A importância do armazenamento em sistemas de segurança

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Em Fevereiro passado, a WD e a Seagate anunciaram novas gamas de discos rígidos especificamente concebidos para o mercado da videovigilância e segurança. Embora a Seagate e a WD sejam concorrentes, ambas as empresas partilham uma posição comum de que há margem para melhorar no que diz respeito aos discos usados nos gravadores de vídeo digital (DVR) dos seus clientes.

Há duas razões pelas quais a WD acredita que é importante mudar e usar as suas unidades dedicadas a sistemas de vigilância.

Jogar pelo seguro

A primeira é fácil de explicar e é de facto uma questão de jogar pelo seguro: na maioria dos sistemas de segurança, o disco rígido é o único ponto crítico que pode levar todo o sistema a avariar em caso de falha.

No caso dos dados no disco estarem corrompidos, ou de o disco falhar completamente, o mais provável é que tudo o que foi gravado durante a semana – ou mês anterior – se perca de forma irreversível. Claro que o disco poderá ser sempre substituído durante o período de garantia, mas isso de nada irá servir para ajudar a recuperar as gravações perdidas.

Os fabricantes de discos rígidos dirão que os novos discos concebidos para sistemas de videovigilância são mais adequados do que os “discos AV” que têm sido usados até agora. As suas características tornam-nos mais fiáveis e, por isso, irão durar mais.

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É possível adquirir um disco para PC de 1TB por cerca de €60, já com IVA, ou um de 2TB por €85. Contudo, estes novos discos especializados para o mercado da segurança custam apenas cerca de mais €15 por disco, pelo que estamos a falar dos mais baratos seguros que podemos comprar.

Isto é especialmente apelativo quando estamos a trabalhar numa instalação de baixo preço, onde o custo de um sistema mais sofisticado de DVR com RAID ou a necessidade de um segundo disco redundante iriam dar cabo do orçamento. Também faz sentido quando consideramos que um quarto dos sistemas instalados têm uma ou duas baías para discos e que outro quarto possui quatro baías, pelo que o custo da atualização com os novos discos é uma gota no oceano.

Alta definição

A outra – e mais premente – razão para mudar para os novos discos é a carga maciça imposta pelas câmaras HD. Cada câmara HD (1.3 megapíxeis, 720p) transfere três ou quatro vezes mais píxeis do que os produzidos por uma câmara SD (resolução VGA).

Podemos pensar que a utilização de câmaras SD poderia resolver o problema dos dados transmitidos através da rede. Contudo, Marc van der Putten, gestor de marketing da Hikvision (empresa especialista em câmaras de vigilância), chama a atenção para o facto de que continua a haver um beneficio em usar um sistema de gravação centralizado, uma vez que assim é possível manter as imagens guardadas num local diferente e seguro.

Gavin Dunleavy, Strategic Accounts Director da DVS Ltd. (uma empresa britânica especializada na instalação de sistemas de segurança e videovigilância), refere entretanto que, no seu conjunto, o mercado consiste hoje em cerca de 30 a 40% de câmaras HD com o restante ainda a utilizar câmaras SD. “Apesar de a diferença de preço entre as câmaras HD (720p) e FullHD (1080p) ser cada vez menor, as de 720p continuam a ser as preferidas devido ao impacto da utilização de maiores resoluções em termos de largura de banda e armazenamento. A largura de banda é a maior preocupação da maioria dos instaladores ao desenharem um projeto, embora isto seja algo que está a tornar-se menos crítico devido ao advento de redes locais mais robustas”.

A mudança de câmaras SD para HD continua a bom ritmo e o próximo passo será a transição para FullHD com câmaras de 3 e 5MP, que irão levar a uma duplicação do tráfego nas redes – e estes pixéis e megabytes de dados vão todos parar ao seu disco rígido.

As entranhas de um disco

O disco rígido (HDD) que encontramos dentro de um computador de secretária ou portátil tem um desenho similar às unidades de gama empresarial que encontramos nos centros de dados da Google ou da Amazon. Contudo, é duvidoso que partilhem quaisquer componentes, para além de alguns parafusos e anilhas.

As entranhas de um disco rígido consistem num ou mais pratos rotativos que estão presos por um eixo central numa topologia que lembra as velhas jukeboxes com discos de 45 rpm.

Estes pratos são feitos em alumínio ou vidro e é o material rígido destes pratos que dá ao disco o seu nome, para os distinguir das velhas – e defuntas – disquetes, por oposição ao seu termo em inglês, “floppy disk”, que significa “disco flexível”.

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Os pratos dentro do disco rígido são cobertos por um revestimento magnético que é usado para armazenar os dados. Este revestimento é tão fino e suave que a superfície do prato parece mais um espelho do que um dispositivo de armazenamento.

Os dados são lidos e escritos neste revestimento dos pratos por uma série de cabeças montadas sobre braços atuadores. Estes braços movem-se num arco que permite às cabeças alcançarem qualquer parte do raio do prato, enquanto estes giram de forma a levar os dados às cabeças.

É possível gravar dados sobre qualquer um dos lados dos pratos, pelo que um moderno disco rígido com quatro pratos terá oito cabeças móveis (uma por cada face do prato): imagine uma jukebox em que o leitor pode aceder cada lado de cada disco em simultâneo e, ao mesmo tempo, pode escolher qualquer ponto de leitura sem ter de seguir a espiral do disco.

Quando os engenheiros projetam num novo disco rígido, têm de dar grande atenção ao papel que esse disco irá desempenhar durante a sua vida útil. Discos para portáteis, por exemplo, são muito pequenos e usam um formato nominal de 2,5 polegadas por prato (o que resulta na realidade num formato do disco de 2,75’’) que é pouco maior do que um cartão de visita. Estes discos têm tipicamente apenas 7mm ou 9,5mm de espessura.

Um disco para notebook tem de lidar com a possibilidade de o computador cair ao chão, pelo que a sua resistência aos choques é fundamente. Além disso, requer também menos energia para funcionar, de forma a maximizar a duração da bateria.

Estas limitações significam que os discos para notebooks tendem a ter uma capacidade relativamente baixa, muito embora possam mesmo assim chegar a 1TB, e colocam pouca ênfase no desempenho. Note-se que os discos de 2,5’’ de 2TB têm cerca de 15mm de espessura, pelo que não são normalmente usados em notebooks, mas sim em PCs de pequeno formato e em unidades de armazenamento externo.

Pelo contrário, discos de elevado desempenho desenhados para utilização empresarial e em servidores, são mais semelhantes a discos para computadores de secretária, embora otimizados para uma operação 24/7 constante para servir páginas web, mensagens de email e bases de dados. Alguns modelos operam a uma velocidade de 7.200 rpm mas a maioria das unidades de alto desempenho chega às 10.000 ou até mesmo 15.000 rpm.

Quanto mais depressa giram os pratos, mais rapidamente é possível colocar as cabeças na sua posição correta para leitura ou escrita. Mas maior velocidade também significa mais ruído, maior consumo de energia, mais calor libertado e maior vibração.

Quando abrimos um PC, NAS (Network Attached Storage) ou DVR o que vemos é provavelmente um disco convencional criado para computadores de secretária com pratos de formato 3,5’’ (o disco propriamente dito mede 4’’ de largura) e com uma velocidade de 5.400rpm, 5.900rpm ou 7.200rpm.

O disco terá muito provavelmente uma interface SATA 6Gb/s (mas pode ser também de 3Gbp/s) e a capacidade será de 1TB por prato. Isto significa que a maioria dos discos está disponível com capacidades de 1TB, 2TB, 3TB ou 4TB, embora se encontrem também algumas capacidades diferentes, como 500GB e 1,5TB.

O disco para videovigilância

Em poucos anos, assistimos ao rápido desenvolvimento da tecnologia de discos rígidos que se tem centrado em torno da chamada “densidade areal”, isto é, a forma de colocar mais dados na mesma área física.

Os fabricantes de discos rígidos melhoraram o revestimento magnético, refinaram as cabeças e aumentaram a precisão do mecanismo que controla a posição das cabeças. Outras melhorias incluíram os chips de memória cache, os controladores e as interfaces dos discos.

Até há pouco tempo, um disco WD Caviar com uma capacidade de 400GB (100GB por prato) custava cerca de €180. Hoje, um WD Green de 4TB (1TB por prato) custa €159 – o que significa que, no espaço de 8 anos, houve uma melhoria num fator superior a 10.

O aumento da densidade areal é um “win-win” uma vez que a capacidade do disco aumenta e, quando mais densa for a arrumação dos dados, menor é latência e maior é o desempenho. A redução do número de pratos para uma dada capacidade também reduz o custo de produção, razão pela qual um disco de 1TB de um só prato é hoje tão barato.

É interessante notar que a densidade areal não tem aumentado para além de 1TB por prato desde o final de 2011. Em vez disso, a ênfase tem sido movida da tecnologia do disco para a sua aplicação.

A WD iniciou esta tendência quando introduziu uma codificação por cores em que Black significa desempenho (grande velocidade de rotação, grande cache, controladores duplos), Green é para capacidade e ecologia (menor velocidade, muito silencioso) e Blue para uma utilização diária (algo entre o Black e o Green). As novas cores são Red para os discos para NAS e Purple para as unidades destinadas a sistemas de segurança e videovigilância.

Achei algo intrigante a introdução dos discos WD Red para NAS em 2013. Os discos Red parecem muito semelhantes aos Green; no entanto, o firmware que controla estes discos foi alterado no que diz respeito a um aspeto muito importante: caso necessário, o próprio disco é capaz de marcar os “bad sectors” [setores danificados na superfície do prato] e realizar um processo de remapeamento.

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Os sistemas RAID limitam este processo de recuperação de forma a evitar uma situação em que um disco num dos grupos (“arrays”) pareça não estar disponível quando na verdade está a realizar uma operação de verificação e correção de erros.

Isto chama-se TLER (Time Limited Error Recovery) e a forma como é feito permite recolher benefícios palpáveis no sistema operativo Linux que se encontra dentro de unidades NAS como as da QNAP e Synology. Por outras palavras, os discos Red têm um firmware que os torna particularmente adequados a funcionar em unidades NAS.

No que diz respeito a sistemas de segurança, Drue Gover, Product Marketing Manager da Norbain SD Ltd. Explica que “basicamente, os discos para armazenamento de vídeo não são mais do que discos rígidos normais mas sem a funcionalidade de correção de erros, de forma a que só servem mesmo para serem instalados em DVRs. Os fabricantes de DVRs nem sempre testam os seus sistemas para verificar a sua compatibilidade com todos os discos, pelo que na verdade as falhas neste cenário não são sempre culpa dos fabricantes de HDDs. É um assunto complicado em que as pessoas ficam confusas pelo que não é de estranhar que o disco errado seja vendido dentro de um sistema errado; além disso, os sistemas mais baratos não conseguem lidar com grandes volumes de armazenamento”.

Os discos AV que se encontram dentro das set-top-boxes (STB) de TV funcionam dentro de parâmetros apertados uma vez que gravam duas streams de vídeo – provavelmente 720p – enquanto reproduzem uma delas. Em segundo plano, há processos de indexação e a carga é altamente previsível.

Os requisitos chave para um disco AV são uma capacidade decente, um preço baixo e níveis de ruído muito baixos, de forma a que o disco não se ouça a funcionar dentro da STB.

Pelo contrário, um disco de um sistema de segurança tem de lidar com até 32 streams de vídeo HD – para além desse ponto, estamos já em território empresarial e servidores. O seu disco WD Purple não irá provavelmente operar em modo RAID; em vez disso, o DVR conterá uma mão cheia de discos em que cada um deles é cheio antes de a gravação passar para o seguinte.

Neste cenário, a carga já não é previsível, uma vez que podemos ter câmaras a monitorizar área desertas ou parques de estacionamento com sensores de movimento, ou podemos estar a trabalhar num casino ou num caminho-de-ferro com movimento constante e centenas de pessoas. O que sabemos é que iremos ter múltiplas fontes de dados e que os discos irão ter de escrever muito mais dados do que os que terão de ler – provavelmente numa relação de 90% escrita para 10% de leitura.

Uma coisa é certa: um consumo de energia menor irá resultar em menos calor irradiado o que por sua vez significa um prolongamento da vida do seu hardware. É interessante notar que os WD Purple têm um consumo nominal de 5,1W enquanto o Seagate Surveillance HDD consome 47% mais, com 7,5W.

A solução do problema da carga prende-se uma vez mais com o firmware e a WD deu a esta tecnologia um nome. Enquanto o firmware nos discos WD Red se chama “NASware”, para os discos Purple foi introduzido o “AllFrame”.

O AllFrame funciona com 64MB de memória cache, de forma a poder lidar com múltiplas streams de dados. O meu entendimento é que o AllFrame monitoriza a carga de forma a ver quantas streams de dados estão a chegar ao disco e qual é a largura de banda requerida para cada stream e só então fica ocupado a escrever informação no disco.

Isto pode requerer um certo nível de atividade dentro do disco à medida que são escritos os blocos um, dois, três e quatro e depois se salta para uma nova área para escrever os blocos cinco, seis, sete e oito e depois há um novo salto para escrever os blocos nove, dez, onze e doze…

Quando a cabeça está em modo de busca, o disco pode soar ligeiramente barulhento mas surpreendentemente isto não tem impacto na durabilidade do mecanismo. A vida do disco é medida simplesmente em termos da quantidade de operações de leitura e escrita que são realizadas.

Por outras palavras, os novos discos de vigilância foram afinados a partir de hardware existente, mas estas mudanças tornam-nos absolutamente perfeitos para a tarefa e com um custo extremamente modesto.


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