Waarom niet iedere harde schijf hetzelfde kan

Waarom zou je meer betalen voor een speciale harde schijf in je NAS als een desktopschijf goedkoper is? Harde schijven zijn meer dan een verzameling gigabytes alleen. We doen de motorkap open en onderzoeken wat verschillende types schijven zo uniek maakt.
Stel: je wil een NAS installeren als centrale opslag, multimedia- en back-up-hub voor je huis of klein bedrijf. Je kiest voor een 4-bay-NAS en wil meteen voldoende opslag. Vier schijven van 4 TB in een RAID-5-configuratie moeten volstaan. Daarmee krijg je 12 TB aan opslag en mag één drive er tussenuit vallen. Een capabele NAS is helaas niet heel goedkoop en vier 4 TB-schijven zijn dat al evenmin. In de winkel lonken de desktopdrives. Een Seagate Barracuda van 4 TB, gericht op gebruik in je pc, kost ongeveer 145 euro. Een speciaal voor de NAS geoptimaliseerde schijf zoals de 4 TB IronWolf kost je 178 euro per stuk. Aangezien je vier schijven nodig hebt, komt het prijsverschil op meer dan 130 euro: best significant.

NAS versus server

NAS-schijven en professionele serverschijven zijn niet zo heel verschillend. Drives voor servers hebben dezelfde functies aan boord zoals de extra actuator en de accelerometers. Het verschil is deels op marketing en ondersteuning gebaseerd. Garantie- en support zijn op maat van een datacenter in de plaats van op maat van een consument en klein bedrijfje. Er zijn natuurlijk wel enkele verschillen maar die vind je meer aan de firmware-kant terug. Opnieuw zijn de drives geoptimaliseerd om tegemoet te komen aan de specifieke eisen van de omgeving waarvoor ze op de markt gezet worden.

Duurder, maar waarom?

Waarom zou je meer betalen voor de NAS-schijf als de desktopschijf dezelfde capaciteit biedt? Dat de NAS-schijf geoptimaliseerd is voor gebruik in je kleine server, spreekt voor zich, maar de aanwezigheid van termen als 'agile array' maken niet meteen duidelijk of je nu echt in een noodzakelijk product investeert, dan wel in een slimme marketingval trapt.
We gaan te rade bij Eric Maingot, Senior Customer Engineer bij Seagate. We onderzoeken het verschil tussen verschillende types drives aan de hand van enkele concrete voorbeelden. De technologie is niet dezelfde als die in schijven van bijvoorbeeld Western Digital of Toshiba maar de principes gelden wel voor alle drie de HDD-fabrikanten: HDD's zijn meer dan schijven en lees- en schrijfkoppen alleen, en de keuze van een juist exemplaar heeft wel degelijk een voelbare impact.

Eenvoudige schijf

De desktopschijven zijn in principe vrij eenvoudig. Ze zijn gemaakt om alleen in een desktop (of laptop) te wonen en door slechts één gebruiker tegelijkertijd bedient te worden. Dat zorgt voor relatief eenvoudige lees- en schrijfopdrachten. "Een desktop-HDD zoals de Barracuda heeft een cache van 128 tot 256 MB waarin opdrachten worden gebufferd waarna ze naar de schijf worden geschreven", vertelt Maingot. Speciale technologie is niet aanwezig. Als de schijf zich verslikt in een schrijfopdracht, dan heeft ze in principe de tijd om een fout zelf te corrigeren. Er zijn immers geen andere schijven of gebruikers waarmee de drive rekening moet houden. Ook trillingen zijn niet bepaald een groot probleem: een HDD in een desktop wordt zelden vergezeld van nog drie andere exemplaren. Bovendien kennen de schijven de nodige rust: ze hoeven niet 24 op 24 beschikbaar te zijn.
In de NAS-omgeving stellen zich heel andere eisen. In het scenario aan het begin van deze expert zone haalden we een RAID 5-opstelling aan. Die RAID wordt georganiseerd door de RAID-controller. Die ordent de schijven, bepaalt waar de data komt en beveiligt gegevens met een 'stripe'. Lijkt data plots fouten te bevatten op één drive, dan zal de RAID-controller die fout in een handvol seconden herstellen door naar de stripe-data op de andere schijven te kijken. Fouten op schijf 1 kunnen in principe snel hersteld worden door een soort van back-up op één van de andere drives.

RAID versus HDD

Maingot verduidelijkt het probleem met desktop-HDD's. "Stop je een desktop-HDD in een NAS, dan zullen de RAID-controller en de drive in bovenstaand scenario tegen elkaar vechten. De desktopdrive wil fouten zelf corrigeren, de RAID-controller wil het RAID-volume aanspreken. Het resultaat is een vertraging van het hele systeem die ervoor kan zorgen dat een drive als niet-responsief overkomt en uit de hele RAID wordt gedropt." Desktopdrives hebben met andere woorden firmware die geoptimaliseerd is voor desktopgebruik terwijl de firmware van NAS-schijven speciaal ontwikkeld is voor integratie in RAID-volumes zoals een striped RAID-5.
Wil je je NAS intens gebruiken, dan stelt zich een ander probleem. Maingot: "Hoe meer je van de schijven vraagt, hoe harder ze moeten zwoegen. Dat extra werk brengt trillingen met zich mee." In een NAS zitten drives op enkele centimeters van elkaar waardoor ze beïnvloed worden door vibraties. Een eenvoudige desktop-HDD kan die vibraties alleen ondergaan.
"De lees- en schrijfkop raakt door de trillingen uit zijn lood geslagen en staat niet meer op de exact juiste plaats boven de schijf. Om data uit te lezen of weg te schrijven moet de kop natuurlijk erg nauwkeurig boven de schijven zweven waardoor de drive genoodzaakt is de kop opnieuw te kalibreren. Wanneer een NAS met desktopdrives het hard te verduren krijgt, zullen de prestaties van individuele desktopschijven net achteruitgaan door die trillingen en de constante nood aan kalibratie."

Twee actuators

De IronWolf uit ons voorbeeld heeft daarom een kop gemonteerd op een high-tech-arm. In een desktopschijf heeft de arm slechts één actuator die de positie bepaalt. Die actuator heeft als opdracht de kop op precies de juiste plaats te positioneren voor het uitvoeren van een lees- of schrijfopdracht, maar is niet opgewassen tegen storingen van buitenaf.
De NAS-drive heeft een tweede uiterst gevoelige actuator aan het uiteinde van de arm, net voor de kop. De hoofdactuator zorgt nog steeds voor de positionering boven de schijf terwijl de kleine motor aan de kop specifiek dient om de bewegingen veroorzaakt door trillingen te compenseren. "Het systeem is gekoppeld aan gevoelige accelerometers in de schijf zelf zodat de kop kan anticiperen op trillingen", legt Maingot uit. Het resultaat is een drive die geen last ondervindt van vibraties.

Streaming-specialisatie

Verder ondersteunt de NAS-schijf de 'ATA-8 streaming command set'. Dat wil zeggen dat de drive geoptimaliseerd is voor streaming-commando's. Denk daarbij niet noodzakelijk aan het streamen van een video naar je pc maar eerder het streamen van data van bijvoorbeeld een beveiligingscamera naar de schijf zelf. De drive is uitgerust met algoritmes die dergelijke opdrachten niet meteen naar de schijf wegschrijven maar ze eerst in een cachebuffer bewaren. Zit die buffer vol, dan worden de gegevens weggeschreven op een optimale manier die de herpositionering van de schrijfkop tot een minimum beperkt. "De bewegingen zorgen immers voor de grootste vertragingen tijdens het schrijven. Het resultaat is voelbaar: een desktopschrijf kan perfect overweg met één binnenkomende datastream, een NAS-schijf met ATA-8 ondersteuning kan tot 64 simultane streams verwerken", verklaart de Seagate-specialist.
Tot slot hebben een desktop- en een NAS-schijf verschillende stroombehoeftes. Een NAS staat in principe non-stop ingeschakeld. De drives moeten zo snel mogelijk klaar zijn om werk te verrichten wanneer een gebruiker ze aanspreekt maar ze moeten tegelijkertijd zuinig zijn om kosten te besparen. Een complex systeem van verschillende stroombesparingsmodi laat een NAS-schijf toe om een balans te kiezen tussen een snelle herstarttijd en energiebesparing.

Slimme sensoren

Tot slot is gezondheid relevant. Seagate zet daar specifiek op in met een splinternieuwe technologie: NASworks. NASworks is een set van 200 parameters waarmee je de gezondheid van je schijf bliksemsnel kan nakijken. Denk aan het gekende SMART-systeem maar dan op steroïden. NASworks zit in eerste instantie geïntegreerd in het nieuwste besturingssysteem van Synology-NAS'en. Omwille van afspraken tussen Synology en Seagate wil Maingot ons niet verklappen hoe de sensoren precies in staat zijn de gezondheid van een drive te analyseren.
Een NAS-drive heeft dus tal van specifieke functies aan boord, gericht op specifiek gebruik in een NAS. Geen van die functies vind je terug in desktopdrives omdat ze overbodig zijn in een pc. Er bestaan ook tussenoplossingen zoals we in de Skyhawk-reeks van HDD's zien. Die is geoptimaliseerd voor beveiligingscamera's en heeft daarom functies zoals ATA-8 aan boord. Skyhawk-schijven schrikken er bovendien niet voor terug op 90 procent van de tijd data weg te schrijven. De HDD's hebben verder een grotere cache en zijn uitgerust met firmware die in staat is optimaal met streaming-workloads om te gaan. Bepaalde functies die je op NAS-schijven terugvindt, zijn dan weer niet relevant voor een beveiligingsschijf en zijn dus niet aanwezig. Dat weerspiegelt zich in de prijs: het prijskaartje van een surveillance-drive zit ergens tussen dat van een desktopschijf en een volwaardige NAS-drive.

Betere motor

Tot slot is ook de levensduur van belang. NAS-schijven kunnen meer werk verzetten vooraleer ze verslijten dan typische desktopschijven. De acceptabele werklast wordt bepaald door de gebruikte componenten. "De motor van een schijf die zwaarder belast kan worden, zal beter zijn", aldus Maingot. "Vergelijk het met een wagen: eenzelfde auto is beschikbaar met verschillende motoren al naargelang hoeveel je er mee wil rijden."
Er is met andere woorden een goede reden dat Western Digital, Seagate en Toshiba meer geld vragen voor hun NAS-schrijven dan voor de gewone desktopschijven. De NAS-drives zijn fysiek geavanceerder én hebben geoptimaliseerde firmware. Voor een 2-bay-NAS die je niet al te zwaar wil belasten, kom je misschien nog weg met desktopschrijven. Ga je voor een druk gebruikte NAS met 4 bay's of meer, dan is de investering in een geschikte schijf wel een goed idee. De extra hard- en software maakt de schijf niet alleen sneller maar ook robuuster waardoor ze in principe langer mee gaat in de uitdagende omgeving die een NAS is.