Алгоритм Безапосности: издание для профессионалов
Санкт-Петербург:
тел./факс: (812) 331-12-60 office@algoritm.org
Москва:
тел./факс: (499) 641-05-26moscow@algoritm.org

Главная
Новости
О журнале
Архив
Свежий номер
Реклама
Подписка
Контакты
Сотрудничество
 

Если вы хотите стать распространителем нашего журнала

 
 
 
 
 

"Алгоритм Безопасности" № 1, 2019 год.

Содержание

Разрушительный звук
И. С. Макаров


Разрушительный звук

Макаров Илья Сергеевич, ведущий инженер ООО «Сименс»

Впервые на страницах прессы обсуждаются сбои в работе жестких дисков (HDD), вызванные работой системы газового пожаротушения: анализ проблемы и методы ее устранения.

Сентябрь 2016 года: центр обработки данных ING Bank в Бухаресте (Румыния) вышел из строя на 10 часов в результате испытания газовой системы пожаротушения. В течение этого времени клиенты банка не могли получить доступ к онлайн-услугам банка, а значит, к собственным счетам. Апрель 2018 года: в шведском центре обработки данных Digiplex, который обслуживает биржевые операции, в результате инцидента пришлось прервать торги на бирже Nasdaq Nordic в Северной Европе.

Оказалось, что причиной в обоих случаях стало повреждение жестких дисков из-за громкого звука (около 130 дБ), создаваемого системой газового пожаротушения при выходе газа из насадков. Одним из первых, кто заметил влияние звука на работу жестких дисков, был инженер компании Sun FishWorks Грэг Брэндан. В 2008 году он записал и выложил в сеть видео, в котором показал, как обыкновенный крик в непосредственной близости от жестких дисков приводит к перебоям в их работе.

Данной проблемой заинтересовался ряд компаний, в числе которых была компания Siemens. В 2009 году она начала исследования влияния систем пожаротушения на работу жестких дисков. Рассматривалось 5 причин нарушения работы жестких дисков:

1. Избыточное давление, возникающее при выпуске газа в защищаемое помещение.
2. Понижение температуры при выпуске газа.
3. Влияние звука сирены для оповещения персонала об эвакуации.
4. Влияние звука на насадке при истечении через него газа под высоким давлением.
5. Вибрации, вызванные громким звуком, создаваемым пожарными оповещателями и газом при истечении из насадка.

Каждая из этих версий была лабораторно исследована инженерами компании Siemens.

Влияние давления

Известно, что для исключения возможности разрушения строительных конструкций, ограждающих защищаемое установкой газового пожаротушения помещения, используют клапаны сброса избыточного давления, которые не позволяют избыточному давлению внутри помещения подняться выше 100…300 Па.

Был создан стенд для исследования влияния избыточного давления на жесткие диски.

Тестировалось 4 различных серийно выпускаемых жестких дисков с объемом памяти 1 ТБ, форм-фактора 3,5”, широко применяемых в центрах обработки данных в 2009 году.

Работа жестких дисков контролировалась по таким параметрам, как: быстродействие передачи данных, время доступа к данным, скорость чтения при линейном и случайном доступе к данным, S.M.A.R.T. параметры (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.) — технология оценки состояния жесткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Во время теста повышение давления производилось при помощи клапанов и дросселей. Давление измерялось двумя датчиками давления, один из которых показывал абсолютное значение давления, другой — динамическое (для определения перепада давления).

В ходе испытаний жесткие диски не продемонстрировали сколь значимой чувствительности при относительном давлении 100…300 Па, которое является типичным при выпуске газа в защищаемое помещение, оборудованное клапанами сброса избыточного давления. Даже при давлении 17 кПа и его приращении до 3 кПа/с, которого никогда не бывает на практике, негативного влияния на жесткие диски замечено не было.

Рис. 1. Схема стенда для оценки чувствительности жестких дисков к давлению

Влияние температуры

Расширение инертного газа при его выпуске из баллонов в защищаемое помещение приводит к падению температуры на несколько градусов Цельсия. За счет термальной массы конструкционных элементов помещения и оборудования, установленного в нем, это падение температуры сходит на нет в пределах нескольких минут. Процесс падения температуры и ее восстановления не имеет сколь значимого градиента, способного каким-либо образом повлиять на чувствительную механическую и электронную часть диска. Кроме того, падение температуры и осушенный газ, поступающий в помещение, не вызывают конденсации, кроме как на поверхности сети распределительных трубопроводов.

Таким образом, ни в ходе обсуждений в отрасли, ни в ходе испытаний, проведенных компанией Siemens, не обнаружено никаких данных о том, что понижение температуры (образование конденсата) при активации систем газового пожаротушения может оказывать влияние на работу жестких дисков.

Влияние звука

В помещениях серверной есть 2 источника громкого звука:

  • Звук, создаваемый пожарными оповещателями при эвакуации персонала. Уровень звукового давления при этом находится в пределах 90…120 дБ.
  • Звук, создаваемый газом, при его истечении через насадок. Уровень звукового давления при этом может превышать 120 дБ.

Был создан стенд для исследования влияния громкого звука на жесткие диски. Тестировались такие же диски и в тех же режимах работы, что и при испытаниях на выявление влияния избыточного давления. Измерялись те же параметры производительности, что и в вышеуказанном тесте.

Звуковой генератор с громкоговорителем был размещен на расстоянии 1 м от жестких дисков. Жесткие диски подвергались воздействию звука в диапазоне частот от 353 Гц до 10 кГц с уровнем звукового давления от 80 до 130 дБ. Уровни шума измерялись с помощью шумомера, расположенного на небольшом расстоянии от жестких дисков. Преимуществом использования звукового генератора вместо реальной системы тушения инертным газом являлась управляемость условиями испытания.

Схема стенда для оценки чувствительности жестких дисков к звуку

Рис. 2. Схема стенда для оценки чувствительности жестких дисков к звуку

Хотя шум при выпуске газа из насадка, создаваемый системой тушения инертным газом, имеет характеристики белого шума, для испытаний был выбран розовый шум во избежание повреждения громкоговорителя от высокочастотного спектра белого шума. Но, поскольку жесткие диски подвергались непосредственному воздействию источника шума без установки в стойку или в компьютер, то можно считать, что испытания проводились в наихудших возможных условиях воздействия шума (пусть и более щадящего).

Диаграммы, приведенные на рисунке 3, отражают тот уровень звукового давления, при котором производительность каждого из четырех тестируемых жестких дисков снижается на 50% (желтая линия). Результаты тестирования показывают, что чрезмерный шум может негативно повлиять на производительность жесткого диска (красная линия). Установлено, что для жестких дисков этот уровень обычно начинается с 120 дБ, но для некоторых жестких дисков при определенных частотах негативное воздействие может начинаться с уровней ниже 110 дБ.

Диаграммы, показывающие производительность жестких дисков при воздействии звука на них

Рис. 3. Диаграммы, показывающие производительность жестких дисков при воздействии звука на них

Таким образом, инженеры компании Siemens экспериментально доказали, что все жесткие диски чувствительны к уровню звукового давления более 120 дБ в диапазоне частот от 500 Гц до 8 кГц, а негативное воздействие звука на некоторые модели начинается при уровне звукового давления менее 110 дБ.

Случайные тесты, проведенные в первом квартале 2014 года с жесткими дисками объемом от 2 ТБ до 4 ТБ, подтвердили параметры чувствительности к звуку, определенные в 2009 году.

Эмпирически определенный частотный профиль чувствительности жестких дисков к звуку.

Рис. 4. Эмпирически определенный частотный профиль чувствительности жестких дисков к звуку. (Выявленная зависимость — это обобщение по работе всех исследуемых HDD. Чувствительность к звуку каждого жесткого диска индивидуальна в определенном частотном диапазоне и может изменяться в процессе усовершенствования производителем конструкции HDD.)

Влияние вибраций

Вибрация тесно связана с проблемой шума. Гипотеза состоит в том, что именно звук вызывает вибрации, которые, в конечном счете, влияют на производительность жестких дисков. Конечно, существуют и структурные вибрации, но на данный момент они в полной мере не исследованны и в рамках настоящей статьи не рассматриваются.

Результатом проведенных компанией Siemens исследований стали следующие данные:

  • Жесткие диски не чувствительны к звуку при частотах ниже 500 Гц.
  • Некоторые жесткие диски проявляют чувствительность к звуку в диапазоне частот от 500 Гц до 1,6 кГц.
  • Частотный диапазон 1,6 кГц…8 кГц является наиболее критичным диапазоном во всем спектре.
  • Некоторые жесткие диски проявляют чувствительность к звуку в диапазоне частот от 8 кГц до 12,5 кГц.
  • Жесткие диски не чувствительны к звуку при частотах выше 12,5 кГц.

Пластина жесткого диска с головкой чтения/записи

Рис. 5. Пластина жесткого диска с головкой чтения/записи

Физическое обоснование полученных результатов

Пару десятилетий назад жесткие диски имели гораздо большее расстояние между дорожками данных и потому не могли хранить большой объем информации. Это объясняет причину того, что воздействие шума на работу жесткого диска не было так очевидно ранее.

Количество дорожек данных на пластинах жестких дисков, выпускаемых в 2009 году, достигало 250 000 на 1 дюйм. Для выполнения своих функций головка чтения/записи должна располагаться в пределах ±15% от расстояния между дорожками данных. Это означает, что максимальное смещение головки от центра дорожки может составлять не более одной миллионной дюйма. При большем смещении головки жесткий диск перестает записывать и считывать информацию.

Звук работающей системы газового пожаротушения вызывает вибрации корпуса жесткого диска, которые в конечном итоге передаются на шпиндель диска и головку чтения/записи, что приводит к рассогласованию ее положения при чтении и записи на дорожках данных.

Кроме того, вибрация может вызвать поперечные колебания головки чтения/записи, которая при этом может коснуться пластины жесткого диска и поцарапать ее, что приведет к потере данных. Частицы, образованные при соприкосновении головки чтения/записи с пластиной, хаотично двигаясь внутри жесткого диска и сталкиваясь с другими пластинами, могут быстро вывести его из строя.

Исследование влияния звука на жесткие диски, производимые компанией IBM

Помимо компании Siemens вопрос о влиянии шума на работу жестких дисков изучало множество компаний, в числе которых и IBM. Их испытательный стенд для исследования влияния шума на производительность жесткого диска изображен на рисунке 6.

Испытательный стенд для оценки чувствительности жестких дисков к звуку компании IBM

Рис. 6. Испытательный стенд для оценки чувствительности жестких дисков к звуку компании IBM

Акустическое оборудование воспроизводит звук работающей системы газового пожаротушения. Микрофон измеряет уровни шума, идущие к жесткому диску. В это время контролируется производительность винчестера.

Результаты тестов сведены в график, приведенный на рисунке 7.

Производительность жестких дисков при активации системы газового пожаротушения

Рис. 7. Производительность жестких дисков при активации системы газового пожаротушения

Видно, что после 60-й секунды, когда был воспроизведен звук работающей системы газового пожаротушения, производительность всех тестируемых жестких дисков резко ухудшилась. Постепенно, с выходом газа система стабилизировалась. После 200-й секунды работа жестких дисков стабилизировалась, кроме двух, что говорит о том, что эти диски были повреждены.

Стоит отметить, что при исследованиях воздействия звука на производительность жестких дисков, проводимых компанией Siemens, ни один жесткий диск не был поврежден и не было обнаружено потери данных с дисков. Возможно, причина этого кроется в том, что компания Siemens в ходе испытания звуковым генератором создавала звук, имеющий характеристики розового шума (уменьшение спектральной плотности при увеличении частоты), а IBM воспроизводил звук, записанный при активации системы газового пожаротушения. Этот звук имеет характеристики белого шума (сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах).

Анализ последствий влияния звука на жесткие диски и способы их минимизации

Активация системы газового пожаротушения — исключительное событие, вероятность наступления которого мала. Последствия такого события выходят за рамки технических спецификаций жестких дисков и систем хранения данных. Но на практике активация системы газового пожаротушения в центре обработки данных может привести к одному из следующих событий:

1) Сбои в работе как отдельных элементов, так и всей системы хранения данных:

  • временное снижение производительности;
  • временное отключение;
  • завершение работы (требуется перезагрузка);
  • некорректность данных.

2) Повреждение как отдельных элементов, так и всей системы хранения данных:

  • физическое повреждение отдельного компонента, которое может быть компенсировано механизмами резервирования;
  • физическое повреждение множества компонентов, которое приведет к полной потере системы и данных.

Какие же есть варианты минимизации последствий активации системы газового пожаротушения в центрах обработки данных?

К числу превентивных мер стоит отнести отключение систем хранения данных перед выпуском газа (за время, предусмотренное для эвакуации людей из помещения). Данная мера безусловно эффективна, но имеет ряд недостатков, а именно:

  • не защитит жесткие диски в случае несанкционированного выпуска газа;
  • временное отсутствие доступа к данным.

Еще одним вариантом защиты является установка шумозащитных перегородок или акустических чехлов на стойки. Операторы некоторых зарубежных центров обработки данных, постепенно начиная осознавать всю серьезность проблемы, начали оснащать стойки данными шумозащитными средствами. Но и эта мера не лишена недостатков:

  • уменьшение полезной площади зала для установки оборудования;
  • усложнение конструкции стойки.

Компания Siemens в 2015 году представила свое решение для уменьшения влияния звука на жесткие диски. Инженеры компании предложили бороться не с последствиями, а с источником опасности, т.е. снижать шум, издаваемый газовыми насадками системы пожаротушения. Публике был представлен насадок, который значительно снижает уровень звука, создаваемый газом при его истечении через отверстия, и переводит его в тот частотный диапазон, в котором восприимчивость жестких дисков к звуку минимальна.

Газовый насадок Silent Nozzle TM компании Siemens

Рис. 8. Газовый насадок Silent Nozzle TM компании Siemens

В настоящее время системы газового пожаротушения являются наиболее оптимальным решением для защиты серверных и центров обработки данных от пожаров. Однако при проектировании систем пожаротушения необходимо помнить о том, как защитить и при этом не навредить! При проектировании систем газового пожаротушения в центрах обработки данных, которые обслуживают банковские или биржевые операции, этот вопрос должен выходить на одно из первых мест, т.к. упущение таких незначительных, на первый взгляд, деталей или попытка сэкономить на мелочах могут привести к весьма ощутимым материальным затратам во время жизненного цикла ЦОДа, выраженных в компенсации упущенной выгоды компаниям, арендующим серверные мощности, из-за отсутствия доступа к данным, как произошло с компанией Digiplex.

скачать
скачать

 

Rambler's Top100 Интернет портал. Каталог фирм. бжд. Охрана. Обеспечение безопасности. Безопасность предприятия. Оборудование. Видеонаблюдение.