19.05.2010 (kfr) Drucken
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Grundlagen: Serial-Attached-SCSI-2 (SAS-2)

  • Inhalt dieses Artikels
  • SAS-2-Spezifikationen
  • SAS und SATA friedlich vereint
  • Aktuelle SAS-Entwicklungen

Die zweite Generation von Serial-Attached-SCSI (SAS) erfüllt nun auch die weiter gestiegenen Ansprüche an Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und bietet einen größeren Funktionsumfang. Seit 2002 hat sich die Performance von Speichersystemen mit SAS-2 verzehnfacht.

von Hermann Strass

 Zum Vergrößern anklicken!  SAS-Roadmap
Bild: STA, USA
Die serielle SCSI-Technik (SAS) hat sich inzwischen fest im Bereich für leistungsfähige und ausfallgeschützte Speichersysteme etabliert. Parallel-SCSI wird aus technischen Gründen nicht weiterentwickelt, bleibt aber in großen Stückzahlen in bestehenden Systemen verfügbar. Diese werden gelegentlich noch erweitert. Ein Grund für die schnelle Verbreitung von SAS ist die Fähigkeit preisgünstige SATA-Laufwerke ohne weiteren Aufwand mit dem SAS-Controller zu betreiben. Dieser Bericht bringt Informationen zur Einführung von SAS-2 (6 Gbit/s Übertragungsrate). Die Grundlagen von SAS (und SATA) wurden bereits in einem früheren Beitrag (Grundlagen: Serial-Attached-SCSI (SAS)) beschrieben.´

 Zum Vergrößern anklicken!  SAS-Norm mit 6 Gbit/s
Bild: STA, USA
SAS nutzt, ebenso wie FC, FCoE, iSCSI und SCSI das SCSI-Protokoll, das seit 1981 kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert wird. Somit nutzt die Mehrzahl aller professionellen Speichersysteme weltweit dieses Standardprotokoll. Das erklärt auch warum das serielle SAS das parallele SCSI so schnell und problemlos ablösen konnte. SAS-1 wurde ab etwa 2004 in den Markt eingeführt, zunächst als serielle Version von SCSI. Seitdem sind die Ansprüche gestiegen, nicht nur für die Übertragungsrate. SAS-2 ist eine erheblich leistungsfähigere Version mit vielen neuen Funktionen.

SAS-2-Spezifikationen

Die Spezifikation SAS-2 (6 Gbit/s SAS) bringt nicht nur höhere Übertragungsraten, sondern weitere Verbesserungen und Erweiterungen, wie die nachstehende Auswahl zeigt:

Transferrate bis sechs Gbit/s
Standardized-Expander-Zoning - verbessert Multihost-Support und Sicherheitsfunktionen
Expander Self-Discovery – reduziert Messaging während »Topology Discovery«
Spread-Spectrum-Clocking (SSC) - reduziert Electromagnetic-Interference (EMI)
Multiplexverbindungen – verbessert die Ausnutzung der Links im gemischten Betrieb (3 Gbit/s SAS-Komponenten in einer 6 Gbit/s SAS-Infrastruktur)
bis zu zehn Meter Kabellänge
größere Konfigurationen
Multiplexing (optional) erhöht die Link-Effizienz und Bandbreite gegenüber dem bisherigen Rate-Matching
Investmentschutz für die vorhandene Infrastruktur.

Zoning
Das Expander-Zoning bei 3-Gbit/s-SAS wurde teilweise noch herstellerspezifisch implementiert. In den SAS-2-Spezifikationen wurde diese Funktion nun genauer definiert. Damit werden komplexere Topologien über mehrere Expander (Fan-Out und Edge Expander) von unterschiedlichen Herstellern möglich, sowie die Zahl der unterstützten Zonen von 128 auf 256 erhöht. Mit dem neuen Zoning können die Abgrenzung und der Schutz zwischen den Hosts, den Geräten (SAS und/oder SATA, sowie RAID) verfeinert werden. Das gilt insbesondere auch für Steckkartensysteme (Blade Server). Unterschiedliche Zugriffsrechte auf der Hostseite (E-Mail, Database, Application) und Controller-Based-Encryption (CBE) verbessern die Systemsicherheit.

Dezentrale Verarbeitung
Bei SCSI und somit auch bei SAS werden soweit als möglich Funktionen und Prozesse auf der Peripherieseite im Controller oder Laufwerk ausgeführt. Damit werden der Rechner/Server und die Übertragungsstrecke erheblich entlastet und der Nettodurchsatz erhöht. Das wirkt sich bei der Discovery-Funktion und beim Table-to-Table-Routing besonders stark aus. Jeder Expander sucht und findet selbst seine angeschlossenen Geräte parallel zu den anderen Expandern. In größeren Systemen bringt das einen erheblichen Zeitgewinn. Eigene Karten auf der Hostseite, wie TOEs (Transmission-Offload-Engines) bei Ethernet werden nicht benötigt, da diese Arbeiten bei SAS vor Ort in der Peripherie erledigt werden.

Kabellängen und Übertragungsraten
Decision-Feedback-Equalization (DFE), und die damit verbundene Trainingsequenz, sind neu in der SAS-2-Spezifikation. Die Kompatibilität mit der ersten Generation von SAS bleibt erhalten. Mit DFE werden die größeren Kabellängen von zehn Meter bei sechs Gbit/s Transferraten gegenüber sechs Meter bei drei Gbit/s, möglich. So können beispielsweise zwei 3-Gbit/s-Geräte über eine 6-Gbit/s-Leitung im Multiplexbetrieb bedient werden. Die Signalpegel bei SAS (800 - 1600 mV) sind etwas höher als bei SATA (400 - 600 mV). Dadurch ist die Störanfälligkeit geringer und es können längere Kabel für SAS (10 m) als für SATA (1 m) verwendet werden.

Steckverbinder
Bisher wurde der InfiniBand-Steckverbinder für die externe Verkabelung eingesetzt. Dieser ist für heutige Ansprüche zu groß. Deshalb wird jetzt der SFF-Mini-SAS-Steckverbinder für interne (»SFF-8087«) und für externe (»SFF-8088«) Verkabelung eingesetzt. Durch SSC wird die elektromagnetische Störung zwischen SAS- und anderen Geräten erheblich reduziert.

Durchgängiger Übertragungsschutz
Bisher war der Befehlsteil in SCSI-Befehlen nicht geschützt. Mit SAS-1.1 wurde das »T10 Protection Information Model« eingeführt. Dieser durchgängige Schutz, Data-Integrity-Field (DIF) genannt, wird auch schon seit 4-Gbit/s-Fibre-Channel eingesetzt und jetzt auch für 6-Gbit/s-SAS.

Zuverlässigkeit
Eine Festplatte mit erhöhter Fehlerrate wird sich irgendwann abschalten. Die Verwaltung von Laufwerken, RAID-Anordnungen und Speicherschränken geschieht in einem anderen Raum. In solchen Situationen können SAS-Expander die erhöhte Fehlerrate erkennen und an den Überwachungsplatz melden. So kann ein Laufwerk in einer »ruhigen« Zeit getauscht werden (hotswap), bevor es komplett ausfällt.

SAS und SATA friedlich vereint

 Zum Vergrößern anklicken!  SCSI Trade Association
Bild: STA, USA
Im SAS-Protokoll ist von Anfang an die Unterstützung von Laufwerken mit dem SATA-Protokoll vorgesehen. Mit einem SAS-System können also, je nach Anforderung, hochleistungsfähige und zuverlässige Speicher für den aktiven Betrieb (SAS) und preisgünstige Laufwerke mit hoher Kapazität für die Online-Datensicherung (SATA) gemeinsam im gleichen Geräteschrank und mit dem gleichen Controller genutzt werden. Die Steckverbinder sind so gestaltet, dass nur eine korrekte Verbindung möglich ist. Im SAS-Protokoll werden SATA-Laufwerke erkannt und mit dem STP-Protokoll bedient. SATA-Controller unterstützen das SAS-Protokoll nicht.

Behördliche Auflagen in verschiedenen Ländern verlangen für die Datenarchivierung und bei Zahlungssystemen eine Verschlüsselung und einen Schutz gegen Manipulation. In der SAS-Infrastruktur ist bei der Migration zwischen SAS- und SATA-Laufwerken ein durchgängiger Schutz mit Information-Lifecycle-Management (ILM) direkt möglich. Das gilt auch für den zukünftigen Einsatz von Solid-State-Disks (SSDs) mit SAS-Schnittstelle.

Aktuelle SAS-Entwicklungen

 Zum Vergrößern anklicken!  Geschätzte Verteilung von Speicherlaufwerken für professionelle Anwendungen
Bild: SNIA, USA
Auf der »Storage Networking World« (SNW) im April 2009 hat LSI als erstes Unternehmen eine Million Inputs/Outputs pro Sekunde (IOPS) mit einem 6-Gbit/s-SAS-System auf einem Einzelserver präsentiert. Damit ist auch der Einsatz von DAS als skalierbare Lösung in Umgebungen mit wachsendem Datenvolumen und niedrigen Kosten im Datenzentrum möglich. Im Jahre 2002 waren »nur« 100.000 IOPS möglich.

Im März 2009 hat Quellan verkündet, dass seine Active-Copper-Cables die Reichweite von SAS-Verbindungen auf 25 Meter erhöhen. Damit können Speichersysteme innerhalb und zwischen benachbarten Schränken im Rechenzentrum ohne FC auskommen. Bei der Vorstellung wurden Verbindungen zwischen den Geräten verschiedener Hersteller mit sechs Gbit/s betrieben. Bei Geräten mit drei Gbit/s kann bis zu 30 Meter übertragen werden.

Seit November 2008 bietet Seagate Technology zusammen mit Dell und McAfee eine komplette Verschlüsselung der Daten auf dem neuen 2,5-Zoll-SAS-Festplatten an. Das Laufwerk dreht mit 15.000-1 und ist mit einer 6-Gbit/s-SAS-Schnittstelle ausgerüstet.

Hitachi Data Systems war im Herbst 2008 der erste große Speicherhersteller, der ein mittleres Speichersystem ohne FC- aber mit SAS-Laufwerken ausrüstete. Das »AMS 2000« Speichersystem mit SAS-Platten hat einen Aktiv-Aktiv-Controller für »dynamic load balancing« und hohe Leistung.

IDC erwartet, dass im Jahr 2011 etwa 70 Prozent aller Speicher in Unternehmen SAS-Laufwerke sein werden. Derzeit sind es etwa 48 Prozent. Bei der STA (SCSI Trade Association) wird bereits an der Standardisierung von Übertragungsraten bis zu zwölf Gbit/s gearbeitet. Da bei SAS, im Gegensatz zu anderen ähnlichen Schnittstellen, der Verwaltungs- und Protokollaufwand (overhead) sehr gering ist, können sehr viel mehr Nutzdaten übertragen werden als bei anderen Protokollen.

Harry Mason über SAS
Harry Mason von LSI und seit 2001President der STA und seit über 25 Jahren mit der SCSI-Technik vertraut, sieht die folgenden charakteristischen Merkmale für SAS:
• SAS hat Parallel-SCSI im Server-Markt verdrängt.
• SAS wird mit wachsenden Stückzahlen für externe Speicher eingesetzt und dabei auch FC-Laufwerke verdrängen. Fibre-Channel bleibt jedoch die dominante Schnittstelle zur Verbindung von Laufwerksschränken mit Servern im SAN.
• 6-Gbit/s-SAS wird in 2009 eingeführt, mit schnell steigenden Stückzahlen in 2010.
• 6-Gbit/s-SAS erweitert den DAS-Markt über die herkömmlichen Anwendungen hinaus. So entsteht ein wachsender Markt für eng gekoppelte, stark skalierbare, gemeinsam genutzte Speichersysteme, auch als Alternative zu SAN und NAS.
• Diese Wiederbelebung von DAS erweitert den Markt für SAS in Anwendungen bei denen Leistung und Kosten wichtiger sind als Übertragungsentfernung.
• Kleine 2,5-Zoll-SFF-Laufwerke und vielkanalige SAS-Verbindungen ermöglichen ein besonders skalierfähiges DAS innerhalb und zwischen nebeneinanderliegenden Schränken, auch ohne NAS oder SAN.
• SAS ist bisher ein außergewöhnlicher Markterfolg, der sich noch ausweiten wird, weil die Technik kontinuierlich weiterentwickelt wird.
• Die STA wird auch zukünftig das Wissen über SAS weiter verbreiten und die neuesten Verbesserungen in den Markt einführen.

Über Hermann Strass
Hermann Strass ist Berater für neue Technologien, insbesondere für Bus-Architekturen, Massenspeicher und industrielle Netzwerke, Mitglied in nationalen und internationalen Normungsgremien, sowie Technical-Coordinator der VITA in Europa. Hermann Strass ist Autor von Büchern, Zeitschriftenartikeln und er organisiert Seminare.