基于多个 USB2.0 – SATA 转接板的便宜 NAS 阵列

成品

这个硬盘柜完完全全以省钱为宗旨设计。就部件的成本而言,所需花费远低于市面传统的硬盘柜

它长得很像传统的硬盘柜,但和计算机连接的四根USB线缆宣誓着它的与众不同。这个硬盘柜的本质,和四个USB移动硬盘并排放在一起别无二致。只是在这里,它们共用一套电源,并放在一个架子里

因为博主偷懒,这个硬盘柜没有防护门,固定硬盘完全依靠其“放入硬盘——连接线缆”的装载设计和地球的万有引力。部署时,正门还有一个很垃圾的桌面风扇负责散热,但效果不错

泡沫纸是其杯水车薪的防跌落措施,博主不指望这东西能救下这个RAID5阵列中的其中3块硬盘,而是希望根本就不要摔下高处

那么,代价是什么呢……

需求:既要又要

原本TrueNAS的500GB单盘存储池要满了。它负责了照片、部分文件、TimeMachine和种子的存储,其中种子占去了其中的近半容量。因此,我打算新建一个TrueNAS存储池,把种子和一部分文件转移过去

但我的预算只有 100+ CNY,单块大容量硬盘的价格显然不合适,更别提还要配电源之类的

由于过去两年,朋友在自己的机柜炸了至少三块4TB硬盘,我对机械硬盘的数据可靠性不太信任。所以面对这些显然难以备份的东西,我至少需要3块硬盘组RAID5,而不是2块组RAID1。500GB硬盘的出货量大,性价比较高,一块大概 20 CNY,我决定采用多个500G硬盘满足存储需求

为了极致压缩成本,我本来打算通过使用 miniPCIe – SATA 转接卡来拓展硬盘。直到下面这个东西出现在了我的淘宝首页:

已经卖完了

这玩意便宜极了!

理想状况下,4个 40MB/s 的硬盘组RAID5阵列,性能应该问题不大(我还是太年轻了),博主便立刻改选了这个方案

花费

不包括工具和时间,价格仅供参考,部分商品已下架

  • 外壳:KT泡沫板——共 12 CNY(包括剩下的)
  • 磁盘
    • 一个闲置的3.5英寸500GB磁盘——不要钱
    • 3个3.5英寸500GB磁盘——共 60 CNY
  • 电源
    • 12v:明纬 LRS-50-12 ——共 22 CNY
    • 5v:家里捡的一个5v2a——不要钱
  • USB Mini 线缆——共 7 CNY(包括备用的)
  • USB2.0 – SATA 转接板——共 17 CNY(包括备用的)
    • 采用JMicron的JM20339主控
  • 热熔胶棒、502、导线等等——以 5 CNY 计

也就是说,制作它的成本在 120 CNY 左右,不含硬盘则在 50 CNY 左右

相较于使用 miniPCIe – SATA 转接卡方案,能减少约 50 CNY 的花费(然而一分钱一分货)

制作

其实整体结构很简单,就只是硬盘、外壳加上电源部分:

另外,其中有一个转接板在制作过程中损坏,已经被替换了

过程中并没有什么难点,核心是愿意花时间制作和打磨

即使结构清晰明了,但博主因为懒+高三,直到国庆假期才有大的进展。珍惜吧!

效果

这玩意真的只能勉强用用

经博主实践,多个 USB 硬盘组建存储阵列确实可行,但请至少使用USB3.0的转接板或移动硬盘。对于与博主类似的一体机磁盘拓展,有动手能力的可以尝试一下 miniPCIe – SATA 转接板(插在无线网卡位置),或使用多盘位的外置硬盘柜,理论上不会有严重的性能和兼容性问题。

差强人意的存取速率

由于USB控制器的结构,这数个USB2.0端口共享仅 480Mbps 的带宽,导致该阵列仅有最高 40MB/s 的存取速率,只能应付一般的NAS存储和备份需求。面对大量数据转移和qBittorrent校验等大量本地数据存取需求,等待过程伴随着TrueNAS系统的崩溃,极其痛苦的。

如果这几个硬盘都能同时各自跑满USB2.0速率,该存储阵列的性能应该要至少翻倍

这很依赖于主板的USB2.0布局,但是应该没有哪个OEM愿意拿宝贵的PCIe通道去拓展高性能的USB2.0端口。有大量USB接口的工控机可能会有较好的表现

高负载下有极大的性能开销

在qBittorrent校验了一段时间的种子后,物理机的日志

由于USB的工作方式,高负担的USB2.0设备会造成灾难性的IO延迟飙升。因此对于 All in one 服务器,这种存储拓展方式更容易占用CPU资源,导致普遍卡顿;反过来说,高CPU负载还可能会降低拓展存储的读写速率

初始时较高的IO延迟是当时采用了性能较差的SSD;较高的CPU占用是由于开启了Windows虚拟机

好在,日志中超高的IO延迟带来的性能影响并不显著。虚拟内存(swap)所在硬盘的IO延迟最可能影响整机性能,而这和USB设备的IO延迟关系较小。

在24小时内进行了大量文件复制之后
磁盘转入闲置状态一段时间之后

显然,对拓展存储进行大量读写会将服务器负载(Load)提高一个数量级,但其在闲置状态下还是相当温和的。通过配置SSD缓存等措施,拓展存储带来的性能影响可以在大部分时间缓解

另外,在博主的服务器上,如果用qBittorrent对存储在该阵列中的种子进行校验,至少会导致TrueNAS的Web管理页面和SMB共享卡死,只有重启才能恢复

缺失的SMART信息

这仅仅只是博主采用的转接板导致的问题,其它转接板可能不存在该问题

下方四个是通过 USB2.0 – SATA 转接板接入的硬盘

这些转接板由于设计原因,不传输硬盘的SMART信息。尴尬的是,其提供的SMART信息比U盘多,又比QEMU虚拟盘少,上不去下不来,卡在这了。这不仅仅无法监测硬盘健康状况,还可能会导致一些兼容性问题。不知是否相关,将这些转接板作为USB设备直通至TrueNAS时,TrueNAS无法重建磁盘分区表,也就无法组建存储池;将硬盘设备通过虚拟SCSI直通至TrueNAS后,该问题解决。

稳定性尚可

通过连接PC进行短期的压力测试,在供电充足的前提下,采用的转接板在主控 70℃ 时仍然保持不掉速正常工作

但如果不依靠额外的5v供电,该转接板极容易掉盘,其能耗可见一斑

向我们解释了它成为库存的原因。对于移动硬盘转接板来说,高功耗可是致命缺陷

需要注意的积热

KT泡沫板和泡泡纸保温效果强,加上多个硬盘和转接板发热,测温枪测得硬盘表面温度可达 50℃ 以上。在硬盘柜面前放置任意一个小风扇即可解决该问题。

评价和适用性

搭建便宜是其最显著优点

150元给服务器拓展2TB的磁盘,是这个硬盘柜最响亮的名片。不管性能强不强,你就说空间够不够吧!

即使会带来这样那样的问题,这么拓展存储空间对于比较拮据的Geek还是很有吸引力的。毕竟 USB2.0 的速率还是比网盘要快不少的

不过博主没有功率计,所以电费这块不好说

适合放低频低价值数据

共享一个 USB2.0 控制器的连接方式注定其不能胜任高负载工作,因此最好不要指望它能够很好地进行同步和定时备份。但是,结合ZFS缓存,存放一些食之无味弃之可惜的数据就再合适不过了:互联网上的软件、电影、铯图、种子,或是iPhone的整机备份、陈旧的未压缩素材等等

对于高价值数据而言,RAID并不安全,因为其文件存储机制更为复杂,阵列失效会报废所有数据,更难进行数据恢复。即使将这4个硬盘划分为一个3盘存储池和一个单盘存储池,由于其被草率地通过USB线缆连接,这个单盘存储池的可靠性相较于内置硬盘还是要差上不少

顺带一提,唯一保护高价值数据的手段是负责的管理员和有效的备份

不适合特大容量阵列

从某度网盘以 10KB/s 的速率下载 1GB 的文件和以 40MB/s 的速率传输 4TB 的文件的用时是一样的,28小时

单块SATA机械硬盘的速率是约是这整个USB拓展阵列的3~5倍,而速度对特大容量阵列的体验还是至关重要的

保守一点,假如你往这4个盘位里放了4张4TB,合计16TB的硬盘,不论使用什么RAID,你都至少需要112个小时(四天半)才能填满这个阵列。也不是不能用,但愿你能以用网盘的心态来用它

况且愿意买大容量硬盘的人,应该也不会用这种吕布骑狗的方案吧

长期稳定性有待商榷

没什么,就是这个东西是最近(2024年10月6号)刚刚搭的,严重的问题还没暴露

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