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群晖NAS非官方入门手册 篇十三:今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

2020-11-20 19:31:49 141点赞 1255收藏 216评论

创作立场声明:本文前后花了一周时间,如有疏漏或谬误,敬请在讨论区中指正。

群晖NAS非官方入门手册 篇十二:今夜不谈群晖---关于NAS、硬盘和数据的学习笔记本文来自#千兆网络有什么用#征稿活动,不断提速的网络给你的生活带来了什么变化?快来参与活动,聊聊你玩转互联网,高速网上冲浪的经历!>点击这里查看活动详情Lifeisgood| 117 评论128 收藏228查看详情

上文我曾说过准备写一篇群晖NAS缓存方面的教程。在讨论群晖NAS的缓存特性之前,先来看一些说法,大家能识别出其中的常见谬误吗?

  • SSD就是缓存。

  • 增加了缓存,NAS的速度立马就会提高。

  • 只有带M.2插槽的NAS型号才支持缓存。

  • 不带万兆网卡的型号,加了缓存都是浪费。

  • 群晖的缓存是为存储空间加速的,而不是对硬盘加速。

  • 缓存是NAS独有的技术。

  • 缓存能够降低群晖NAS读写硬盘的噪音。

缓存(Cache)浅谈

缓存的英文名为Cache,所以也有音译为快取,不能不说,这个翻译更加完美,把音和意都传达出来了。缓存是一种经典(古老)而有效的技术,它的基本思想是以空间换时间。

简单地说,就是分析系统中的瓶颈,然后把最常用的数据(此处称为较热的数据)放在速度最高的存储介质中,不常用的数据则留在速度较慢的存储介质中。当下次要访问较热的数据时,则直接从高速存储介质中存取,这样就达到了牺牲部分高速存储空间,来换取提高速度的目的。

应用广泛的缓存

在计算机、NAS系统中,机械硬盘相对于内存、处理器等属于慢速存储设备,所以每当读写硬盘时,内存和CPU实际上处于等待硬盘完成任务的停工待料状态。此时硬盘就是系统的瓶颈。

改善的办法就是为硬盘增加缓存,比如用速度远比硬盘快的内存来作为缓存,把一些经常用到的数据或应用程序放在缓存中,下次需要访问或打开时,直接从缓存中调用,避免了去访问较低速的硬盘,自然就提高了系统的整体性能。

所以操作系统都是有缓存机制的,使用的就是速度极快的内存。当内存容量宽裕,且缓存机制有效的话,能直接观察到硬盘灯闪烁次数大大降低(表示对硬盘访问减少)。可惜,由于现在的某些操作系统越来越臃肿,一般用户可能因标配内存不大等原因,不一定能明显感受到缓存的作用。

从上面的例子中,可以看出,凡是存在较大速度差异的设备之间,都有可能使用缓存来解决瓶颈。所以,硬盘不一定总是充当被缓存的低速角色,它也能够作为其他设备的缓存。例如,打印机的速度是更慢的,那么就可以用硬盘为打印机做缓存,把打印任务队列存放在硬盘上,然后处理器就可以去继续其他的运算任务。不然的话,处理器就必须等待打印机返回一个打印完成的参数后,才能继续下一步任务,整个系统的效率都会被打印机拖累。

既然缓存能提升整体效率,那是不是缓存越大越好呢?不计成本的话,当然可以这样说。可惜,凡是速度高的设备,价格也会水涨船高,比如以单位容量计算,价格从高到低:内存>SSD>机械硬盘。所以,我们总是以适当容量的缓存(成本)来得到最大的效益(性能提升)。

硬盘的工作原理

今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

简单分析一下,由于机械硬盘是盘片高速旋转,然后磁头沿径向移动,从而达到磁头能够访问到整个盘片的所有磁道、每条磁道的所有扇区中的数据。

例如,当我们要打开一个影视文件时,系统要通过文件名在硬盘的文件分配表中找到该文件的目录项,在目录项中查到该文件数据保存在硬盘的起始簇号(根据文件的大小,可能会分布在硬盘上多个不同簇中),然后将磁头移动到该簇的第一个扇区,来连续读取其中的数据;若文件大小超过了该簇的容量(即,一个文件必须有多个簇才能存得下),则会从文件分配表中找到下一个簇,然后重复以上的过程。

簇是操作系统为文件分配存储空间的最小单位,一个簇由多个扇区构成【1】。

对每一个存取文件的任务,操作系统都要经历:

对照上图想象一下,在这个过程中,盘片一直在高速旋转,磁头由悬臂带动也在不同的磁道之间来回穿梭(寻道)。

NAS中的瓶颈

先看几个常见的NAS应用情景吧:

当同时访问NAS的用户、任务增加时,随着系统负载的上升,部分用户感觉到打开/保存文件的速度下降,甚至播放影片出现卡顿。

当NAS的用户较少、任务较轻时,硬盘能够快速地读取或者写入数据,给用户带来优良的体验。

而一旦对硬盘的读写请求任务超过了硬盘的最大传输速率,那么势必会有一部分任务必须排队等待了。对了,硬盘自己不也是有缓存吗?不过,区区64MB、256MB的缓存,面对当今以数TB计的大容量硬盘,显得有点捉襟见肘了。解决的办法就是在NAS中扩充SSD缓存了。

缓存的适用

由前述机械硬盘的工作原理可知,能让硬盘发挥最大读写速度的理想状况是:

反之,对硬盘读写速度最不利的状况是:

磁盘的碎片化也会降低硬盘的性能。一个刚格式化的新硬盘,最初写入文件时,都是连续存放的,这时的访问速度最理想。但随着使用时间的增长,会有各种拷贝、删除、修改操作,一个文件可能就会分散到不连续的簇中存放。

通常,缓存对随机读写的优化最有效,但对顺序读写则不那么明显。所以在群晖NAS中,有跳过顺序I/O的选项,遇到顺序读写时,直接访问硬盘,而不经过缓存。

对这一点,我的个人看法是:如果你安装的都是SMR叠瓦盘,由于它在大量写入时可能会降低性能,所以即使是顺序读写,我认为最好还是经过缓存吧。

缓存的机制

缓存处在机械硬盘和处理器/内存之间,在什么情况下,缓存能带来效率的明显提升呢?

一、读缓存

若将经常被使用的文件或程序放在缓存中,下次再访问时,直接从缓存调用,传输至处理器或内存,必然带来速度上的飞跃。

且慢,这里有几个关键字:

二、写缓存

遇到写入数据的操作时,系统先将数据写入到缓存中,然后处理器就可以进行其他运算任务。剩下的事情就是在系统调度下,缓存与硬盘之间的事情了,硬盘可以从容不迫地将数据写入到簇中,而不必拖累处理器苦苦等待。当有很多磁盘操作任务排队时,缓存的效果就更加明显。

三、命中率

缓存的效益可以用命中率来量化。

简单地说,命中率=被加速的随机读写次数/所有随机读写数*100%。通常来讲,缓存的命中率越高则表示使用缓存的收益越高,应用的性能越好(响应时间越短、吞吐量越高),抗并发的能力越强。

为你的群晖添加缓存

今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

群晖NAS型号众多,实现缓存的方法在硬件上是有一定差别的。所以事先要查看自己NAS的具体型号来选购SSD。

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有些如DS918+、DS920+等型号,带两个M.2插槽,支持使用NVMe SSD固态盘来作为高速缓存,且不占用宝贵的盘位;而其他一些型号则没有这两个插槽,在多盘位情况下(比如6盘位),我们也可以利用SATA接口的SSD来建立缓存,代价就是被缓存占用的盘位(参见上图);更高端一些的型号,则是有PCIe 扩充插槽,我们可以选购群晖的扩展卡。

今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

例如这款Synology E10M20-T1,就同时提供了一个万兆网口,和两个NVMe的SSD插槽,我们可以用来扩充缓存。

今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

而这款M2D20则只有两个NVMe的SSD插槽,我们可以用来扩充缓存。以上两个扩展卡,均不含SSD(需另购)。

今夜来谈群晖---缓存、NAS和SSD那些事

Synology SNV3000 系列专为系统缓存而构建,可在要求苛刻的全天候环境中提高随机 I/O 性能并减少延迟。可提供耐用缓存,具有 205,000/40,000 次以上的 4K 随机读/写 IOPS 和 500 TBW 耐用性评级,适用于多媒体后期制作和数据库应用程序。

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群晖原厂的SSD价格不菲,大家也可以根据自己的预算和偏好,选择WD等大厂固态盘来扩充缓存。

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两种接口都推荐一下吧。

男人的生产力工具 篇二百五十三:买了叠瓦盘天也不会塌,群晖NAS对纯SMR硬盘系统的改造优化本文来自#千兆网络有什么用#征稿活动,不断提速的网络给你的生活带来了什么变化?快来参与活动,聊聊你玩转互联网,高速网上冲浪的经历!>点击这里查看活动详情戳我了解...44114246匿名用户比如:DIY投影仪支架、零重力办公、将吸顶灯改成智能开关、用LED改造灯板升级原有的2D灯管、用服务器机柜多出Lifeisgood| 27 评论50 收藏101查看详情

关于在群晖中添加缓存的教程,参见上面卡片。

扩充缓存之后,随机读写、多用户访问、高并发任务等情况下,群晖NAS的响应和表现会更好更稳定。如今大容量SSD的价格逐渐下降,赶快为你的群晖NAS插上翅膀吧。

更进一步的,若对缓存的效果还不满意,能不能彻底抛弃机械硬盘,打造全固态的NAS呢?

参考资料

【注1】限于篇幅,文中的一些硬盘操作的概念和过程都做了简化处理,以方便读者理解。关于文件分配表、簇和扇区等概念,摘录一段更严谨的资料供参考:

扇区分簇管理

操作系统或应用程序在将数据写入一个磁盘文件时,必须在磁盘上找到可以使用的未用扇区。反过来要将数据从磁盘文件中读出时,也要在磁盘上找到已经储存了相应数据的有关扇区。要查找扇区必须知道扇区的地址,文件分配表FAT就是记录扇区地址的。

因为硬盘的扇区非常多,如果将每个扇区的地址都记录在文件分配表里,势必造成文件分配表体积庞大,查找时效率将会很低。为解决这个问题,采用了将扇区分组管理的方法。分组的过程称作扇区分簇,是由高级格式化程序在格式化磁盘时完成的。

扇区分簇以后,将每个簇的地址记录到文件分配表FAT里去。由于一个簇能包含很多扇区,所以文件分配表的体积减小了,查找的速度就提高了。

关于《群晖NAS非官方入门手册》达人专栏

Life君的数码生活馆 篇十三:群晖NAS非官方入门手册-2020寒假特别版本文来自#千兆网络有什么用#征稿活动,不断提速的网络给你的生活带来了什么变化?快来参与活动,聊聊你玩转互联网,高速网上冲浪的经历!>点击这里查看活动详情Lifeisgood| 308 评论289 收藏3k查看详情群晖NAS非官方入门手册 篇四:群晖NAS非官方入门手册(2020暑假特别版)本文来自#千兆网络有什么用#征稿活动,不断提速的网络给你的生活带来了什么变化?快来参与活动,聊聊你玩转互联网,高速网上冲浪的经历!>点击这里查看活动详情Lifeisgood| 106 评论83 收藏600查看详情

《群晖NAS非官方入门手册》是作者Lifeisgood在张大妈首发的写作计划,以知识卡片的形式,在每篇教程分享群晖的关键技能。2018年至今,已坚持三年。Life君是本站黑群晖配置最高、白群晖闲置最多的NAS小白。从今年八月起, 作者Life君在张大妈创建专属达人专栏----群晖NAS非官方入门手册。

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216评论

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    龙龙七

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    龙龙七

    龙龙七

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    一个小问题:作为缓存使用的SSD如果坏掉,会不会影响数据?

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    Lifeisgood

    作者

    龙龙七

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    多谢龙龙七捧场哈~~~~

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  • 挂件

    呆萌的呆呆

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    如果只有一台电脑 就用VMware 虚拟群晖 然后继续虚拟下去 而且更多的虚拟硬盘挂载很方便 如果有多的电脑 就用群晖虚拟windows或者更多的DSM 分散工作量 但是需要更多的物理硬盘 ​​​

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    Lifeisgood

    作者

    呆萌的呆呆

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    你说的这些真太高深了,期待大佬分享一篇。

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    风吹小衩衩

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    我觉得普通用户把套件安装在ssd上才是最有效的提速办法 [皱眉]

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    风吹小衩衩

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    有一种方法是,为了提高系统启动、套件运行或者应用程序启动的速度,把群晖的第一块硬盘换成SSD。

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    FreakGeek

    Lifeisgood

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    应用程序用的少,启动就更不会没事重新启动了,所以意义不大

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  • 打遍天下奥特曼

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    之前计划入451d ,我的需求是偶尔备份一下手机里的照片,不用天天开着nas,也没有小姐姐的电影,平时看电影和美剧都是看完了删, 那么购买专业nas设备就有点浪费了。现在想了想等黑五或者平时好价,买两个12T或者14T的移动硬盘做冷备更经济。 [皱眉]

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    Lifeisgood

    作者

    打遍天下奥特曼

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    看完了删,这是阅后即焚哈? [脸红] NAS跟硬盘还是不一样哈,有了NAS,可以让多个设备、多个用户来共享这些影视节目,提升体验。

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    blueslmj

    打遍天下奥特曼

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    西数的my cloud就能满足你

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  • FreakGeek

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    同样是用M2D18,有些机器只支持SATA通道的SSD。这是群晖挖的一个大坑。

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    Lifeisgood

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    FreakGeek

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    可以查官方兼容列表,避开坑

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    FreakGeek

    Lifeisgood

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    很多人买了才知道不支持 [龇牙]

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    部川内酷

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    继续学习!

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    作者

    部川内酷

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    大佬客气啦,多谢捧场··~~

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  • 每天游泳的鱼

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    群晖的固态硬盘只能做缓存用,太浪费了,个人感觉还是威联通的Qtier更实用。

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    作者

    每天游泳的鱼

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    群晖允许使用SATA的SSD作为存储哈。

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    Lifeisgood

    作者

    每天游泳的鱼

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    另外,若是M.2插槽的NVMe SSD,在群晖上也是可以挂载成存储盘的。网上有不少教程。

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  • CooperPro

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    对于小白用户,加了缓存之后最明显的体验就是moments看照片快多了!

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    作者

    CooperPro

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    对,照片是属于小文件的,是典型的随机读写,这种比较适合用缓存来提速。

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  • 24k双花红棍

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    我怎么印象中cache快存是cpu里跟内存做交换的东东,比内存更加昂贵,操作系统原理讲的,难道记错?

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    Lifeisgood

    作者

    24k双花红棍

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    没记错,凡是存在速度差的地方,都可能会使用缓存来提速。而且缓存也是分层的,比如硬盘自带缓存,硬盘自带SSD做成混合硬盘,SSD对硬盘缓存,内存再对硬盘缓存,等等。

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    Lifeisgood

    作者

    24k双花红棍

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    对,cpu里面,也有好几层缓存,这里面当然是价格很贵的了。

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  • 深渊猎手

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    刚买了1819+今天才装上,8块8T的酷狼。内存加了16g的条。用的是千兆网。有必要加ssd缓存吗?

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    Lifeisgood

    作者

    深渊猎手

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    如果平时经常处理像照片这样的大批小文件,并且有多个用户在访问,那建议加。

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    Lifeisgood

    作者

    深渊猎手

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    1819+很豪华啊,大手笔。

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  • topsteve

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    918+有推荐用什么ssd比较合适吗

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    Lifeisgood

    作者

    topsteve

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    918+是带有m2插槽的,买nvme的ssd。文章里推荐了wd的。

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  • 挂件

    郭雨是只小白鼠

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    10g内网,卡传输速度了需要加缓存嘛?日常使用视频素材居多

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    Lifeisgood

    作者

    郭雨是只小白鼠

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    另外,你说卡传输速度是指什么意思?感觉到慢了?

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    郭雨是只小白鼠

    Lifeisgood

    作者
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    机械硬盘,跑不满内网速度

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  • MarshalEric

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    仿佛回到了上计算机系统基础的日子,还有痛苦的pa。。。

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    作者

    MarshalEric

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    握手,开头我说文章写了一周,其实构思准备花了更长时间,因为写着写着就发现容易写成教材了,删改了不少。

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  • augustin

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    绝大多数自用的nas都不用不到缓存系统

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    作者

    augustin

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    缓存对性能提升是有很大贡献的,不用的话,可能是不了解或者预算限制吧。好在如今固态盘越来越便宜啦。

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  • 挂件

    玲玲静静买

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    先收藏,再……

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    作者

    玲玲静静买

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    谢谢捧场,收藏就等于学过了

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  • 挂件

    glb1031

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    问一个问题,M.2 SSD的大小对读写缓存速度有影响嘛?

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    glb1031

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    理论上是有的哈,比如群晖的存储管理员里面,有根据你以往使用情况统计给出的缓存容量建议,缓存尽量大一些会好。

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    补充:理论上说,缓存容量能存下所有热数据的时候,自然是最理想的。但考虑的ssd的成本,以及内存开销(对应缓存容量,会占用一定的内存空间,群晖有资料解释这一点),各人总会根据自己的情况来选择缓存大小。

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  • 挂件

    109109109lf

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    看需求和预算吧,比如电信千兆,上下行都是大水管,HDD会卡IO,SSD换上提升很不错

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    作者

    109109109lf

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    按说上传快的宽带会很贵哈,所以一般家用的宽带都不会是上下对等,电信用户有福了

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    109109109lf

    Lifeisgood

    作者
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    前几天电信不是搞活动吗,免费提速,100下 20上,提速到 200下 100上,盘位一的鹰盘明显跟不上了

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  • 井苔君

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    大神,设备多了增加了不稳定因素,家里时而路由器掉线时而ddns掉线,智能家居网关也时而掉线,有什么方法能够24小时监控各个设备是否健康呢?

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    井苔君

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    感觉是不是先怀疑路由器跟不上了,负载高的话,应该换性能更强的路由器了

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    井苔君

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    感觉是路由器的性能跟不上负载了。我有个路由器,平时正常,夏天的时候,会有明显的卡顿或者降速,推测是温度高造成的,用风扇或者空调后正常。

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  • 小众好物

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    感觉像是大学的课本作者~~ [脸红] [晕死]

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    小众好物

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    嗯,这是我努力避免的。 [傻笑]

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    小众好物

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    有用的知识增加了

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  • 藏经阁扫地大叔

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    之前买了个蜗牛星际做nas,买了一块红盘做仓库,不知道能不能加缓存

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    作者

    藏经阁扫地大叔

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    你可以在存储空间管理员里面查看,如果支持就会显示缓存的页面。

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