CMR 與 SMR 硬碟有何分別?(監控硬碟為何指定 CMR)

CMR(Conventional Magnetic Recording,傳統磁記錄)以互不重疊的同心磁軌寫入數據,寫入性能穩定;SMR(Shingled Magnetic Recording,疊瓦式磁記錄)讓新磁軌部分重疊舊磁軌,以更高磁軌密度換取更大容量,但持續寫入速度明顯較慢。本頁講解兩種技術的原理、SMR 的三種管理模式,以及監控錄影為何必須指定 CMR 硬碟。

CMR:互不重疊的傳統磁軌

CMR(傳統磁記錄)是硬碟一直沿用的記錄方式:數據寫在一圈圈互不重疊的同心磁軌上,寫入任何一條磁軌都不會影響相鄰磁軌,因此任何位置都可以隨時直接改寫,寫入性能穩定、可預測。現代 CMR 硬碟採用垂直磁記錄(PMR)技術——磁化方向垂直於碟片表面——相比早期的縱向記錄可提供高數倍的儲存密度,自 2005 年起成為硬碟主流。

正因「CMR 建基於 PMR」,市場上有時把 CMR 與 PMR 混用;但嚴格而言 PMR 指磁化方向,CMR 指磁軌互不重疊的排列方式,SMR 同樣建基於垂直磁記錄,故此判斷硬碟類型時應以廠商標明的 CMR/SMR 為準。Western Digital 已在其官方網誌公開旗下各系列硬碟的記錄方式清單;部分 NAS 廠商如 Synology 亦提供PMR 與 SMR 硬碟的技術說明,選碟前宜先行核對。

SMR:像屋頂瓦片般重疊的磁軌

寫入磁頭若做得太窄,便無法在記錄層產生足夠強的磁場。SMR(疊瓦式磁記錄)的解決方法是:保留較寬的寫入磁頭,但讓新寫入的磁軌部分覆蓋上一條磁軌,只留下較窄的部分供讀取——磁軌如屋頂瓦片般層層疊置,磁軌密度與容量因而提升。

代價是寫入變得複雜:向一條磁軌寫入會波及其相鄰磁軌,若相鄰磁軌載有有效數據便須一併重寫,單一寫入請求可能觸發一連串相鄰磁軌的重寫。為限制重寫規模,SMR 硬碟把碟面劃分為多個只可順序追加寫入的區域(zone),寫滿後須整區重寫,運作邏輯類似固態硬碟的快閃區塊。硬碟可以 DRAM、快閃記憶體甚至碟面上預留的 CMR 區域作快取緩衝,但持續寫入大量數據時,速度仍明顯慢於 CMR 硬碟。

CMR 與 SMR 對照

比較項目CMR 傳統磁記錄SMR 疊瓦式磁記錄
磁軌排列互不重疊部分重疊(疊瓦式)
同容量下磁軌密度標準較高,換取更大單碟容量
隨機改寫任意位置直接改寫牽連相鄰磁軌,需整區重寫
持續寫入表現穩定、可預測快取耗盡後明顯下降
適合負載監控錄影、NAS、頻繁寫入冷數據存檔、以讀取為主的負載
管理模式裝置管理式/主機管理式/主機感知式

監控錄影為何指定 CMR?

閉路電視錄影是硬碟最嚴苛的持續寫入負載之一:

  1. 全天候不間斷寫入——多路攝影機 24 小時同時錄影,硬碟幾乎沒有空閒時段可供 SMR 重整重疊磁軌與清空快取。
  2. 寫入速度必須穩定——SMR 快取耗盡後寫入速度大幅下降,NVR 錄影主機寫入追不上串流速率時,會出現丟幀、錄影中斷等問題,直接影響證據完整性。
  3. 覆寫循環頻繁——監控儲存以循環覆寫方式運作,舊片段不斷被新片段覆蓋,正是 SMR 最不擅長的改寫型負載。
  4. 監控級硬碟均為 CMR——各大廠商的監控專用硬碟系列均採用 CMR,並針對多串流寫入韌體優化;選碟時應查閱原廠規格表確認記錄方式。

SMR 的三種管理模式

① 裝置管理式(Device-managed)

硬碟韌體自行處理疊瓦磁軌的複雜性,對外呈現普通硬碟介面,任何系統可直接使用;消費市場的 SMR 產品多屬此類,系統層面難以察覺。

② 主機管理式(Host-managed)

依賴作業系統認識 SMR 的分區規則,只按順序寫入指定區域;非支援的系統無法直接使用,主要見於數據中心的存檔應用。

③ 主機感知式(Host-aware)

介乎兩者之間:支援 SMR 的系統可按分區規則優化寫入,不支援的系統亦可把它當作普通硬碟使用。

④ 選購建議

持續寫入或頻繁改寫的應用(監控、NAS 重建)選 CMR;純存檔、寫一次讀多次的冷數據可考慮 SMR 換取容量與成本優勢。

常見問題

CMR 即是 PMR 嗎?
現時市場上的 CMR(傳統磁記錄)採用垂直磁記錄(PMR)方式:磁化方向垂直於碟片,相比早期的縱向記錄可提供高數倍的儲存密度,自 2005 年起應用於硬碟。嚴格而言 PMR 是磁化方向的技術,CMR 是磁軌互不重疊的排列方式;SMR 同樣建基於垂直磁記錄,只是磁軌以重疊方式排列,所以「PMR」一詞不足以區分 CMR 與 SMR,選購時應以廠商標明的 CMR/SMR 為準。
SMR 硬碟為何寫入會變慢?
SMR 的磁軌像屋頂瓦片般部分重疊,向某一磁軌寫入時會波及相鄰磁軌,若相鄰磁軌有有效數據便須一併重寫,單一寫入請求可能觸發一連串磁軌重寫。硬碟以快取緩衝吸收突發寫入,但持續大量寫入時快取耗盡,速度便明顯下降,長時間連續寫入的表現顯著慢於 CMR。
監控錄影為何指定使用 CMR 硬碟?
監控錄影是全天候不間斷的持續寫入負載,多路攝影機同時錄影時硬碟幾乎沒有空閒時間整理數據。SMR 依賴空閒時段重整重疊磁軌,在持續寫入下快取耗盡後速度大跌,有機會令錄影丟幀甚至中斷;CMR 磁軌互不重疊,寫入性能穩定可預測,因此監控級硬碟均採用 CMR,NVR 選碟時應確認記錄方式。
如何知道一隻硬碟是 CMR 還是 SMR?
最可靠的方法是查閱原廠規格表或原廠公布的產品系列記錄技術清單,主要硬碟廠商已在官方網站列明各型號採用 CMR 還是 SMR。裝置管理式 SMR 對系統呈現與普通硬碟相同的介面,作業系統無法直接分辨,因此不能單憑系統資訊判斷,購買前應以原廠文件為準。
SMR 有三種管理模式,有何分別?
裝置管理式(Device-managed)由硬碟韌體自行處理重疊磁軌的複雜性,對外呈現普通硬碟介面,任何系統可直接使用;主機管理式(Host-managed)依賴作業系統認識 SMR 分區規則、只按順序寫入指定區域,非支援系統無法直接使用;主機感知式(Host-aware)介乎兩者之間,支援的系統可優化寫入,不支援的亦可當普通硬碟用。消費市場產品多為裝置管理式。

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