SAS против SCSI

Введение

Более двадцати лет назад необходимость привела к появлению инновационного интерфейса, получившего всеобщее признание: параллельный SCSI. Конечно, авторы стандарта параллельного SCSI хорошо понимали преимущества последовательного интерфейса, вытекающие из его простоты и более подходящей архитектуры. К сожалению, последовательные технологии, существовавшие двадцать лет назад, были очень медленными и подходили больше для требований периферийных устройств (таких, как клавиатуры или «мыши»), но не для перемещения много мегабайтных файлов на устройствах хранения. Таким образом, выбор был сделан в пользу параллельного SCSI (и его «настольного» двойника – параллельного ATA); не потому, что параллельный Интерфейс в принципе предпочтительней, а просто потому, что, в то время это было лучшим выбором, вследствие ограничений существовавших технологий. Суть идеи была достаточно проста: чтобы обойти ограничение производительности одиночного пути передачи сигнала (байты посылаются последовательно, один за другим), нужно добавить больше проводников сигнала, чтобы несколько бит байта передавались одновременно (или параллельно), каждый по своему отдельному проводнику. Напрашивается аналогия с восьми полосным шоссе, которое в состоянии пропустить гораздо больше автомобилей, чем одно полосное. Конечно же, практическая реализация теории параллельного интерфейса оказалась достаточно сложным делом, требующим решения многих технологических проблем. Несмотря на это, остается фактом, что для своего времени и для своих целей, параллельный SCSI был важнейшим достижением в интерфейсных технологиях. Но, времена меняются...

2004 год: точка перелома

За двадцать последних лет технологии радикально изменились. Увеличение скорости процессоров (в 2000 раз), размера оперативной памяти (в 1000 раз) и скорости оперативной памяти (в 2000 раз), привели к увеличению производительности вычислительных систем до величин немыслимых даже несколько лет назад, не говоря уж о двух десятилетиях. Но один из аспектов производительности вычислительных систем претерпел значительно меньшие изменения: производительность параллельного SCSI. Конечно же, заметные достижения в увеличении плотности записи, привели к экспоненциальному росту емкости дисков (в 3600 раз), но скорость передачи данных по параллельному SCSI увеличилась только в 32 раза. И это увеличение далось не без труда, вследствие врожденных ограничений параллельной архитектуры с разделяемой шиной. В то время как параллельный SCSI почти достиг своего практического предела, последовательный Интерфейс получил новый толчок в развитии вследствие прорыва в технологиях Very Large Scale Integration (VLSI) и высокоскоростных последовательных приемников. Технология параллельного SCSI достигли предела, который не позволяет развивать его дальше, в то же время потенциал последовательных интерфейсов уже сейчас обеспечивает заметные преимущества в производительности и масштабируемости. Чтобы лучше понять специфические проблемы параллельного SCSI и соответствующие преимущества Serial Attached SCSI (SAS) (последовательно подключаемый SCSI) можно отобразить их в форме следующей таблицы. Переход от параллельного SCSI к Serial Attached SCSI (SAS)

Параллельный SCSI: Искусство компромиссов

Те же самые элементы, которые изначально служили развитию параллельного SCSI (несколько проводников для данных для увеличения пропускной способности, разделяемая шина для упрощения подключения нескольких устройств), постепенно стали тяжелыми препятствиями на пути его развития. За эти годы, манипулируя различными параметрами (например, увеличивая частоту шины и снижая длину кабеля), удавалось обходить врожденные ограничения, но теперь его недостатки становятся все более и более очевидными.

Skew (временное отклонение)

Skew может быть определено как временная задержка между первым и последним битом приходящим на приемник. Параллельный SCSI передает данные как ряд параллельных битов, а Skew нарушает их взаимосвязь. Поскольку, в ответ на требование увеличения пропускной способности шины, увеличивается частота ее работы, временной фрейм, в течение которого биты должны доходить до приемника уменьшается. Предотвращение Skew ошибок, таким образом, становится все более и более трудным. Не важные на первый взгляд детали, например не одинаковые длины проводников в кабеле, или качество подключения разъемов, оказывают существенное влияние на время прохождения битом расстояния до приемника.

Crosstalk (взаимное влияние, интерференция)

Crosstalk возникает в процессе передачи данных по проводнику. Электрический сигнал вызывает высокочастотное электромагнитное излучение (EMI), которое влияет на соседние проводники, искажая в них сигнал. Чем быстрее передаются данные, тем выше уровень EMI. Параллельные кабели SCSI особенно восприимчивы к перекрестной связи, учитывая непосредственную близость очень многих проводников (каждый из которых и излучает EMI и получает его от соседей). Существенное искажение и последовательная потеря целостности данных могут произойти, если EMI остается непогашенным. Эффективные решения включают замедление скорости сигнала и сокращения кабельной длины, но и то и другое является, очевидно, нежелательным. Применение технологии витой пары в кабелях оказалось достаточно эффективным решением, хотя и за счет их удорожания.

Bus Arbitration and Latency (арбитраж шины и задержки)

Разделяемая шина параллельного SCSI позволяет одновременный доступ не более чем 2-х устройств (например, SCSI контроллер и диск). Таким образом все устройства подключенные к шине должны пройти относительно сложную и долгую процедуру идентификации, которая основана в первую очередь на SCSI ID (более продвинутые алгоритмы используют дополнительные критерии). Хотя арбитраж гарантирует большую надежность и целостность данных, это также ухудшает работу; чем больше устройств подключено к шине, тем больше время ожидания доступа к шине для каждого устройства. И, конечно же, чем больше происходит процедур арбитража, тем меньше времени остается для собственно передачи данных. Ultra320 SCSI использует пакетизацию и алгоритм Quick Arbitration and Selection (QAS) для уменьшения влияния арбитража, но полностью устранить эту проблему не удается.

Ограниченное масштабирование

Теоретически параллельный SCSI позволяет подключать до 15-ти устройств на 16-битной шине и до 7-ми на 8-битной (в обоих случаях один из адресов занимает сам SCSI контроллер). На практике же, архитектура разделяемой шины приводит к прогрессирующему снижению доступности шины по мере увеличения, количества подключенных устройств (см. предыдущий раздел). Таким образом актуальное количество устройств, которое может быть подключено к одной шине при сохранении приемлемой производительности оказывается значительно ниже.

Несовместимость с другими интерфейсами

В те времена, когда разрабатывались стандарты параллельных SCSI и ATA, понятия совместимость просто не существовало. Назначение этих двух интерфейсов принципиально отличалось, и никто не предполагал, что когда-нибудь возникнет необходимость их совместного использования в рамках общей системы. С одной стороны был SCSI, предназначенный для корпоративных систем, с другой – ATA, оптимизированный для использования в настольных системах. Два десятилетия спустя, применение устройств настольного класса (сначала P-ATA, потом S-ATA) в системах хранения начального уровня, стало общей практикой. Несовместимость параллельного SCSI с этими популярными типами устройств приводит к дополнительным затратам на поддержку эксклюзивных интерфейсов.

Дороговизна кабелей

Ранее стандарт SCSI допускал только кабели небольшой длинны (6 метров для SCSI-1, с уменьшением до 3-х при увеличении частоты шины). Появление стандарта LVD (см. «Архитектура точка-точка ниже) увеличило максимальную длину SCSI кабеля до 12-ти метров. Но это повлекло за собой и их удорожание. При производстве менее дорогих кабелей часто используются дешевые материалы и упрошенные технологии, что приводит к нарушениям в работе шины.

Большие кабели и разъемы

Громоздкие кабели и разъемы параллельного SCSI загромождают внутреннее пространство вычислительных систем, препятствуют правильному потоку охлаждения и не могут быть использованы с устройствами маленького (2,5”) формата.

Не поддерживает «горячего» подключения *

Параллельное SCSI устройство может быть подключено/отключено к/от шине только, когда на ней нет активности, другими словами – требует выключения всей системы. * Справедливо только для устройств с разъемом 68 пин, для решения этой проблемы (и некоторых других) были созданы устройства с 80 пиновыми (SCA) разъемами.

Ручное назначение ID устройства SCSI ID **

Для того, чтобы SCSI контроллер распознал и смог связаться со SCSI устройствами на шине, каждому из них нужно вручную* присвоить уникальный номер (SCSI ID) от 0 до 7 для 8-ми битной шины, или от 0 до 15 для 16-ти битной. Этот номер может не соответствовать физическому порядку устройства на шине. Добавление на шину устройства с дублирующимся номером приведет к конфликту адресов. Такой конфликт, чаще всего, проявляется в нестабильной работе, падении производительности, либо даже потере данных. ** Справедливо только для устройств с разъемом 68 пин, для решения этой проблемы (и некоторых других) были созданы устройства с 80 пиновыми (SCA) разъемами.

Терминирование

Первое и последнее устройство (независимо от его SCSI ID) на шине параллельного SCSI должно быть терминировано, для того чтобы обеспечить поглощение пришедшего на него сигнала (не допустить его отражения обратно). Чаще всего с одной стороны шины роль такого терминатора выполняет SCSI контроллер, а с другой специальное устройство, так и называющееся – SCSI терминатор. Неправильное терминирование шины приводит к сбоям в ее работе и потерям данных. В случае, когда используются устроийства с 80 пиновыми (SCA) разъемами, терминатор, как правило встроен в дисковую корзину.

Serial Attached SCSI (SAS)

SAS имеет ясную перспективу в достижении выдающейся производительности, масштабируемости и гибкости. Ее «точка-точка» (PtP) архитектура является более простой и разумной, чем у ее параллельного предшественника, при этом обеспечивая более высокую пропускную способность (июль 2006 г. – 3 Гбит/с, 2010 год - 6 Гбит/с (SAS 6Gb/s) с дальнейшим увеличением до 12 Гбит/с) и масштабируемость. Кроме того он обеспечивает простую совместимость с устройствами S-ATA, что позволяет легко комбинировать SAS и S-ATA устройства в соответствии со своими задачами.

PtP (точка-точка) архитектура

Изящная простота архитектуры SAS приносит многочисленные дивиденды. Конечно же последовательная передача данных означает что больше нет проблемы Skew. Биты просто передаются и получаются один за другим в правильном порядке и в правильное время. Кроме того, PtP архитектура подразумевает, что для каждого подключенного устройства существует свой отдельный канал, что позволяет обойтись без задержек связанных с арбитражем на общей шине. PtP архитектура SAS обладает и другими, менее очевидными преимуществами. Например, Low Voltage Differential (LVD) стандарт (см. рис.) создавался для эффективной передачи высокоскоростных сигналов по длинным кабелям, обеспечивая минимизацию влияния электромагнитных помех окружающей среды. Использование дифференциального сигнала между парой проводников обеспечивает устойчивость к помехам, а низкое напряжение позволяет увеличивать скорость (частоту) сигнала на шине. Если Ultra320 SCSI для применения LVD протокола требует использования 32-х проводников сигнала (два для каждого из 16 разрядов), то для SAS нужно только 4. Меньшее количество проводников требует меньшей мощности для передачи сигнала, меньше подвержено эффекту взаимного влияния (Crosstalk) и позволяет использовать меньшие по размеру и более простые в конструкции кабели.

Full-Duplex и двух- портовый дизайн

Full-Duplex операции позволяют удвоить пропускную способность шины за счет одновременной передачи сигнала в обоих направлениях. Наличие двух портов обеспечивает продолжение работы в случае выхода из строя одного из SAS контроллеров, кроме того, эти два порта могут быть объединены в один для обеспечения еще большей пропускной способности.

Расширенная масштабируемость

SAS разрабатывался с целью максимально упростить процедуру добавления устройств (для увеличения объема или производительности). В сочетании с PtP архитектурой высокоскоростные коммутаторы называемые расширителями (expander) позволяют подключать к одному SAS домену до 16384 устройств (128 устройств на каждый конечный расширитель (edge expander) х 128 конечных расширителей на каждый головной расширитель (fan-out expander)) без снижения производительности. Далее, несколько доменов могут быть объединены между собой, для достижения выдающейся отказоустойчивости.

Совместимость с S-ATA

SAS кабели, разъемы, Backplane-s, расширители и контроллеры полностью совместимы с S-ATA дисками. Это позволяет в рамках одной системы хранения использовать более производительные (и более дорогие) SAS диски там где требуется более высокая производительность, и S-ATA диски в менее ответственных частях, например для систем архивирования. Более того, если в процессе эксплуатации системы, требования изменятся, можно будет легко провести реконфигурирование. Все это существенно снижает как начальную стоимость дисковых систем, так и затраты на их развитие и обслуживание.

Большая эффективная длина кабелей

Стандарт SAS определяет максимальную длину соединительных кабелей между двумя SAS устройствами равной 8 метрам. Это касается как устройств подключаемых внутри сервера, так и внешних устройств (внешних дисковых массивов). При этом архитектура PtP позволяет использовать эти 8 метров для каждого из подключенных устройств, т.е. суммарная длина кабелей в домене может составлять тысячи метров.

Компактные кабели и разъемы

Разъемы и кабели SAS значительно меньше (в разы) по размерам чем в случае с параллельным SCSI. Это упрощает прокладку кабелей внутри систем, улучшает охлаждение и позволяет использовать устройства маленького формата (например, диски размером 2.5").

«Горячая» замена и подключение

SAS обеспечивает возможность замены и подключения устройств «на ходу», без выключения питания системы.

Уникальный номер устройств (Device ID)

Каждый SAS порт и расширитель (expander) имеет уникальный 64-битный SAS адрес, «зашитый» в устройство при его изготовлении. Это избавляет от необходимости в ручную устанавливать уникальный адрес для каждого устройства, и предотвращает возможность случайного дублирования адресов при перемещении или добавлении устройств.

Встроенное терминирование

Архитектура SAS PtP обеспечивает отдельный канал для каждой пары устройств внутри SAS домена, и однозначно определяет оба конца выделенной шины обмена данными. Поскольку нет необходимости поддерживать переменное число устройств на шине (как в случае с разделяемой шиной), все SAS устройства терминируются по умолчанию.

Использование SCSI команд

SAS преодолел многие ограничения своего предшественника, параллельного SCSI, за счет использования современной последовательной технологии. Но при этом SAS использует и сильные стороны SCSI, вобрав в себя его набор команд. Зрелый и отработанный набор команд SCSI использует продвинутые возможности, такие как CRC (контроль с помощью циклического избыточного кода), что позволяет гарантировать целостность данных даже в самых тяжелых условиях. Кроме того, SCSI содержит команды для взаимодействия с большим количеством управляющего и прикладного программного обеспечения. За счет включения в стандарт SAS этих команд удается сохранить уже сделанные вложения в ПО и драйверы.

Заключение

SAS был задуман как комбинация лучших из существующих технологий хранения данных, сохранив испытанный набор команд SCSI и объединив его с самыми современными технологиями последовательной передачи данных. Результат – Интерфейс класса предприятия, который совмещает четыре черты: производительность, масштабируемость, совместимость и интеграция SCSI. SAS – рассчитанный на дальнейшее развитие Интерфейс, отвечающий требованиям сегодняшнего дня и имеющий запас для завтрашнего.

назад