Перспективы интерфейса SAS в системах хранения данных

Андрей Тюшкин,
технический директор
tyushkin@mcsc.ru
Яна Малькевич,
менеджер по маркетингу
malkevitch@mcsc.ru

компания МКСК

В последнее время отрасль систем хранения данных (СХД) претерпевает значительные изменения, связанные с модернизацией устройств, обеспечивающих обработку и хранение информации. Улучшение качественных характеристик СХД – это результат активной разработки новых аппаратных интерфейсов. В свою очередь, развитие интерфейсов и перспективы их применения в проектировании систем хранения данных во многом зависят от целого ряда требований, предъявляемых к современным СХД: это высокая производительность, надежность и масштабируемость, возможность передачи информации на определенное расстояние, а также удобство эксплуатации и обслуживания оборудования.

Параллельные миры

С начала 80-х гг. прошлого столетия технологии параллельной передачи информации получили широкое распространение при проектировании высокопроизводительных серверов и систем хранения данных. Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface), разработанный более 20 лет назад, стал первой интеллектуальной системной шиной, обеспечивающей высокую скорость передачи данных и совместное функционирование разнообразных периферийных устройств. SCSI позволяет создавать масштабируемые СХД, подключая к одному контроллеру до 15 как внешних, так и внутренних устройств, работающих под управлением различных ОС. При этом одно периферийное устройство может предоставлять свои ресурсы сразу нескольким серверам, подключенным к общей шине SCSI.

Для поддержки работы дисковых накопителей ПК в 1986 г. была разработана спецификация интерфейса IDE/ATA (AT Attachment), призванного стать недорогой альтернативой SCSI. Особенность интерфейса ATA – реализация большей части функций контроллера непосредственно в самом накопителе, что существенно упрощает хост-адаптеры и снижает стоимость оборудования. Благодаря невысокой цене устройств, простоте их установки и эксплуатации интерфейс ATA получил широкое распространение в персональных компьютерах и недорогих системах хранения данных начального уровня.

Несмотря на популярность параллельных интерфейсов, оба они, как SCSI, так и ATA, имеют целый ряд ограничений, связанных с архитектурными особенностями, и, как следствие, не отвечают всем требованиям современных приложений. В частности, задержки в передаче сигналов и их взаимное влияние, зависимость скорости передачи информации от качества кабелей и разъемов, необходимость терминации шины и ограниченное число устройств, подключаемых к контроллеру, не позволяют достичь высокой производительности систем хранения данных.

"Продвинутые" интерфейсы

Поставив перед собой задачу преодолеть ограничения, характерные для параллельных
интерфейсов, ведущие мировые производители серверов и СХД объединили свои усилия
с целью создать новый интерфейс, лишенный большинства недостатков SCSI. В результате
в 1994 г. Американский национальный институт по стандартизации (ANSI, http://www.ansi.org)
утвердил интерфейс, получивший название Fibre Channel (FC). На сегодняшний день
последовательный интерфейс FC отличается высокой скоростью передачи данных (до
4 Гбит/с) и поддерживает соединение серверов и СХД на расстоянии до 100 км.
Кроме того, FC широко применяется при проектировании высокоскоростных сетей
хранения данных (SAN). Использование этого интерфейса позволяет также создавать
отказоустойчивые СХД, бесперебойное функционирование которых достигается за
счет построения географически распределенных систем и резервирования каналов
передачи информации.

Основной недостаток интерфейса Fibre Channel – довольно высокая стоимость решений на его базе, что делает неэффективным и экономически нецелесообразным его применение при проектировании решений начального уровня. Последовательный интерфейс Serial ATA (SATA), спецификация которого была выпущена в 2001 г., в значительной мере снял эти ограничения. На сегодняшний день пропускная способность шины SATA достигает 1,5 Гбит/с, и уже в самое ближайшее время ожидается появление на рынке устройств со скоростью 3 Гбит/с. Следует особо отметить, что, в отличие от АТА, последовательный интерфейс SATA поддерживает горячую замену устройств, а RAID-контроллеры на базе SATA вполне могут конкурировать с недорогими массивами SCSI.

Тем не менее, несмотря на очевидные преимущества, интерфейс SATA не поддерживает ряд функций, имеющих большое значение для систем хранения данных. Прежде всего речь идет о последовательном включении и раскручивании дисков в массиве. При использовании шины SATA происходит одновременный старт всех накопителей, что может привести к перегрузке в цепях питания (отчасти эту проблему удалось решить во второй версии интерфейса SATA). Кроме того, SATA не поддерживает очередь команд, что негативно сказывается на производительности приложений, связанных с большим количеством операций ввода-вывода. Очередь команд NCQ была включена в спецификацию SATA II, однако длина ее невелика. Наконец, в случае SATA устройства работают с контроллером по принципу "точка-точка", что не позволяет создавать сети хранения данных. Таким образом, применение SATA наиболее эффективно в недорогих серверах, рабочих станциях и ПК, где упомянутые выше недостатки непринципиальны.

SAS: основные характеристики и преимущества

Сочетание таких достоинств интерфейса SATA, как производительность и относительно невысокая стоимость устройств, часто противопоставляют функциональным возможностям параллельного интерфейса SCSI. Чтобы совместить эти характеристики, разработчики были вынуждены приступить к созданию последовательного интерфейса, призванного заменить шину SCSI. Итогом технологических исследований, продолжавшихся в течение трех лет, стало появление на рынке нового интерфейса (его спецификация была утверждена в начале 2003 г.), получившего название Serial Attached SCSI (SAS). Сочетание надежности и функциональности, характерных для SCSI, с производительностью, обеспечиваемой последовательными интерфейсами, делает SAS оптимальным выбором при создании устройств, максимально удовлетворяющих требованиям современных серверов и систем хранения данных любого уровня.

Производительность

Пропускная способность первого поколения SAS составляет 3 Гбит/с. В дальнейшем производительность шины планируется увеличить до 12 Гбит/с, что в полной мере соответствует темпам развития ИТ-индустрии. Кроме того, характерное для SAS полнодуплексное соединение "точка-точка" обеспечивает одновременное функционирование нескольких устройств, как инициирующих обмен данными ("инициаторы"), так и реализующих этот процесс ("исполнители"). Устройства могут передавать информацию сразу в двух направлениях, что позволяет более эффективно использовать пропускную способность шины. Кроме того, широкие порты (рис. 1), применяемые в SAS, делают возможным объединение до восьми SAS- или SATA-каналов, благодаря чему скорость передачи данных может быть увеличена до 24 Гбит/с.

Рис. 1. Типы портов SAS.

В отличие от 68-проводного плоского кабеля, используемого для подключения SCSI-дисков, новый четырехпроводной кабель длиной до 8 м упрощает соединительные разъемы, обеспечивающие горячее подключение устройств SAS. Компактный дизайн кабелей не мешает прохождению воздушных потоков в корпусах СХД и серверов, что позволяет оптимизировать систему охлаждения.

Гибкость

Возможность одновременного подключения разных типов дисков к СХД – одно из наиболее значимых свойств интерфейса SAS. Несмотря на то что разные типы накопителей обычно рассчитаны на определенные классы приложений, большинство корпоративных пользователей используют как SAS-, так и SATA-диски. Дизайн объединительных плат (backplane) и протокол интерфейса SAS позволяют одновременно применять в одной системе и SAS-, и SATA-приводы, что снижает стоимость систем хранения данных и значительно упрощает их проектирование.

SATA-диски, разработанные для применения в недорогих массивах хранения большого объема данных, имеют невысокую скорость вращения шпинделя (как правило, 7200 об./мин), относительно небольшое среднее время наработки на отказ (MTBF) и низкую цену. Таким образом, их применение экономически оправданно для работы с приложениями, не требующими большого количества транзакций и высокой доступности данных.

SAS-диски, напротив, проектировались с целью обеспечить высокую производительность и надежность систем хранения данных. Этот тип дисков отличается большей скоростью вращения шпинделя (10-15 тыс. об./мин), а также наличием функции компенсации вращательных вибраций, что обеспечивает целостность данных и более высокий уровень надежности работы системы в целом.

Учитывая, что сигналы разъема SATA представляют собой подмножество SAS-сигналов, а включенный в SAS протокол SATA Tunneled Protocol (STP) передает на SATA-устройства команды SATA, устройства на базе интерфейса SATA полностью совместимы с SAS-контроллерами.

Как правило, установка или модернизация SATA- или SAS-дисков в одной системе проводится путем замены одного типа дисков другим, так как объединительная плата SAS позволяет работать с устройствами на базе обоих интерфейсов. В то же время к объединительной плате SATA допустимо подключать только устройства SATA. Поэтому для большей гибкости и универсальности системы рекомендуется изначально использовать объединительные платы с SAS-интерфейсом.

Обратная совместимость шины SAS с предыдущими поколениями интерфейса SCSI с точки зрения ПО позволяет без особых усилий интегрировать существующие компоненты (контроллеры и дисковые накопители) во вновь создаваемую SAS-инфраструктуру, не требуя затрат на обучение персонала и изменения уже применяемого ПО.

Масштабируемость

По сравнению с параллельными шинами интерфейс SAS обладает более широкими возможностями для масштабирования. При построении систем хранения данных на базе параллельного интерфейса SCSI все устройства подключаются непосредственно к одной шине. Увеличение числа шин за счет добавления дополнительных контроллеров не способно значительно улучшить показатели масштабируемости системы. В отличие от параллельных интерфейсов, в случае SAS можно применять специальные модули расширения (рис. 2), упрощающие проектирование масштабируемых внешних СХД и позволяющие создавать гибкие топологии для хранения и обработки информации, способные поддерживать работу до 16 256 накопителей на базе интерфейсов SAS и SATA.

Рис. 2. Топология систем на базе SAS с модулями расширения.

Надежность

На протяжении долгого времени при построении крупных вычислительных систем на базе параллельных интерфейсов использовалось множество контроллеров, обеспечивающих доступ серверов и рабочих станций к дисковым ресурсам, что позволяло добиться непрерывной передачи данных даже в случае выхода из строя одного из контроллеров. Тем не менее подобная схема имеет существенный недостаток – наличие единой точки отказа, которая способна заблокировать доступ к любому устройству, подключенному к параллельной шине. В свою очередь, спроектировать систему, не имеющую ни единой точки отказа, можно при помощи устройств SAS, имеющих два порта.

Надежность СХД на базе интерфейса SAS обеспечивается также за счет использования модулей расширения, позволяющих подключать устройства к большому количеству контроллеров, которые поддерживают взаимодействие различных устройств. При этом "исполнители" могут получать команды по одному каналу, в то время как данные передаются по другому, что увеличивает отказоустойчивость системы.

Возможность SAS использовать модули расширения, способные поддерживать как двухпортовые дисковые накопители SAS, так и диски SATA с мультиплексорами (двухпортовыми адаптерами), в значительной мере облегчает создание высоконадежных систем (рис. 3). Появление в будущем двухпортовых SAS-дисков форм-фактора 2,5 дюйма в дополнение к стандартным 3,5-дюйм дискам позволит создавать отказоустойчивые системы, обладающие высокой плотностью вычислительных ресурсов, а также проектировать многоузловые кластеры для повышения надежности работы приложений или балансировки нагрузки.

Применение SAS при проектировании СХД

В числе первых компаний, представивших на рынке компоненты для систем хранения данных на базе SAS, были LSI Logic, выпустившая контроллер LSI Logic SAS3442X, и американская корпорация Adaptec, объявившая осенью этого года о начале продаж восьмипортового контроллера Adaptec Serial Attached SCSI 48300. Контроллеры имеют SAS-порты, работающие со скоростью до 300 Мбайт/с, благодаря использованию шины PCI-X/133 МГц с пропускной способностью до 1056 Мбайт/с. Adaptec 48300 имеет встроенную технологию HostRAID, благодаря которой можно создавать массивы RAID 0 и RAID 1, что позволяет увеличить производительность и надежность хранения информации. Поскольку контроллер способен работать как с SAS-, так и с SATA-дисками, устройства Adaptec 48300 будут оптимальны для недорогих серверов и рабочих станций.

Учитывая темпы развития ИТ-индустрии, можно в скором времени ожидать появления на рынке систем хранения данных на базе компонентов SAS. Так, например, SAS RAID-контроллер в сочетании с SAS- или SATA-дисками может использоваться для проектирования высокопроизводительной дисковой подсистемы, применяемой в серверах и/или рабочих станциях. Такое решение идеально подходит для работы с приложениями, требующими постоянной доступности данных: программами CAD/CAM/CAE, небольшими базами данных, а также с ПО для аудио- и видеомонтажа и редактирования.

Благодаря более высокой (по сравнению со SCSI) масштабируемости интерфейс SAS позволяет создавать легкорасширяемые СХД, обеспечивающие высокую производительность и доступность данных. Используя SAS RAID-контроллер с поддержкой RAID уровней 0, 1, 5, 6, 10, 50 и внешний дисковый модуль с возможностью каскадирования для масштабирования системы, можно проектировать СХД, удовлетворяющие требованиям центров хранения данных, корпоративных баз данных и других приложений.

Интерфейс SAS способен также выступать в качестве альтернативы Fibre Channel при построении кластерных решений. В результате применения SAS пользователи СХД получат высокопроизводительную систему без единой точки отказа с высоким уровнем доступности данных. В данном случае узлы кластера используют в качестве общего дискового ресурса внешний дисковый модуль, позволяющий применять как SAS-, так и SATA-накопители. Такой подход делает возможным использование систем на базе SAS как основных хранилищ данных в высокопроизводительных корпоративных кластерных решениях.

Рис. 3. Построение отказоустойчивых решений с применением интерфейса SAS.

Заключение

Очевидно, что полный переход к использованию технологии SAS не произойдет мгновенно – SAS будет постепенно проникать в ИТ-инфраструктуру предприятий, шаг за шагом вытесняя уже существующие интерфейсы. В обозримом будущем наряду с SAS будут по-прежнему применяться интерфейсы SCSI и Fibre Channel, при этом в ряде случаев использование SCSI и FC будет даже более оправданным.

В организациях, уже использующих СХД на базе Fibre Channel, переход на новый интерфейс SAS, с тем чтобы увеличить гибкость системы за счет применения дисковых накопителей различных типов, может происходить постепенно. Сетевые возможности Fibre Channel позволяют легко масштабировать и развивать весь комплекс аппаратных средств, отвечающих за хранение и обработку информации. В то же время создание комбинированных решений на базе интерфейсов FC и iSCSI для подключения к SAN позволит интегрировать SAS в существующие сети хранения данных.

В отличие от компаний, использующих Fibre Channel, тем предприятиям, которые применяют в СХД устройства на базе параллельного интерфейса SCSI и стремятся сохранить эту инфраструктуру, имеет смысл не спешить переходить на SAS-решения и еще некоторое время работать с интерфейсом SCSI. Для тех же компаний, которые готовы приступить к использованию нового стандарта, внедрение системы хранения данных на базе SAS в ряде ситуаций будет наиболее оправданным. Прежде всего речь идет об унификации компонентов вычислительного центра и стандартизации типов используемых дисков в серверах и системах хранения данных. Интерфейс SAS идеально подойдет также предприятиям, которым необходимы высокопроизводительные, надежные решения, отличающиеся хорошим балансом стоимости и функциональных возможностей. Наконец, внедрение системы на базе SAS может оказаться выгодным для компаний, стремящихся к снижению совокупной стоимости владения СХД.

Хотя переход от параллельного интерфейса SCSI и технологии Fibre Channel к SAS только начался, аналитики придерживаются мнения, что уже к середине 2006 г. SAS станет наиболее быстроразвивающейся технологией для подсистем хранения данных. Учитывая функциональные преимущества SAS, можно уже сейчас с уверенностью говорить о том, что использование этого интерфейса при проектировании СХД расширит возможности устройств хранения информации и позволит удовлетворить широкий спектр требований различных уровней: от предприятий малого и среднего бизнеса до крупных корпораций.