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SMR 技术与如何鉴别

起因

最近买了个树莓派仍在宿舍里挂 bt 下载。开始使用时没有什么明显的问题或者只是我没有注意到。过了大概一个星期之后,我开始注意到下载速度总是反常的很慢,隔壁 aria2 的下载任务也总是需要几十秒之后才有速度。于是我把目光放到了连着树莓派的移动硬盘身上。

何为 SMR

SMR(Shingled magnetic recording)代表叠瓦磁记录,是机械硬盘记录数据的一种策略。

在机械硬盘诞生之初,磁盘上的磁性记录颗粒的易磁化方向相对于碟片是平行的,磁头将盘面上的一小块区域磁化为不同的水平极性以记录 0 和 1 两种状态。但这样记录会浪费大量的盘面面积,且容易产生互斥排列(NN 互斥或 SS 互斥),导致单位面积内的数据密度难以提高。之后便出现了垂直磁记录(PMR):硬盘中的磁性记录颗粒的易磁化方向相对于碟片是垂直的,记录一个 bit 信息只需要占用少量盘片面积,数据密度得以提高。

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LMR(上)、PMR(下)示意图

然而,PMR 也存在一个严重的问题:由于技术原因,写磁头的宽度略大于读磁头的宽度。这就导致了虽然读取磁头的宽度足够小,但为了避免不同磁道写入时相互干扰,磁道的宽度至少要略大于写磁头的宽度,从而造成盘片面积的浪费。然而仔细想一想就会发现,如果我们只按照一定方向(从外磁道到内磁道或从内磁道到外磁道)写入数据,即使写入的磁道有一部分重叠,也不会影响数据的正常读取,毕竟读取的磁头宽度要小于写入磁头的宽度——这便是 SMR ,而为了加以区分,此前写入磁道不重合的方案便被称为 CMR

https://blog.seraphjack.top/wp-content/uploads/2020/11/cmr_vs._smr.png
CMR(上)、SMR(下)示意图

通过示意图,可以很直观的感受到 SMR 再一次提高了盘面的空间利用效率。但细心的读者可能会问:如上图所示,如果 SMR 硬盘写入完 TrackerN+4 的数据之后,需要更改 Tracker N 的数据怎么办呢?答案只有一个:先把 Tracker N+1 到 Tracker N+4 的数据读取出来并暂存到别的地方,之后改写 Tracker N 的数据,最后再把 Tracker N+1 到 Tracker N+4 的数据按顺序写回来。这便是 SMR 硬盘的致命缺陷:随机写入性能奇差无比——为了修改一小部分数据,需要操作相邻多条磁道的所有数据,牵一发而动全身。可见,SMR 盘虽然提高了数据密度,让硬盘变得更加轻薄,但也大大牺牲了写入性能。

正常来说,SMR 盘当作仓库盘使用并无大碍——仓库盘并没有多少随机写入的需求,几乎只需要顺序写入。但类似系统盘、bt 下载等需要大量随机写入的应用场合,SMR 盘恐怕就无法胜任了。

值得一提的是,SMR 盘与 CMR 盘都是采用垂直磁道记录的,因此严格的来说 SMR 与 CMR 都属于 PMR 的范畴。然而现在网络上大多将 CMR 与 PMR 混用,这一点笔者也不是很明白(

那么如何检测我的硬盘是 CMR 还是 SMR 呢?

方案一:看缓存

由于 SMR 盘写入需要大量临时空间存放相邻磁道数据,所以这类盘的缓存会比 CMR 盘大很多。对比相同大小的硬盘,如果这块硬盘的缓存高出平均水平一两倍,那么大概率是块 SMR 盘(

然而很可惜,笔者的移动硬盘并没有标注缓存大小,并不能通过这种方案直接鉴别。而且硬盘的缓存并没有十分明显的界限,此种方法或多或少有些模棱两可

方案二:看是否支持 TRIM

通常来说,只有 SSD 才需要 TRIM 指令进行垃圾回收。机械硬盘只有在一类特殊情况下才需要支持 TRIM 指令——它是块 SMR 盘(

因此,直接通过相关软件查询硬盘参数,如果某块机械硬盘支持 TRIM 指令,那么它一定是块 SMR 盘。

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树莓派上挂着 bt 下载的移动硬盘,结果是块 SMR 盘(悲

然而,有些早期的 SMR 硬盘也不支持 TRIM 指令,所以不支持 TRIM 指令并不一定代表不是 SMR 盘。

方案三:看跑分

终极方案当然是直接看硬盘的随机写入成绩了,毕竟 SMR 盘的随机写入性能差的不是一点点(

结语

虽然 SMR 的缺点十分明显,但也不能全然否定。SMR 盘在诸如仓库盘这类应用场合下还是不影响正常使用的。事实上,大多数人购买移动硬盘就是为了将其作为仓库盘使用,可以说厂商在移动硬盘产品线上使用 SMR 技术也无可厚非。总而言之,还是要针对使用场景选择合适的产品。

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2020-11-05