Введение
Уже несколько лет стандарт Serial Attached SCSI (SAS) постепенно вытесняет стареющий интерфейс Small Computer System Interface (SCSI) в бизнес-сегменте и в хранилищах корпоративного класса. Если SCSI является технологией на основе параллельной шины со многими ограничениями, то SAS относится к архитектуре с последовательными соединениями, что позволяет создавать сложные решения хранения данных с очень хорошей масштабируемостью и гибкостью. Стандарт SAS второго поколения продолжает улучшать архитектуру, начнём хотя бы с увеличения скорости передачи данных с 3 до 6 Гбит/с.
Нажмите на картинку для увеличения.
Почему SAS?
Интерфейс Serial Attached SCSI – это не просто последовательная реализация протокола SCSI. В нём реализовано намного больше, чем простой перенос функций SCSI, таких как TCQ (Tagged Command Queuing, тэгированная очередь команд), через новый разъём. Если бы нам была нужна наибольшая простота, то тогда мы бы использовали интерфейс Serial ATA (SATA), являющийся простым соединением “точка-точка” между хостом и конечным устройством, таким как жёсткий диск.
Но SAS базируется на объектной модели, определяющей “домен SAS” – систему доставки данных, которая может включать в себя опциональные экспандеры (expander) и конечные устройства SAS, такие как жёсткие диски и host-адаптеры (host bus adapters, HBA). В отличие от SATA, устройства SAS могут иметь несколько портов, каждый из которых может использовать несколько физических соединений, чтобы обеспечивать более скоростные (широкие) подключения SAS. Кроме того, к любой определённой цели могут обращаться несколько инициаторов, а длина кабеля может составлять до восьми метров (для первого поколения SAS) против одного метра у SATA. Вполне понятно, что это обеспечивает немало возможностей для создания высокопроизводительных или избыточных решений хранения данных. Кроме того, SAS поддерживает протокол SATA Tunneling Protocol (STP), позволяющий подключать к SAS-контроллеру устройства SATA.
SAS 2.0
Стандарт SAS второго поколения увеличивает скорость соединения с 3 до 6 Гбит/с. Данный прирост скорости очень важен для сложных окружений, где требуется высокая производительность из-за высокоскоростных хранилищ. Новая версия SAS также призвана снизить сложность прокладки кабелей, а также число соединений на Гбит/с пропускной способности, увеличивая возможную длину кабелей и улучшая работу экспандеров (разбиение на зоны и автоматическое обнаружение). Чуть ниже мы поговорим об этих изменениях в деталях.
Увеличение скорости SAS до 6 Гбит/с
Чтобы донести преимущества SAS до более широкой аудитории, SCSI Trade Association (SCSI TA) представила учебник по технологии SAS на конференции Storage Networking World Conference, которая прошла чуть раньше в этом году в Орландо (США, Флорида). Так называемый SAS Plugfest, где демонстрировалась работа SAS на 6 Гбит/с, совместимость и функции, прошёл ещё раньше в ноябре 2008 года. LSI и Seagate стали первыми на рынке, кто представил “железо”, совместимое с SAS на 6 Гбит/с, но остальные производители тоже должны вскоре подтянуться. В нашей статье мы рассмотрим текущее состояние технологий SAS и некоторые новые устройства.
Фундаментальные основы SAS
В отличие от SATA, интерфейс SAS работает на основе полного дуплекса, предоставляя полную пропускную способность в обоих направлениях. Как уже упоминалось ранее, соединения SAS всегда устанавливаются через физические подключения, используя уникальные адреса устройств. Напротив, SATA может адресовать только номера портов.
Каждый адрес SAS может содержать несколько интерфейсов физического уровня (PHY), что позволяет создавать более широкие подключения через InfiniBand (SFF-8470) или кабели mini-SAS (SFF-8087 и -8088). Обычно четыре интерфейса SAS с одним PHY на каждом объединяются в один широкий интерфейс SAS, который уже подключается к SAS-устройству. Связь может осуществляться и через экспандеры, которые работают больше как коммутаторы, нежели как устройства SAS.
Такие функции, как разбиение по зонам (zoning) теперь позволяют администраторам привязывать конкретные устройства SAS к инициаторами. Именно здесь будет полезна увеличенная пропускная способность SAS 6 Гбит/с, поскольку у четырёхканального соединения теперь будет в два раза большая скорость. Наконец, устройства SAS могут даже иметь несколько адресов SAS. Поскольку накопители SAS могут использовать два порта, с одним PHY на каждом, то накопитель может иметь два адреса SAS.
Соединения и интерфейсы
Нажмите на картинку для увеличения.
Адресация соединений SAS происходит через порты SAS, используя SSP (Serial SCSI Protocol), но связь на нижнем уровне от PHY до PHY осуществляется, используя одно или несколько физических соединений по причинам увеличения пропускной способности. SAS использует кодирование 8/10 бит, чтобы преобразовывать 8 бит данных в 10-символьные передачи в целях восстановления синхронизации, баланса DC и определения ошибок. В итоге мы получаем эффективную пропускную способность 300 Мбайт/с для режима передачи 3 Гбит/с и 600 Мбайт/с для подключений 6 Гбит/с. Технологии Fibre Channel, Gigabit Ethernet, FireWire и другие работают по схожей схеме кодирования.
Интерфейсы питания и данных SAS и SATA очень похожи друг на друга. Но если у SAS интерфейсы данных и питания объединены в один физический интерфейс (SFF-8482 на стороне устройства), то SATA требует двух раздельных кабелей. Зазор между контактами питания и данных (см. иллюстрацию выше) в случае SAS закрыт, что не позволяет подключать устройство SAS к контроллеру SATA.
С другой стороны, устройства SATA могут прекрасно работать на инфраструктуре SAS благодаря STP или в “родном” режиме, если не используются экспандеры. STP добавляет дополнительную задержку при прохождении через экспандеры, поскольку им нужно устанавливать соединение, что происходит медленнее, нежели прямая связь SATA. Впрочем, задержки всё равно очень малы.
Домены, экспандеры
Домены SAS можно представить в виде древовидных структур наподобие сложных сетей Ethernet. Экспандеры SAS могут работать с большим количеством SAS-устройств, но они используют принцип коммутации каналов, а не более распространённую коммутацию пакетов. Некоторые экспандеры содержат в себе устройства SAS, другие – нет.
SAS 1.1 распознаёт граничные экспандеры (edge expander), которые позволяют инициатору SAS связываться с до 128 дополнительными адресами SAS. В домене SAS 1.1 можно использовать только два граничных экспандера. Впрочем, один экспандер расширения (fanout expander) может подключать до 128 граничных экспандеров, что существенно увеличивает возможности инфраструктуры вашего решения SAS.
Нажмите на картинку для увеличения.
По сравнению с SATA интерфейс SAS может показаться сложным: разные инициаторы обращаются к целевым устройствам через экспандеры, что подразумевает прокладку соответствующих маршрутов. SAS 2.0 упрощает и улучшает прокладку маршрутов.
Следует помнить, что SAS запрещает петли или множественные пути. Все соединения должны быть “точка-точка” и эксклюзивными, но сама по себе архитектура подключений хорошо масштабируется.
Новые функции SAS 2.0: экспандеры, производительность
SAS 1.0/1.1 | SAS 2.0 | |
Функция | Сохраняет наследственную поддержку SCSI Совместим с SATA |
Совместим с 3 Гбит/с Улучшенная скорость и прохождение сигналов Управление зонами Улучшенная масштабируемость |
Функции хранилищ | RAID 6 Малый форм-фактор HPC Накопители SAS большой ёмкости Замена Ultra320 SCSI Выбор: SATA или SAS Blade-серверы |
RAS (защита данных) Безопасность (FDE) Поддержка кластеров Поддержка более крупных топологий SSD Виртуализация Внешние хранилища Размер сектора 4K |
Скорость передачи данных и пропускная способность кабеля | 4 x 3 Гбит/с (1,2 Гбайт/с) | 4 x 6 Гбит/с (2,4 Гбайт/с) |
Тип кабеля | Медь | Медь |
Длина кабеля | 8 м | 10 м |
Источник:
Зоны экспандера и автоматическая конфигурация
Граничные (edge) и расширяющие (fanout) экспандеры практически остались в истории. Это часто связывают с обновлениями в SAS 2.0, но причина на самом деле кроется в зонах SAS, появившихся в 2.0, которые позволяют убрать разделение между граничными и расширяющими экспандерами. Конечно, зоны обычно реализуются специфически для каждого производителя, а не как единый индустриальный стандарт.
По сути, теперь на одной инфраструктуре доставки информации можно располагать несколько зон. Это значит, что к целям (накопителям) в хранилище могут обращаться разные инициаторы через один и тот же экспандер SAS. Сегментация домена выполняется через зоны, доступ осуществляется эксклюзивным образом.
Теперь функция обнаружения устройств перешла от инициаторов к эспандерам SAS, что позволяет экспандерам автоматически конфигурировать свои функции. Время обнаружения в крупных топологиях теперь может быть уменьшено, а зоны стандартизированы, чтобы избавиться от решений собственных стандартов.
Удвоенная пропускная способность
SAS 2.0 удваивает пропускную способность на порт с 3 до 6 Гбит/с. То есть для четырёхканальных подключений она увеличивается с 1,2 Гбайт/с до 2,4 Гбайт/с. Поскольку HBA-контроллеры SAS обычно предоставляют восемь портов, организованных в виде двух четырёхканальных подключений, то эффективная максимальная пропускная способность на контроллер составляет 4,8 Гбайт/с.
В таком случае интерфейс PCI Express 1.1 может стать “узким местом”, поскольку популярное подключение через x8 линий даёт всего 2,0 Гбайт/с (250 Мбайт/с на линию в каждую сторону). В результате все грядущие контроллеры SAS 2.0 будут использовать интерфейс PCI Express 2.0, удваивая пропускную способность восьми линий до 4,0 Гбайт/с в каждом направлении.
Новые функции SAS 2.0: кабели, разъёмы и цена
Длина кабеля 10 метров
Если стандарт SAS 1.1 на 3 Гбит/с уже поддерживает длину кабеля до 8 метров, то SAS 2.0 на 6 Гбит/с и дальше увеличивает её до 10 метров. Может показаться небольшим приростом, но центры хранения данных явно выиграют. Чтобы обеспечить надёжную передачу был добавлен протокол Decision Feedback Equalization (DFE). Он снижает межсимвольные помехи и обеспечивает высокий уровень сигнала на большем расстоянии.
Нажмите на картинку для увеличения.
Интерфейсы MiniSAS 4X
Нажмите на картинку для увеличения.
Дни разъёмов InfiniBand с приходом SAS 6 Гбит/с сочтены.
Нажмите на картинку для увеличения.
SAS 6 Гбит/с требует использования разъёмов mini-SAS, также известных как iPass. Mini-SAS также работают с подключениями 3 Гбит/с, разъёмы довольно широко используются во многих хранилищах.
Spread Spectrum Clocking
Изменение тактовых частот позволяет снизить помехи, чтобы стандарт SAS оставался в пределах ограничений FCC. Если используется более широкий диапазон частот, то пиковая амплитуда излучения падает. Данная технология используется в поколении SAS 6 Гбит/с, но не в старом SAS 3 Гбит/с.
Цена
В следующей таблице разделяются популярные технологии хранилищ для бизнеса и корпоративной сферы.
Производительность | Низкая цена | Большая дальность | |
Fibre Channel 4 и 8 Гбит/с | Да | – | – |
iSCSI через Gigabit Ethernet | – | Да | Да |
iSCSI через 10 Gigabit Ethernet | Да | – | Да |
SAS 1.1 и 2.0 (3 и 6 Гбит/с) | Да | Да | – |
Источник: SCSI-TA.
SCSI Trade Association считает, что SAS будет существовать вместе с технологиями Fibre Channel и iSCSI, но SAS явно их превосходит в недорогих внешних решениях.
Контроллеры SAS 6 Гбит/с: первой на рынок вышла LSI
MegaRAID 9260-8i
Мы получили два SAS-контроллера от LSI. Первым стал MegaRAID 9260-8i, RAID-контроллер с восемью внутренними портами, интерфейсом x8 PCIe 2.0 и движком XOR для ускорения операций RAID. Вторая карта 9210-8i обладала такими же спецификациями, но с более простым функционалом.
Нажмите на картинку для увеличения.
Линейка LSI 9200 была объявлена 28 июля 2009, однако на момент публикации контроллер 9210-8i ещё не поступил в розницу (однако 9260-8i уже продавался). Всю дополнительную техническую информацию о контроллерах 9260/9280 (внутренний/внешний) можно
Мы установили два контролера в нашу эталонную тестовую систему, после чего подключили к ним 16 SSD-накопителей Intel X25-E, чтобы
LSI использует 800-МГц процессор PowerPC, а также 512 Мбайт кэш-памяти DDR2-800, что позволяет выжать максимальную производительность передачи данных через интерфейс x8 PCIe 2.0. Производитель указывает максимальную пропускную способность каждого контроллера 2875 Мбайт/с для чтения и 1800 Мбайт/с для записи.
Резервный аккумулятор опционален, но помните, что он снижает максимальную допустимую рабочую температуру с 60°C до 44,5°C, а этот уровень можно быстро достигнуть в высокопроизводительных серверах или в случае ухудшения системы кондиционирования.
MegaRAID 9210-8i
Нажмите на картинку для увеличения.
Второй контроллер LSI 6 Гбит/с 9210-8i зависит от процессора host-системы, поскольку не имеет специализированного XOR-процессора. Перед нами простой контроллер RAID 0/1/0+1, который всё же смог дать более высокую пропускную способность на наших 16 SSD Intel X25-E. Впрочем, его производительность ввода/вывода меняется в зависимости от производительности CPU.
К сожалению, карта 9210-8i не была упомянута на сайте LSI когда мы готовили статью, поэтому мы не можем многое о ней рассказать за исключением того, что она тоже использует интерфейс x8 PCI Express 2.0 и оснащена восемью внутренними портами, распределёнными на два разъёма mini-SAS.
Другие контроллеры SAS 6 Гбит/с пока ещё не поступили в нашу тестовую лабораторию, хотя мы знаем, что компании Adaptec, Areca, Atto и другие над ними работают.
Жёсткие диски SAS: Seagate в лидерах
Ситуация с продуктами очень похожа и со стороны жёстких дисков. Мы получили всего несколько накопителей SAS 6 Гбит/с от Seagate и один от Hitachi. Остальные компании ещё не выслали в нашу лабораторию накопители SAS на 6 Гбит/с, но мы знаем, что Fujitsu вскоре представит свою продукцию. В рамках данной статьи мы приведём важные характеристики производительности каждого накопителя, но полные результаты появятся в нашей финальной статье, посвящённой тестам жёстких дисков корпоративного уровня.
Hitachi Ultrastar C10K300
Нажмите на картинку для увеличения.
Hitachi Ultrastar C10K300 имеет скорость вращения 10 000 об/мин, форм-фактор 2,5″ и интерфейс SAS 6 Гбит/с. Сегодня это самый быстрый накопитель по пиковой пропускной способности, которая составила 341 Мбайт/с благодаря 64 Мбайт кэш-памяти. Он неплохо показал себя и в наших тестах последовательной пропускной способности, превзойдя уровень 140 Мбайт/с. На сегодня доступны ёмкости 147 и 300 Гбайт.
Savvio 15K.2 (147, 73GB)
Нажмите на картинку для увеличения.
Поскольку 2,5″ форм-фактор становится всё популярнее из-за более высокой плотности хранения данных, Seagate сделала акцент на своей корпоративной линейке 2,5″ винчестеров Savvio. Savvio 15K.2 со скоростью вращения шпинделя 15 000 об/мин оснащён интерфейсом SAS 6 Гбит/с.
Доступны варианты ёмкости на 73 и 147 Гбайт, оба оснащаются кэшем на 16 Мбайт. Время поиска при чтении/записи от 3,2 до 3,5 мс можно назвать очень низким. Это даёт впечатляющее среднее время доступа чтения 5,0 мс, при этом пропускная способность интерфейса поднимается до 307 Мбайт/с. Наш тест h2benchw показал максимальную последовательную пропускную способность на уровне 160 Мбайт/с, что для 2,5″ винчестера впечатляет.
Savvio 10K.3 (300, 146GB)
Нажмите на картинку для увеличения.
Savvio 10K.3 является новинкой в 2,5″ линейке Seagate со скоростью вращения шпинделя 10 000 об/мин. Он очень близко подходит к Hitachi C10K300 по пропускной способности, хотя и немного отстаёт: 130 против 140 Мбайт/с. Доступны ёмкости на 300 и 146 Гбайт. Если у Hitachi используется 64 Мбайт кэш-памяти, то Seagate решила ограничиться всего 16 Мбайт. Savvio 10K.3 – не самый быстрый накопитель по производительности ввода/вывода, зато один из самых эффективных.
Cheetah 15K.7 (600, 450, 300GB)
Нажмите на картинку для увеличения.
Cheetah 15K.7 является топовой моделью Seagate по производительности для корпоративной сферы, обеспечивая впечатляющую пропускную способность 200 Мбайт/с и время доступа, которое находится практически на уровне 2,5″ жёстких дисков на 15 000 об/мин. Если вам нужна большая ёмкость, то вы будете рады узнать, что 3,5″ 15K.7 доступен в вариантах на 300, 450 и 600 Гбайт. Опять же, жёсткие диски оснащаются всего 16 Мбайт кэш-памяти, но это не сильно портит картину производительности Cheetah 15K.7.
Cheetah NS.2 10K (600, 450, 300GB)
Нажмите на картинку для увеличения.
Наконец, Cheetah NS.2 10K является 3,5″ жёстким диском на 10 000 об/мин для высокоэффективных и ёмких применений.
Доступны модели на 600 и 450 Гбайт, обе оснащаются кэш-памятью на 16 Мбайт и интерфейсом SATA на 6 Гбит/с. Заявления об экономичности имеют под собой основу, поскольку перед нами один из самых холодных жёстких дисков корпоративного уровня, которые когда-либо поступали в нашу лабораторию. Максимальная пропускная способность 160 Мбайт/с впечатляет, да и производительность ввода/вывода довольно высока, несмотря на акцент жёсткого диска на эффективности.
Тестовая конфигурация
Системное аппаратное обеспечение | |
CPU | Intel Core i7 920 (45 нм, 2,66 ГГц, кэш L2 8 Мбайт) |
Материнская плата (LGA 1366) | Supermicro X8SAX, Rev. 1.0, чипсет: Intel X58 + ICH10R, BIOS: 1.0B |
Память | 3 x 1 Гбайт DDR3-1333 Corsair CM3X1024-1333C9DHX |
Системный HDD | Seagate NL35, 400 Гбайт (ST3400832NS) 7200 об/мин, SATA/150, кэш 8 Мбайт |
Блок питания | OCZ EliteXstream 800 ВТ, OCZ800EXS-EU |
Тесты | |
Измерение производительности | h2benchw 3.12 PCMark Vantage 1.0 |
Производительность ввода/вывода | IOMeter 2006.07.27 Fileserver-Benchmark Webserver-Benchmark Database-Benchmark Workstation-Benchmark |
Измерение пропускной способности | IOMeter Streaming Read Test IOMeter Streaming Write Test |
Системное программное обеспечение и драйверы | |
Операционная система | Windows Vista Ultimate SP1 |
Драйверы чипсета Intel | Chipset Installation Utility 9.1.0.1007 |
Видеокарта AMD | Catalyst 8. 12 |
Драйверы подсистемы хранения Intel | Matrix Storage 8.7.0.1007 |
Результаты некоторых тестов
Заключение
SAS 6 Гбит/с знаменует вполне логичную и желанную эволюцию архитектуры SAS. Новая версия упрощает управление хранилищами со сложными конфигурациями, при этом скорость отдельных подключений увеличилась с 3 до 6 Гбит/с.
Вероятно, прирост производительности можно назвать основной причиной перехода на SAS 2.0, хотя мы бы хотели подчеркнуть, что второе поколение SAS значительно продвинулось по функциональности. Разделение по зонам и внешние кабели теперь стали стандартом, что позволило избавиться от путаницы предыдущих собственных решений производителей. SAS 6 Гбит/с сегодня является реальным конкурентом решениям Fibre Channel, причём даже в довольно сложных корпоративных сценариях среднего уровня.
Когда 6 Гбит/с не имеют значения?
Преимущества по производительности очень красиво смотрятся на бумаге, но следует помнить, что данное поколение SAS даёт прирост скорости только в хранилищах с экспандерами и оснастками, где необходимо обращаться к большому числу накопителей через относительно узкие пути передачи данных. Даже самые быстрые накопители SAS 6 Гбит/с Seagate Cheetah 15K.7 всё ещё ограничены максимальной последовательной пропускной способностью 200 Мбайт/с при работе в конфигурациях с одним винчестером.
Для такой скорости вполне достаточно и старого стандарта SAS 1.1 на 3 Гбит/с (300 Мбайт/с). Нам нужно подождать ещё пару поколений жёстких дисков, чтобы один накопитель смог превзойти пропускную способность 3 Гбит/с. Поэтому сегодня вряд ли есть преимущества перехода на 6 Гбит/с в системах, где работают отдельные жёсткие диски или небольшие RAID-массивы. Вы просто не получите заметного преимущества.
Истинная ценность SAS 6 Гбит/с
Впрочем, ситуация быстро меняется, стоит только перейти на хранилища SAS. Без “широких” портов суммарная пропускная способность многих накопителей быстро упрётся в обычное подключение SAS. Мы использовали 16 SSD, пытаясь нагрузить пропускную способность контроллеров новой линейки LSI 9200, но представьте, что бы случилось, если бы мы подключили 20, 30 или даже 50 накопителей через экспандеры и соответствующие оснастки. Тогда интерфейс SAS стал бы “узким местом”.
SAS 6 Гбит/с = доступная магистраль для виртуализации
Также примите во внимание и сценарий SAN. В окружениях, где хранилища работают независимо от тех или иных серверов (через SAS или iSCSI), скорость доступа к хранилищу очень важна. В корпоративных сферах используются мощные инфраструктуры хранения данных для работы с виртуализированным системным окружением, чтобы можно было переносить активные системные разделы с одного сервера на другой. iSCSI по Gigabit Ethernet остаётся “узким местом”, и хотя SAN переходят на окружения 10 GbE (или на Fibre Channel), SAS 2.0 станет прекрасной возможностью для удвоения пропускной способности подключений без особых дополнительных расходов.
Всем, кто принимает решения в сфере решений хранения данных, следует потратить время на ознакомление с SAS 6 Гбит/с. Подобная инфраструктура может оказаться интереснее решений на основе SATA или более дорогих Fibre Channel.