当 USB 设备消耗的功率超过集线器所能提供的功率时会发生什么？

Question

我打算购买一个 7 端口 USB 3.0 集线器，并将 7 个便携式硬盘连接到它，以构建 RAID 6 阵列。该集线器带有一个上游 micro-USB 3.0 B 型端口，以及一个额定电压为 5V 2A 的辅助电源适配器（micro-USB 2.0 B 型连接器）。

每个 2.5 英寸 HDD 可以轻松消耗 5V 0.9A，这是单个 USB 3.0 端口的最大值。现在我要将其中的 7 个连接到所有可用端口。

我的问题是：

1. 来自上游 USB 端口 (0.9A) 和辅助端口 (2.0A) 的电源是否组合在一起？我很困惑，因为我总是可以将另一个集线器插入这个集线器，并级联这个 USB 网络——并且该集线器可以是主机供电的，也可以是自供电的。在这种情况下，功率如何流动？
2. 如果 2.5" HDD 接收的功率低于其所需的功率 (2A / 7 = 286mA)，它会以较低的速度工作还是根本无法工作？它是否试图消耗更多功率并使 5V 2A 适配器过载？
3. 我可以用更高电流的电源适配器（例如 5V 10A）替换现有的电源适配器吗？

Answer 1

这是一个可怕的想法；不要这样做！

对于电子产品，总输入功率始终等于总输出功率。您有两个电源：高达 2 A 的电源和 0.9 A 的上游端口，总共高达 2.9 A。如果驱动器试图拉动更多，会发生什么？

• 如果电源质量好，它不会提供超过其额定 2 A 的电流，并且（至少某些）驱动器不会旋转/会突然停止。
• 如果电源不可靠，就会着火。

使用菊花链集线器：

• 如果集线器有一个防止反向供电的二极管，事情就会变得混乱：第一个集线器的电源为链中的所有集线器供电，但最后一个仅为最后一个集线器供电。这个超级不靠谱。
• 如果没有，则所有集线器共享所有电源。这将是可取的。

更重要的是，硬盘驱动器在旋转时会在片刻内消耗明显超过额定电流的电流。并且一旦获得动力，它们就会旋转起来，即同时旋转。服务器通过每隔一段时间一个一个地启动驱动器来处理这个问题。你不能在这里这样做，因为你没有先进的驱动控制器；每个驱动器在其集成的 SATA 转 USB 适配器中都有一个。更强大的电源会改善情况，但它仍然非常不可靠。

抛开电源问题，这仍然是一个糟糕的主意

我不知道你打算如何使用这个奇特的 RAID 阵列，但它从根本上是有缺陷的。

RAID 与备份无关，RAID 与可靠性有关。如果您想要防止数据丢失，RAID 不是您所需要的。所以我假设这个项目的目标是可靠性和可用性。您的阵列非常不可靠，因此它不能满足其唯一目的。

一旦单个驱动器因任何原因出现故障或从阵列中掉线，就必须将其带回阵列并重建。重建单个 12 TB 驱动器需要数天时间。您想使用 2.5" 驱动器，所以我们可能在 500 GB - 5 TB 范围内。这样的驱动器可能需要三小时到两天的时间。现在考虑一下：

• 您的电源解决方案是粗略的
• USB 并非用于永久连接 - 驱动器会时不时地意外断开连接
• 我们不确定这个集线器处理大量驱动器的能力如何
• 这些驱动器要么占用大量的桌面空间和大量的电缆，要么整齐地堆叠，随时可以拆下
• 它们都不是设计用于将振动放大七倍（驱动振动通过机箱、桌子等传播）

使用RAID 6，您可以在不丢失数据的情况下丢失两个驱动器，包括待重建的驱动器。考虑到这些问题，如果您丢失驱动器的速度比重建它们的速度快，我不会感到惊讶。这将是一场等待发生的灾难。

解决方案

您需要一个DAS（直连存储）。它是一个机箱，您可以在其中放置驱动器，将它们配置为一个阵列，并将它们作为单个设备呈现。RAID 完全由 DAS 本身管理。NAS（网络附加存储）也是一种选择，但它将通过网络提供，而不是直接连接。

DAS 和 NAS 设备在构建时考虑了多个驱动器。电源问题已经为您解决了，磁盘使用 SATA 连接器连接并拧入（最好使用 3.5" 磁盘，但如果出于某种原因，您可以使用 2.5" + 适配器）。建议使用专为 NAS 设计的驱动器。

这将花费更多，但它会可靠地工作，这是重点。

您可以通过购买外部驱动器（它们比内部驱动器便宜）并将它们从 USB 外壳中取出（“脱壳”）来降低价格。但是您可能会失去保修，您会获得未经阵列认证的驱动器（振动问题），并且您必须知道该买什么：例如，某些 2.5" 便携式驱动器的 USB 端口直接焊接到其 PCB 上，没有任何 SATA 端口。

一些流行的 DAS 品牌是 TerraMaster 和 Drobo。

TL;DR：不要这样做。

如果您的预算紧张，请缩小规模并选择 DAS。

Answer 2

这似乎是一个 XY 问题。根据评论，您实际上想要实现的是以廉价的方式扩展文件服务器的存储容量。

这里的问题是，由于以下几个原因，在可靠性很重要的任何情况下，USB 都是可怕的：

• USB 上的电源分配通常是有问题的。您可以仅使用有源集线器和有源外围设备来缓解这种情况，但这并不能解决任何其他问题。
• 从延迟和效率的角度来看，“总线”是不对称的。集线器链越往下，延迟和吞吐量就越差。这可以通过使用平衡树拓扑来缓解，这样一切都在相同的嵌套深度，但这并不是微不足道的，特别是因为大多数计算机上的 USB 端口实际上是连接到内部集线器而不是直接连接到主机控制器，而且也不便宜。
• USB 连接器实际上在机械上相当不稳定。这对于 USB 的最初预期用途非常重要，这样当您被电缆绊倒时就不会损坏端口，但这对于需要可靠性的存储系统来说是一件非常糟糕的事情。
• 这是很容易引发意外总线复位。这对于打算使用 USB 的输入设备来说不是问题，但对于存储设备来说却是一个严重的问题（查看 SCSI 或 SATA 设备的链接重置是您开始更换硬件的时间之一，如果您正在做一些事情对）。
• 由于 MSC 和 UAS 标准的工作方式，您不必在每次必须重置总线时重新初始化整个设备，这反过来会在处理任何类型的 RAID 阵列时导致各种令人讨厌的行为问题。

有几种“正确”的方法可以解决这个问题，具体取决于您可以花多少钱：

• 考虑获得一些 SATA端口倍增器（本质上，它们就像 SATA 设备的 USB 集线器）。您将需要操作系统的支持才能使其工作，但这可能是最便宜的选项，但可能足够可靠（只是不要链接端口倍增器，它在技术上有效，但在大多数情况下会导致严重的性能问题）。
• 只需为文件服务器获取一个合适的 SAS HBA。SAS 控制器与 SATA 磁盘一起工作得很好（他们必须这样做），但比 SATA 控制器效率高得多，而且通常有更多的端口（小的通常有 8 个端口）。如果这样做，请将服务器的操作系统放在 MB 上的 SATA 连接器上。如果你必须把它作为一个特定的系统，这就是我会做的。
• 获取专用的 NAS 系统。对于一个好的，你可能会在成本方面看到 4-5 位数，但它可能比你拥有的任何其他东西都更耐用，并且几乎肯定会远远超出你的实际需要。FreeNAS 是我在这里推荐的操作系统（支持 FreeNAS 的公司 iXsystems 提供价格合理的高端企业级半定制系统）。从那里，您可以使用 iSCSI 扩展文件服务器的存储，或者您可以直接使用 NAS。
• 购买一堆便宜的小型系统，在每个系统中放入一个大型存储设备，然后设置一个集群文件系统。GlusterFS 将是我在这里的具体建议（只要您不需要非常快的存储，您可以将单个 GlusterFS 节点放在一起，每个节点的价格低于 500 美元）。这将为您提供最佳的长期可扩展性（如果您的网络硬件良好，它可以轻松进入数千 TB 的范围而不会出现问题），但会对您可能对基础架构做出的其他选择产生重大限制。我之前已经使用英特尔 NUC 系统和 Raspberry Pi 完成了这项工作。
• 在适当的 SAN 上花费可能数十万。除非你在和一家大公司打交道，否则不要这样做，这通常是一种浪费。