NAS-problemen door SMR-schijven

Fabrikanten gebruiken allerlei manieren om harde schijven met steeds grotere capaciteiten te maken. Een daarvan, Shingled Magnetic Recording (SMR), kan leiden tot problemen bij NAS-systemen. Die nieuwe SMR-schijven zijn namelijk niet geschikt als vervanger voor de oude.

Onlangs werd bekend dat sommige harde schijven uit de populaire WD-Red-serie van Western Digital problemen veroorzaken in verschillende NAS-systemen – ook al zijn de schijven speciaal bedoeld voor gebruik in een NAS. Hoewel ze er op het eerste gezicht niet uitzien alsof ze veranderd zijn, zijn ze niet altijd geschikt als vervanging voor schijven die eerder in de NAS-apparaten gebruikt werden. Dat is te wijten aan een nieuwe techniek voor het schrijven van data die WD aanvankelijk niet openbaar documenteerde. De nieuwere versies van WD Red werken met Shingled Magnetic Recording (SMR), een techniek die beduidend langzamer is bij het herschrijven dan het Conventional Magnetic Recording (CMR) dat tot nu toe gebruikt werd.

De problemen ontstaan bij het vervangen van een defecte harde schijf in een NAS door een nieuwe. Tijdens het reconstrueren van de RAID-array kan het gebeuren dat de NAS de SMR-schijf te traag vindt en die uit de RAID-array verwijdert als defect. Je moet daarom goed opletten bij het kopen van nieuwe schijven.

NAS-fabrikanten testen de schijven die door de fabrikanten worden aangeboden en certificeren veel van die schijven als compatibel met bepaalde NAS-behuizingen. Gebruikers kunnen vervolgens aan de hand van die compatibiliteitslijsten de geschikte schijven kiezen. Elk van de nog drie overgebleven hardeschijffabrikanten, Toshiba, Seagate en Western Digital, heeft een NAS-serie in hun productlijn. Seagate en WD maken zelfs onderscheid tussen eenvoudige NAS-schijven en een Pro-serie die is ontworpen voor NAS-behuizingen met meer dan acht schijven.

Tot nu toe hebben de beschreven problemen zich alleen voorgedaan met schijven van WD. Naast de naamtoevoeging Red zijn die ook herkenbaar aan een typenummer, voor het 4TB-model was dat bijvoorbeeld WD40EFRX. En precies voor die typenummers stellen de NAS-fabrikanten compatibiliteitslijsten op. Voor de huidige Red-schijven heeft WD de typenummers echter veranderd: het 4TB-model heet nu WD40EFAX. In de datasheets zijn slechts enkele verschillen zichtbaar, de meest opvallende is op het eerste gezicht de aanzienlijk grotere DRAM-cache. Maar onder de motorkap heeft WD de techniek volledig veranderd. In plaats van de conventionele CMR-techniek maken de EFAX-modellen nu gebruik van Shingled Magnetic Recording (SMR). Dat geldt voor de modellen met 2, 4 en 6 TB, die medio 2019 op de markt kwamen. Sinds begin 2020 is er ook een 3TB-model met SMR beschikbaar.

De reden daarvoor is dat er met SMR 2 TB op één platter passen. CMR-schijven kunnen daarentegen minder data bevatten. Fabrikanten hebben twee platters nodig voor een harde schijf van 2 TB, drie voor een schijf van 4 TB, enzovoort. SMR bespaart dus op de productiekosten. Daardoor zijn de EFAX-modellen in de winkel iets goedkoper dan de oudere EFRX-modellen met CMR-techniek.

Shingled Magnetic Recording (SMR) is een techniek waarbij de tracks op een harde schijf als dakpannen gedeeltelijk overlappend worden weggeschreven. Daardoor wordt een deel van een eerder geschreven track overschreven, maar het resterende deel is groot genoeg om de gegevens te kunnen lezen.

Er zijn fundamentele verschillen in hoe die techniek wordt toegepast. Drive Managed SMR (DMSMR) is transparant voor de toepassingen en het besturingssysteem. Dergelijke harde schijven kunnen in de overgrote meerderheid van de gevallen als vervanging worden gebruikt voor conventionele CMR-schijven. De schijf regelt zelf hoe de binnenkomende data naar het CMR-gebied gaan en over de SMR-zones worden verdeeld.

Bij Host Managed SMR moet de opslagcontroller zich echter bezighouden met het opslaan van de data. Dergelijke harde schijven zijn nauwelijks verkrijgbaar in de detailhandel en zouden in een desktop-pc waarschijnlijk niet eens werken. Die schijven zijn ontworpen voor grote opslagsystemen bij clouddatacenters.

Western Digital ziet geen probleem in het gebruik van SMR bij de Red-schijven. Het “werkt nauw samen met NAS-fabrikanten om ervoor te zorgen dat WD Red harde schijven (en ssd’s) van alle capaciteiten compatibel zijn met een breed scala aan hostsystemen. Bij onze tests van WD-Red-schijven vonden we geen problemen met RAID-herstel vanwege de DMSMR-technologie”.

De EFAX-modellen staan al op sommige NAS-compatibiliteitslijsten, maar niet allemaal. In een blogbericht raadt WD het gecombineerd gebruik van CMR met SMR-schijven af.

De harde schijven met SMR van WD herken je praktisch alleen aan het gewijzigde typenummer. De grotere cache zal de meeste gebruikers waarschijnlijk niet opvallen.

Maar gecombineerd gebruik is nu net wat je moet doen wanneer je een defecte harde schijf gaat vervangen. De oudere EFRX-modellen staan nog bij veel prijsvergelijkers, maar of leveranciers die oudere modellen echt nog op voorraad hebben of de nieuwere EFAX-modellen leveren, weet je van tevoren niet zeker. Soms verkopen winkels alleen een WD Red zonder het exacte typenummer te vermelden. Bovendien worden dergelijke vervangende schijven waarschijnlijk ook ingezet bij oudere NAS-systemen, waarvan de firmware niet overweg kan met de deels tragere reacties van deze harde schijven.

SMR-schijven zijn even snel als CMR-schijven wanneer ze sequentiële gegevens voor het eerst lezen en schrijven. Wanneer er echter wijzigingen worden aangebracht of wanneer er veel kleine bestanden worden geschreven, moeten een SMR-schijf eerst een volledige SMR-zone lezen, die gegevens wijzigen en vervolgens opnieuw schrijven. Dat duurt even.

Als de NAS-firmware er geen rekening mee houdt bij het reconstrueren van een RAID-array, zal hij de nieuwe schijf door de lage snelheid snel als defect markeren en hem uit de RAID-array verwijderen. Dat is wat veel gebruikers hebben meegemaakt. Redundantie is dan niet meer aanwezig en een volgende schijfuitval zal resulteren in het verlies van alle bestanden.

Een SMR-platter bestaat niet alleen uit SMR-zones. Een CMR-gebied met een grootte van enkele gigabytes in de buitenste tracks van de platter dient als extra cache. Als de DRAM-cache vol is, schrijft de firmware eerst daar de binnenkomende gegevens naartoe. Pas als de schijf niets meer te doen heeft, verplaatst hij die gegevens naar een SMR-zone. Dat concept is bekend van ssd’s met SLC-cache. In tegenstelling tot bij ssd’s vindt het opschonen van SMR-schijven echter niet volledig op de achtergrond plaats. Je hoort na het afronden van langere schrijfprocessen de SMR-schijven duidelijk doorratelen.

Seagate en Toshiba hebben ook SMR-schijven in hun programma. Soms zijn die als zodanig gelabeld, soms niet. Beide verkopen echter geen NAS-schijven met SMR, maar vooral voor desktop- of servergebruik. De reconstructieproblemen doen zich niet voor bij desktopschijven, en in het dagelijks gebruik zouden SMR-schijven slechts incidenteel tot prestatieverlies leiden dankzij de royale caches en de uitgekiende firmware. Bij servers zorgt een storage- controller of opslagsoftware echter meestal voor het optimaliseren van de datastroom.

Bij Seagate staat in de datasheets van de huidige Barracuda-modellen met 2, 4 en 8 TB niet vermeld of ze SMR gebruiken. Je zou dat juist voor die modellen echter verwachten: Seagates voormalige financieel directeur Dave Morton had het in 2017 al over SMR-schijven met een opslagcapaciteit van 2 TB. Volgens hem zouden die vooral worden gebruikt bij desktopschijven van 2 tot 8 TB. Een desktopmodel harde schijf met 5 TB uit 2013 had al SMR-platters, maar dat model is vervangen door een met CMR-techniek.

Toshiba’s P300-serie desktopschijven met 4 en 6 TB maken gebruik van SMR-techniek, hoewel dat niet wordt vermeld bij de specificaties. Ze verschillen van het 2TB-model van de P300 op nog twee punten: ze hebben een grotere DRAM-cache en ze draaien met 5400 toeren per minuut in plaats van 7200. Dat laatste maakt volgens Toshiba het positioneren van de kop makkelijker bij het aflezen van de smallere tracks.

Seagate en Toshiba kondigden eensgezind aan dat hun NAS-schijven zouden werken met conventionele schrijftechnieken en dat er geen plannen zouden zijn om dat te veranderen. Voor desktopschijven is het gebruik van SMR over het algemeen daarentegen onproblematisch, zoals bij archiefschijven. Natuurlijk heeft de techniek zijn beperkingen, maar men zou verschillende schijven ontwerpen voor verschillende doeleinden. Seagate raadt het gebruik van SMR-schijven in een NAS uitdrukkelijk af.

Als gebruiker is het lastig te bepalen of een nieuw aangeschafte schijf met CMR of SMR werkt. We weten geen betrouwbare testmethode om het onderscheid te maken. Tests van SMR-schijven zoals de Seagate Archive HDD en Mobile HDD vertoonden een sterke stijging van de toegangstijd bij het schrijven na enkele minuten continu zoeken. Zelfs de nieuwere Laptop HDD met 4 TB vertoonde dat gedrag. We konden dat bij de Toshiba P300 en de WD40 EFAX-schijven echter niet vaststellen. Die behouden beide hun aanvankelijke toegangstijden en werken met SMR.

Bij het kopiëren van veel kleine bestanden konden we ook geen systematisch verschil tussen CMR en SMR-schijven vinden. Misschien was dat echter ook te wijten aan de synthetische testprocedures: het hierboven beschreven effect duikt alleen vaker op als de schijf al enige tijd in gebruik is en zeer vol is.

SMR-schijven zijn voor veel toepassingen geschikt, maar voor sommige niet. Met name NAS-bezitters moeten voorzichtig zijn en de compatibiliteitslijsten van de fabrikanten controleren om mogelijke problemen te voorkomen. SMR zal verder ingeburgerd raken door de lagere kosten per terabyte. In principe is daar niets op tegen, maar dat fabrikanten de specificaties eenvoudigweg wijzigen zonder dat mee te delen is niet acceptabel: de veiligheid van de data moet altijd op de eerste plaats komen.