DSCon ATTO Technologies

Главная > Образование > Дисковые (RAID) массивы

Поворотный пункт для SCSI: Новая эра последовательных SCSI устройств

Введение

Необходимость может быть по праву названа матерью изобретения. Около двадцати лет назад она породила инновационный интерфейс, завоевавший успех во всём мире: параллельный SCSI. Конечно, авторы оригинального параллельного стандарта SCSI хорошо понимали теоретические преимущества последовательного интерфейса с его принципиально простой и гибкой архитектурой. Но, к сожалению, существовавшие два десятилетия назад технологии последовательного доступа были удручающе медлительными, что адекватно черепашьим скоростям периферийных устройств (таких как клавиатура, мышь), но недостаточно эффективного для перемещения многомегабайтных файлов, которое всё чаще требовалось на основных устройствах хранения.

Именно поэтому на свет появился параллельный SCSI (и его настольный аналог, параллельный ATA); не по той причине, что параллельные интерфейсы сами по себе предпочтительней (на самом деле скорее наоборот), но лишь потому, что они были лучшим вариантом с учётом ограничений имеющихся в то время технологий. Главная предпосылка и одновременно преимущество параллельной архитектуры вполне очевидна: Чтобы избежать появления узкого места в производительности одного проводника сигнала (в котором байты пересылаются последовательно, т.е. каждый бит байта один за другим), просто добавим ещё несколько проводников и будем пересылать по нескольку бит байта одновременно (иными словами параллельно), каждый по своему собственному проводнику. Эта простая логика казалась неоспоримой – восьмиполосная автострада действительно может вместить гораздо больший поток, чем однополосная.

Правда реализация теории параллельных интерфейсов на практике явилась сложной задачей, потребовавшей преодоления многих технологических барьеров. Однако факт остаётся фактом – для своего времени и предназначения, параллельный интерфейс SCSI стал значительным достижением в технологии доступа к данным.

Но, разумеется, времена меняются…

2004: Поворотный пункт для SCSI

Переместившись на 20 лет вперёд в настоящее, мы обнаружим, что технологический ландшафт претерпел кардинальные изменения. Серьёзные достижения в областях производительности процессора (в 2000 раз быстрее), объёма ОЗУ (в 1000 раз больше), и скорости доступа к ОЗУ (в 2000 раз быстрее) скомбинированные вместе, позволили поднять системную производительность на уровень, немыслимый не только два десятилетия, но даже ещё несколько лет назад. На этом фоне заметно отстаёт лишь один аспект системных возможностей – производительность параллельного SCSI диска. Конечно, существенное увеличение плотности записи позволило соответственно расширить ёмкость (в 36000 раз), однако скорость передачи данных параллельного SCSI устройства повысилась лишь незначительно (в 32 раза). И даже эти повышения дались с трудом, поскольку принципиальные ограничения архитектуры, использующей параллельную общую шину, делают каждое последующее увеличение скорости всё более проблематичным и дорогим.

В то время как параллельные SCSI явно достигли границ своих возможностей, последовательные интерфейсы, благодаря недавним технологическим прорывам в области решений крупномаштабной интеграции (Very Large Scale Integration - VLSI) и высокоскоростных последовательных приёмных устройств, получили новую путёвку в жизнь. На данном этапе SCSI технологии достигли фундаментального поворотного пункта, за которым ограничения параллельного SCSI начинают сдерживать дальнейшее развитие, а назревший потенциал последовательного интерфейса уже позволяет получить заметные преимущества в производительности и масштабируемости. Чтобы лучше понять значение этого поворотного пункта, а также присущих параллельному SCSI недостатков и соответствующих преимуществ SCSI последовательного подключения (Serial Attached SCSI -- SAS), ниже представлены сравнительная таблица и развёрнутый анализ.

Поворотный пункт для SCSI: Переход от параллельного SCSI к SCSI последовательного подключения

 
Параллельный SCSI интерфейс
Последовательный SCSI интерфейс (SAS)
Архитектура Параллельная, все устройства присоединены к общей шине Последовательная, соединение один к одному, раздельные проводники сигналов.
Производительность 320 Мб/сек. (Ultra320 SCSI); производительность падает по мере подключения новых устройств к общей шине. 3.0 Гб/сек., в перспективе до 12.0 Гб/сек.; по мере подключения новых устройств производительность не падает
Масштабируемость 15 устройств Свыше 16000 устройств
Совместимость Несовместим с накопителями других типов Совместим с последовательным ATA (Serial ATA – SATA)
Макс. длина кабеля 12 метров общая (сумма всех кабелей, используемых на шине) 8 метров на каждое cоединение; полная длина всех кабелей домена может достигать сотен метров
Форм-фактор кабеля Многочисленные проводники увеличивают объём, стоимость Компактные разъёмы и кабельи экономят место, снижают стоимость
Горячая замена Нет Есть
Идентификация устройств Ручная; пользователь должен обеспечить отсутствие конфликтующих номеров ID для устройств подключенных к шине Автоматическая; каждое устройство получает уникальный ID на стадии изготовления, вмешательство пользователя не требуется.
Терминаторы Устанавливаются вручную; пользователь должен обеспечить правильную установку и функционирование терминаторов. Раздельные проводники сигнала позволяют устройствам изначально содержать в себе терминатор. Вмешательство пользователя не требуется.

Параллельный SCSI: Искусство компромисса

Основные элементы, определившие первоначальное появление параллельного SCSI (несколько проводников сигнала для расширения пропускной способности, общая шина для простого подключения многочисленных SCSI устройств), постепенно превратились в препятствия на пути к увеличению производительности и масштабируемости. Годы жонглирования конструктивными параметрами (например увеличение тактовой частоты при сокращении длины кабеля) для обхода врождённых ограничений SCSI принесли с трудом завоёванные усовершенствования, однако в последнее время недостатки параллельной, использующей общую шину архитектуры SCSI становятся всё более очевидными.

Ассиметрия

В простейшем случае ассиметрию можно определить как задержку времени между прибытием в устройство приёма первого и последнего битов. В параллельном SCSI данные передаются в виде последовательности порций параллельно идущих битов, поэтому любая ассиметрия в одной порции нарушает порядок приёма всей последовательности. Когда в ответ на требования рынка тактовая частота шины повышается с целью обеспечения её большей пропускной способности, то время приёма одной порции (временной интервал, за которые должны быть приняты все её биты), пропорционально сокращается (см. Рис. 1 ниже), что делает предотвращение ошибок ассиметрии ещё более сложной задачей. При этом самые незначительные обстоятельства, такие как неодинаковая длинна проводов (и даже разница в том, каким образом подсоединены к этим проводам контакты в разъёме) могут существенно повлиять на способность устройства поддерживать требуемый порядок приёма бит.


Наложение сигналов

Наложение происходит, когда сигнал, путешествуя по проводнику, начинает наводить высокочастотные помехи (EMI), под воздействием излучения которых возникают искажения сигнала в соседних проводниках. Чем быстрее передаётся сигнал, тем большее количество помех он производит. Паралелльные SCSI кабели, в силу наличия многочисленных, близко расположенных проводников (каждый из которых одновременно как наводит помехи, так и принимает их от соседних), особенно уязвимы для данного явления.

Безнаказанное воздействие помех может привести к значительному искажению с последующей потерей целостности передаваемых данных. Эффективные решения предусматривают снижение скорости сигнала и сокращение длины кабеля, но это невыгодно с коммерческой стороны. Использование дизайна типа “витая пара” позволяет эффективно бороться с помехами во внешних кабелях за их счёт увеличенного объёма, потери гибкости и возросшей стоимости. Внутренние плоские кабели (с их многочисленными, расположенными в один ряд проводниками) чрезвычайно подвержены наложению сигналов -- наиболее эффективным решением в таком случае является минимизация длинны кабеля.

Управление шиной и временем ожидания

Общая шина параллельного SCSI позволяет в один момент времени получать к ней доступ и обмениваться данными между собой одновременно лишь двум устройствам (например SCSI контроллеру и SCSI диску). Поэтому, все присоединённые устройства вынуждены конкурировать за доступ к шине посредством довольно сложных и затрачивающих время процедур управления шиной (арбитраж). Арбитраж предоставляет доступ, основываясь в основном на ID номере устройства (особые “справедливые” режимы используют дополнительные критерии). Несмотря на то, что управление шиной обеспечивает высокие показатели надёжности системы и сохранности данных, оно также и ограничивает производительность; чем больше устройств подключено к шине, тем большим для каждого устройства становится время вынужденного бездействия пока оно ожидает разрешения на доступ к шине. Вдобавок, чем чаще задействуется арбитраж, тем реже шина бывает свободна для собственно передачи данных, от чего страдает общая производительность. Для снижения (но не ликвидации) накладных расходов на управление шиной, стандарт SCSI Ultra320 использует пакетизацию а также ускоренный арбитраж и выбор (Quick Arbitration and Selection - QAS).

Ограниченная масштабируемость

Теоретически, параллельный SCSI позволяет разместить до 15 устройств на 16-битной шине и до 7 устройств на 8-битной. (В обоих случаях все оставшиеся на шине свободные адреса присваивает себе SCSI контроллер) На практике, архитектура параллельного SCSI приводит к уменьшению производительности по мере добавления новых устройств (см. пункт «Управление шиной и временем ожидания» выше). Поэтому реальное количество устройств, которые могут быть подключены к шине без потери адекватной производительности системы может оказаться гораздо меньшим чем 15.

Несовместимость с другими интерфейсами

Во времена, когда стандарты параллельного SCSI и параллельного ATA только разрабатывались, вопросы совместимости ещё не имели значения. Роли двух параллельных интерфейсов были расписаны в чёрно-белых тонах и никто не мог ожидать, что когда-нибудь им может понадобиться работать в одной связке. С одной стороны спектра находился специально предназначенный для производственных задач SCSI, с другой, оптимизированный для настольных систем ATA. Два десятилетия спустя использование в организациях накопителей настольного класса (последовательный ATA, а теперь и последовательный SCSI) в хранилищах с невысокой нагрузкой и “ближнего фронта” стало обычной практикой. Несовместимость параллельного SCSI с этими популярными типами накопителей усиливает головную боль, связанную с теоретическими (и финансовыми) вопросами одновременного обслуживания нескольких принципиально несовместимых интерфейсов.

Стоимость кабеля

Первоначальные стандарты SCSI допускали лишь небольшую длину кабеля (6 метров для SCSI-1, сокращённую до 3-х метров с несколькими последующими повышениями скорости шины). Введение LVD сигналов (см. пункт “Архитектура прямого доступа” ниже) позволило увеличить длину кабеля до 12 метров. Однако ценой за это стало увеличение количества проводников (и соответственно экранирующих оболочек, необходимых, для защиты от RFI), что в свою очередь отразилось на цене качественных SCSI кабелей. Менее дорогие кабели могут быть изготовлены из худших материалов и/или с конструктивными упрощениями, что может приводить к непредсказуемым последствиям в отношении производительности и стабильности работы. Внутренние плоские кабели чрезвычайно подвержены явлению наложения сигналов (см. выше), поэтому должны быть максимально короткими.

Громоздкие кабели/разъёмы

Громоздкие кабели кабели и разъёмы параллельного SCSI затрудняют поддержание порядка, препятствуют току воздуха и охлаждению, а также не подходят для использования с устройствами малого форм-фактора (например такими, как 2,5 дюймовые жёсткие диски) в компьютерных системах с высокой плотностью монтажа.

Отсутствие горячей замены

Когда SCSI устройства присоединяются или отсоединяются, то какая либо дальнейшая активность на шине становится невозможна, что делает неизбежным отключение питания. Это, естественно, сказывается на времени бесперебойной работы и возможности доступа к данным. Поэтому замену SCSI дисков часто стараются приурочивать к периодам наименьшей активности системы, что замедляет своевременное проведение запланированных операций.

Ручная установка ID-номера устройства

Для того, что бы SCSI контроллер мог успешно распознать SCSI устройства на шине и взаимодействовать с ними, каждому устройству должен быть вручную присвоен уникальный SCSI ID адрес. Он может варьировать от 0 до 7 на 8-битной и от 0 до 15 на 16-битной шине. Адрес никак не связан с реальным местом и способом подключения устройства к шине. Подключение к шине без удостоверения того, что данный ID устройства не используется уже каким-либо другим подключенным устройством, может привести к конфликту SCSI адресов (когда два устройства имеют один и тот же ID на одной шине). Подобные конфликты способны проявляться в нестабильности и нарушении нормальной работы, включая потерю и порчу данных.

Установка терминаторов

Самое первое и самое последнее физические устройства в извилистой SCSI цепочке (вне зависимости от своих номеров SCSI ID) должны быть установлены как оконечные, чтобы поглощать сигналы, достигающие конца шины, и предотвращать их отражение обратно на шину. Обычно используются пассивные терминаторы, хотя бывают и ситуации, когда проблем можно избежать лишь при использовании активных терминаторов. Когда SCSI устройства добавляются или перемещаются, то не исключено, что требуемая переустановка оконечных устройств может быть по недосмотру пропущена. Неправильная или неполная установка терминаторов может вызвать заметное снижение производительности (возможна также порча данных).

SCSI последовательного подключения: Прямой подход

SCSI последовательного подключения предлагает чрезвычайно простой и непосредственный подход к достижению исключительной производительности, масштабируемости и гибкости. Его последовательная архитектура прямого доступа гораздо проще и гибче, чем у его предшественника, кроме того, она предоставляет значительно большую пропускную способность (3.0 Гбит/сек, с гарантированной перспективой роста до 12,0 Гб/сек), а также превосходную масштабируемость. В ответ на растущую потребность в более сбалансированном по цене/качестве, оптимизированном решении хранения данных, SAS реализует встроенную совместимость с последовательным ATA (SATA). ИТ менеджеры могут просто использовать сочетания SAS и SATA устройств таким образом, какой требуется для самого эффективного удовлетворения их запросов.

Архитектура прямого доступа

Элегантная простота архитектуры прямого доступа в SCSI последовательного подключения приносит много дивидендов. В первую очередь, последовательная передача данных подразумевает отсутствие каких либо проблем с ассиметрией и рассинхронизацией. Биты передаются непосредственно один за другим – всегда посылаемые и получаемые в правильном порядке, всегда отправляясь и прибывая тогда, когда ожидалось. Кроме того, построение кабеля по принципу прямого доступа обеспечивает для каждого присоединённого SAS устройства свой отдельный, выделенный проводник сигнала. Поскольку общая шина отсутствует, то арбитраж в данном случае представляет собой простой процесс переключения (каждое подсоединённое устройство всегда непосредственно доступно через выделенную для него шину, что сводит время бездействия к минимуму). При этом требуются значительно меньшие издержки, чем при арбитраже шины на параллельном SCSI и, следовательно, обеспечивается гораздо большая пропускная способность.
Однако SAS-архитектура прямого доступа предлагает и другие, не столь явные преимущества. Например, сигналы с низковольтным различением (Low Voltage Differential - LVD) зарекомендовали себя как высокоэффективное средство передачи высокоскоростного сигнала по длинным кабелям с минимальной чувствительностью к окружающим условиям (например к RFI). Использование дополнительного сигнала разницы между сигналами двух проводников повышает устойчивость к электромагнитному шуму, а низкое напряжение даёт возможность повышения скорости передачи до уровня, недоступного с более высоким напряжением.

В то время как SCSI Ultra320 требует разводки 32-х сигнальных проводников (для обоих 16-разрядных каналов), при использовании LVD сигналов достаточно лишь четырёх. Меньшее количество проводников требует меньшей мощности для передачи, и менее подвержено наложению сигналов, что в итоге позволяет сделать кабели более компактными и удобными.

Полнодуплексный двухпортовый дизайн

Полнодуплексные операции удваивают реальную пропускную способность, позволяя производить одновременную передачу сигнала в обоих направлениях. Для увеличения доступности и времени беспрерывной работы, двойной порт данных гарантирует, что даже в случае выхода из строя одного из SAS контроллеров, второй порт сможет как ни в чём ни бывало продолжить обмен информацией с оставшимся контроллером. Кроме того, эти два порта способны работать одновременно, как единый широкий порт с ещё более высокой пропускной способностью.

Расширенная масштабируемость

SAS был специально спроектирован для максимально простого решения задачи добавления новых устройств с обеспечением прироста как ёмкости, так и производительности. На пару с архитектурой прямого доступа SAS (см. выше) работают особые высокоскоростные переключатели, так называемые разветвители, которые производят агрегацию множества устройств. Это даёт возможность одному SAS домену содержать в общей сложности до 16384 устройств (128 SAS устройств, приходящихся на один узловой разветвитель помноженное на 128 узловых разветвителей, приходящихся на корневой разветвитель) без какого-либо ущерба для производительности. Несколько таких SCSI доменов могут быть с лёгкостью соединены для достижения исключительных уровней доступности данных.

Совместимость с SATA

Гарантированно, что кабели, разъёмы, переходники, разветвители и хост-адаптеры шины (Host Bus Adapters - HBA) SCSI последовательного подключения полностью совместимы со спецификациями последовательных ATA устройств. Когда хранилище потребует неизбежного изменения и развития, SAS предоставит все возможности для его свободного переконфигурировния. Дисковые накопители SAS будут очевидно лучшим выбором для ответственных задач, где во главу угла ставятся промышленная производительность, и надёжность, а приводы SATA целесообразны по стоимости для применения в условиях менее интенсивной нагрузки, например задачах оперативного резервного копирования/восстановления. Когда происходит изменение приоритетов хранилища, то осуществляется простое изменение набора устройств, путём добавления дополнительных SAS или SATA приводов. Кроме того, совместимость SAS и SATA может существенно снизить стоимость и сложность построения центров хранения данных путём уменьшения количества компонентов, нуждающихся в обслуживании и поддержке. Такая рационализация компонентов оборудования снижает требования к управленческому ресурсу и поддержке персонала.

Большая длина кабеля

Максимальная длина кабеля в 9 метров (около 25 футов) облегчает присоединение как подключаемых непосредственно приводов, так и самостоятельных массивов данных, размещаемых вблизи серверов. Архитектура прямого доступа SAS предусматривает использование кабеля указанной длины для каждого отдельного соединения между двумя устройствами, что позволяет общей длине всех кабелей SAS домена достигать сотен метров. Максимально допустимая длина кабеля не относится сразу ко всем устройствам, как в случае параллельного SCSI.

Компактные кабели/разъёмы

Разъёмы и кабели SAS гораздо меньше по размерам, чем аналогичные части в SCSI; это упрощает прокладку кабелей, экономит место, улучшает циркуляцию воздуха/охлаждение внутри корпуса и позволяет разъёмам SCSI легко укладываться в малый форм-фактор подключаемых устройств.

Горячее подключение/замена

Поддержка горячего подключение в SAS обеспечивает замену устройств на ходу, без выключения системы, что гарантирует непрерывный доступ к данным. Разъёмы слепого подключения (спроектированные так, что их невозможно соединить неправильно) облегчают подключение в условиях тесных и труднодоступных пространств.

Уникальный ID устройства

Каждый порт или разветвитель SAS имеет свой уникальный, единственный в мире 64-битный SAS адрес (который берётся из того же пространства имён, что и идентификаторы для фиброволоконных портов), записываемый в аппаратную часть во время изготовления устройства. Это исключает необходимость в ручной установке номеров SCSI ID посредством перемычек или переключателей, также как и любую возможность конфликта между ID номерами при добавлении или изменении конфигурации устройств либо разветвителей.

Встроенные терминаторы

Архитектура прямого доступа SAS предусматривает отдельный канал для передачи сигналов между любыми двумя устройствами в SAS домене, что естественным образом идентифицирует оба конца выделенной линии. Избавленные от необходимости приспосабливаться к изменению количества устройств подключаемых к общей шине, все SAS устройства имеют встроенные терминаторы и не требуют пользовательского вмешательства.

SCSI команды остаются

Хотя благодаря использованию современных технологий SCSI последовательного подключения во многом превосходит ограничения параллельного SCSI, он поддерживает мощное ядро своего предшественника через интеграцию существующих SCSI команд. Гибкий, отлаженный набор команд SCSI имеет развитые возможности, такие как циклическая избыточная проверка (Cyclic Redundancy Check - CRC), для гарантии нерушимой целостности данных даже в самых суровых производственных условиях. Кроме того, команды интерфейса SCSI уже используются большим количеством программного обеспечения по управлению системами хранения, а также промышленными приложениями. Включая в себя этот набор команд, SAS защищает текущие инвестиции организаций, вкладываемые в драйвера, программное и программно-аппаратное обеспечение для SCSI.

В дополнение к этому SAS сохраняет интеллектуальный капитал, накопленный в организациях за долгие годы эксплуатации SCSI. ИТ профессионалы могут опираться на свой опыт и знание SCSI, что помогает внедрению и эффективному использованию SAS на предприятии.

Заключение

SCSI последовательного подключения был задуман как решение высшего класса, сохраняющее проверенный временем набор SCSI команд своего предка и расширяющее его возможностями самых передовых технологий последовательной передачи данных. В результате появился промышленный интерфейс, сочетающий в себе положительные качества (производительность, масштабируемость, совместимость со SCSI) в виде единого впечатляющего решения. Прогрессивная архитектура SCSI последовательного подключения без сомнения будет отвечать всем информационным потребностям предприятия не только сегодня, но и завтра.

Где купить?
Контакты
Компания | Продукты | Поставщики | Поддержка | Образование | Press room
Copyright © 2000-2016 DSCon®. All Rights Reserved.