顆硬碟,按「下一步」並且「確定」。

4.選擇剛剛所更換上的那顆硬碟,按「下一步」並且「確定」。

步驟 5. 新加入的這顆硬碟,系統會刪除其所有資料,並進行NAS資料的修復,按下「套用」。

5.新加入的這顆硬碟,系統會刪除其所有資料,並進行NAS資料的修復,按下「套用」。

步驟 6. 等待同位元資料檢查進度完成後,再重複上述抽換硬碟的動作,直到所有硬碟換新。

6.等待同位元資料檢查進度完成後,再重複上述抽換硬碟的動作,直到所有硬碟換新。

QNAP NAS 的硬碟升級更換

QNAP 為自家 NAS 所開發的作業系統為 QTS,目前版本號來到 4.2.2,QNAP 對於 NAS 內部的儲存空間管理,所採用的是稱之為「儲存池」的設計,可以隨使用者的需要,自行調整磁碟區的數量和大小,而不會受到實體硬碟的數量所限制,因此對於整體硬碟空間的運用較為彈性,不過相對來說,它的架構也會比 Synology 來得複雜一些,更換硬碟需花一些時間等待重建。

步驟 1. 進入 QTS 系統主頁面,點選桌面的「儲存與快照總管」。

1. 進入 QTS 系統主頁面,點選桌面的「儲存與快照總管」。

 步驟 2. 點開左側「儲存空間」,在「儲存空間/快照」項目內,在儲存池按右鍵選擇「管理」。

2.點開左側「儲存空間」,在「儲存空間/快照」項目內,在儲存池按右鍵選擇「管理」。

步驟 3. 在要擴充的儲存群組按下「管理」,選擇「逐一取代磁碟」。

3.在要擴充的儲存群組按下「管理」,選擇「逐一取代磁碟」。

步驟 4. 點選要更換的硬碟後,按下「更換」。

4.點選要更換的硬碟後,按下「更換」。

步驟 5. 等系統發出嗶聲並出現「請拔出這顆硬碟」後,便可將其取出並更換硬碟。

5. 等系統發出嗶聲並出現「請拔出這顆硬碟」後,便可將其取出並更換硬碟。

步驟 6. 等待 RAID 重建完成,依序更換其他硬碟後,於步驟 3 的視窗即可按下「擴充容量」增加NAS空間。

6. 等待 RAID 重建完成,依序更換其他硬碟後,於步驟 3 的視窗即可按下「擴充容量」增加NAS空間。

Asustor NAS 的硬碟升級更換

由華碩電腦投資成立的 Asustor,雖然市佔不比 Q 和 S 兩家,不過在硬體與軟體之間,算是頗為平衡發展,以 ADM 作為旗下 NAS 的系統,最新版本為 3.5.0。在儲存空間設定方面,Asustor 雖然沒有特殊的 RAID 格式,也無太多調整的彈性,不過相對來說單純許多,還有獨家的 MyArchive 冷儲存技術,可讓閒置的硬碟依然保有存儲資料的作用。以下就以硬碟的更換為示範。

步驟 1. 進入 ADM 的系統主頁,點選桌面的「儲存管理員」。

1. 進入 ADM 的系統主頁,點選桌面的「儲存管理員」。

步驟 2. 在「硬碟群組」項目,點選「管理」,並按下「RAID」。

2. 在「硬碟群組」項目,點選「管理」,並按下「RAID」。

步驟 3. 選擇「用較大的硬碟來取代⋯」並按「下一步」後再按「完成」。

3. 選擇「用較大的硬碟來取代⋯」並按「下一步」後再按「完成」。

步驟 4. 點開硬碟群組,當畫面出現「等待置換」時,將指定的硬碟抽出。

4. 點開硬碟群組,當畫面出現「等待置換」時,將指定的硬碟抽出。

步驟 5. 此時群組狀態會轉為「降級模式」,此時便可插上新的硬碟。

5. 此時群組狀態會轉為「降級模式」,此時便可插上新的硬碟。

步驟 6. 狀態轉為「重建中」,重建完成後依指示更換下一顆硬碟,結束後便會出現「容量擴充」按鈕,按下並等待完成即可。

6. 狀態轉為「重建中」,重建完成後依指示更換下一顆硬碟,結束後便會出現「容量擴充」按鈕,按下即可。

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