SAS: знакомимся ближе

Индустрия находится в ожидании экономически эффективного решения для управления растущими объемами критичных данных, которое бы пришло на смену параллельному SCSI, разработанному техническим комитетом ANSI X3T9.2, на протяжении последних 20 лет широко применявшемуся в серверах и внешних хранилищах. Ultra SCSI 320 стал вершиной развития технологии, обеспечив максимальную производительность дисковых операций и надежность хранения данных. Однако дальнейшее совершенствование параллельного SCSI оказалось невозможным.

Переход к более высокоскоростному параллельному интерфейсу, диктуемый необходимостью увеличения производительности систем хранения и ростом объемов обрабатываемых данных, натолкнулся на технические препятствия. Внедрение следующей ступени SCSI 640 было бы сопряжено с искажениями сигнала и наводками, для устранения которых пришлось бы отказаться от обратной совместимости. Эти обстоятельства, подкрепленные ограничениями стандарта SCSI на количество обслуживаемых устройств и объемы адресуемого пространства, ставят под сомнение рациональность дальнейшего развития параллельного SCSI.

От параллельных к последовательным

Переход к последовательным интерфейсам передачи информации можно считать индустриальной тенденцией. Сети хранения данных (SAN), используемые в задачах, критичных к латентности и скорости работы на больших расстояниях, давно уже применяют Fibre Channel, а PCI Express вытесняет параллельные AGP и PCI-X. Стандарт SATA, заменивший PATA и продолжающий развиваться, служит хорошим примером эффективности последовательных интерфейсов – новые редакции предусматривают все большую пропускную способность (в перспективе – 6 Gbps) и повышение отказоустойчивости.

Отсутствие перспектив у параллельного SCSI стимулировало лидеров рынка систем хранения данных к объединению усилий для разработки последовательного интерфейса с характеристиками, продиктованными постоянным ростом объемов данных, ужесточением требований к пропускной способности и надежности. Результатом стал Serial Attached SCSI (SAS), предполагающий обмен данными по последовательному интерфейсу, который снимает ограничения по тактовой частоте и способен обеспечить более высокую скорость передачи, чем параллельный SCSI.

Преимущества SAS

Идеология SAS предусматривает наследование основных достоинств SCSI, таких как использование очереди команд, и перенос их на последовательный интерфейс. В новом стандарте учтены и реализованы основные требования индустрии к системам хранения, способные предоставить лучшую производительность, надежность и управляемость.

Ключевые нововведения протокола SAS таковы:

• соединение «точка-точка», обеспечивающие надежность подключения и работу с 128 устройствами (или адресация 16 256 устройств на один порт);
• возможность одновременной работы с дисками SAS и SATA с помощью одного контроллера в рамках одного устройства;
• сдвоенные порты ввода/вывода, открывающие возможность для увеличения скорости работы или создания отказоустойчивого подключения дисков и внешних хранилищ;
• работа с логическими устройствами объемом свыше 2 ТВ;
• тонкие компактные кабели, облегчающие воздухообмен и теплоотвод, а следовательно, повышающие надежность тонких серверов, функционирующих в высокоплотных конструктивах.

Помимо этого, адаптация стандарта SAS сопровождается появлением дисков SAS формфактора 2,5" и реализацией новых уровней RAID. С помощью накопителей меньшего размера удается строить системы повышенной плотности, содержащие большее число HDD. Такие решения востребованы крупными компаниями и центрами обработки данных. В конечном счете, для построения масштабных сетей хранения данных понадобится меньшее количество монтажных стоек, что обусловит экономию затрат на содержание парка техники, электроэнергию и кондиционирование.

Одно из ключевых преимуществ SAS – обратная совместимость объединительных панелей (систем горячей замены накопителей, backplane) и хост-контроллеров с жесткими дисками SATA. Гибкость, достигаемая благодаря одновременному применению накопителей SAS и SATA в рамках одного устройства, позволяет снизить риски и оптимизировать инвестиции в расширение парка внешних хранилищ и серверов. Для задач, требующих максимальной производительности и надежности, логично использовать HDD SAS, в то время как вспомогательные, некритичные, данные могут располагаться на накопителях SATA, функционирующих в экосистеме SAS. В дальнейшем растущая компания может заменить SATA-диски на SAS, перенеся их в устройства, работающие на второстепенных участках инфраструктуры.

Высокая производительность, пропускная способность, масштабируемость и надежность, унаследованная интерфейсом SAS от параллельного SCSI, традиционно окажется необходимой в критичных серверах и корпоративных системах хранения данных. Решения, основанные на SAS, в состоянии удовлетворить требованиям задач, активно выполняющих операции случайного чтения/записи – например, связанных с обработкой транзакций в режиме реального времени в банковских системах и онлайн-службах.

Хост-адаптеры с поддержкой SAS обеспечивают пропускную способность 300 МВps. Применение адаптеров с несколькими портами позволяет увеличить общую скорость передачи данных по интерфейсу. Объединительные панели стандарта SAS, оборудованные двумя портами ввода/вывода, могут использоваться для достижения большей пропускной способности или отказоустойчивого подключения внутри шасси.

Большинство контроллеров SAS RAID позволяют строить избыточные дисковые массивы уровня 6, которые характеризуются устойчивостью к отказу двух накопителей. Если в RAID 5 одновременный выход из строя двух HDD означает потерю данных, то массив, объединенный в RAID 6, сохранит целостность. Затраты на построение RAID 6 невелики – для этого требуется два избыточных диска (для сравнения, в RAID 5 – один диск). Производительность, достигаемая в RAID 6, оказывается примерно такой же, как и в RAID 5 – конкретные значения зависят от реализации.

Компоненты и типичные топологии

1. Внутренняя дисковая подсистема

Рис. 1

Подключаемые напрямую внутренние HDD и/или корзины позволяют построить надежную высокопроизводительную систему хранения данных (рис. 1). Накопители могут подсоединяться напрямую к контроллеру по топологии «точка-точка» или с помощью внутренней корзины. Организованный таким образом внутренний дисковый массив будет обладать всеми достоинствами SCSI и при этом обеспечит большую скорость и надежность.

2. Резервирование каналов внутри шасси

Рис. 2

Возможна одновременная работа контроллера с внутренними накопителями по схеме «точка-точка» и с дисковой корзиной или создание отказоустойчивого подключения последней с помощью двух кабелей (рис. 2). Подобная практика широко используется в FC-решениях и обеспечивает повышенную отказоустойчивость и доступность данных.

3. Отказоустойчивый кластер

Рис. 3

Внешние корзины, оборудованные двумя портами SAS, могут служить для построения отказоустойчивых кластеров начального уровня (рис. 3). Стандартная конфигурация предусматривает одновременное подключение дискового ресурса к двум серверам и (в случае выхода из строя одного из них) автоматический перенос сервисов. Такие решения обычно применяются в системах обработки баз данных на участках, где необходимо обеспечить гарантированное функционирование системы.

4. Пул внешних дисковых корзин

Рис. 4

Емкие внешние хранилища, подключенные с помощью SAS-расширителей (экспандеров), смогут работать одновременно с несколькими серверами, каждый из которых оборудован двумя хост-контроллерами (рис. 4). В этой схеме серверы получают доступ к большому пулу внешних дисковых корзин, подсоединенных одна к другой каскадом, по принципу гирлянды. Стандартно каждый расширитель способен обслуживать до пяти внешних корзин. Сами расширители также могут каскадироваться. Надежность подключений достигается благодаря резервированию каналов и контроллеров. Для наиболее критичных бизнес-систем возможно построение инфраструктуры без точки отказа. Достигаемые в данном случае масштабируемость, гибкость (в этой системе снова могут одновременно использоваться диски SAS и SATA) и надежность удовлетворят требованиям крупных компаний с динамично развивающейся IT-инфраструктурой.

5. Внедрение SAS-хранилищ в сети SAN

Рис. 5

Уже сегодня анонсированы и доступны внешние дисковые массивы, оборудованные внешними портами SAS, FC и Ethernet, готовые к внедрению в существующие сети хранения данных, основанные на технологиях FC и iSCSI (рис. 5). Эта функциональность, несомненно, ускорит адаптацию SAS в крупных компаниях и обеспечит необходимую гибкость миграции.

Позиционирование SAS

Сегодня на рынке систем хранения данных доминируют три технологии – SCSI, Fibre Channel и SATA. Верхний сектор занимает FC, в сегменте mainstream-решений господствует SCSI, а SATA используется в наименее требовательных задачах. Компоненты, обеспечивающие взаимодействие контроллеров, дисков, внешних хранилищ и других продуктов, способны работать только с устройствами своего сегмента. Невозможно подключить диск SATA к SCSI-контроллеру или, например, дисковую корзину SCSI к хост-адаптеру FC. Это ограничивает гибкость администрирования и масштабирования как отдельных устройств, так и сетей хранения данных, затрудняет миграцию и снижает эффективность инвестиций.

SAS призван стать более универсальным стандартом. Взаимодействие с SATA обеспечит дополнительную гибкость и защиту инвестиций, востребованную небольшими компаниями. В mainstream-сегменте SAS постепенно заменит SCSI, увеличив при этом скорость работы, готовность и надежность хранения данных, присущую до сих пор лишь решениям на основе Fibre Channel.

Благодаря возможности двухпортового избыточного подключения устройств SAS займет некоторую долю инсталляций, где сегодня используется FC. Новый стандарт будет применяться в нижнем сегменте решений для сетей хранения данных. За счет уменьшения объема первоначальных инвестиций и снижения совокупной стоимости владения SAS станет реальной основой для построения SAN в малых и средних компаниях, которые не могли позволить себе развертывание сетей хранения из-за ограниченности бюджета. Дисковые хранилища, оборудованные внешим SAS-каналом, в итоге окажутся дешевле сопоставимых систем на базе FC. Это утверждение применимо и к стоимости коммутаторов и кабельной инфраструктуры. В целом затраты на развертывание, конфигурирование и администрирование сети хранения данных на базе SAS будут ниже, чем в случае использования Fibre Channel.

В обозримом будущем технологии SAS, SCSI, SATA и FC будут сосуществовать. По крайней мере, ведущие разработчики хост-контроллеров, жестких дисков и готовых систем декларируют намерение поддерживать продукты и решения на основе SCSI до тех пор, пока в них не исчезнет необходимость.

Время открывать

Компаниям, инвестировавшим значительные средства в построение инфраструктуры на основе SCSI и FC, нет смысла сразу же переходить на SAS. Проверенные и подтвердившие свою эффективность технологии прослужат верой и правдой еще не один год. Вопрос о внедрении SAS приобретает актуальность при выборе новых внешних массивов и серверов, при построении или расширении существующих сетей хранения данных. Компании, исповедующие системный подход к развитию IT-инфраструктуры, осознают, что новизна и широкая индустриальная поддержка SAS гарантируют продолжительное время жизни устройств и решений на его основе. Параллельный SCSI постепенно уходит, а SAS будет использоваться еще долгие годы. С этой точки зрения введение стандарта SAS в качестве технологической основы систем хранения выглядит оправданным и рациональным.

Все необходимые условия для скорой адаптации SAS выполнены. На рынке доступны HDD, хост-контроллеры, дисковые корзины и шасси от различных производителей. А-бренды и локальные поставщики уже предлагают решения на основе SAS. Цена на SAS-компоненты стремительно приближается к отметкам, характерным для аналогичных систем на базе SCSI. Возможности масштабируемости и расширения впечатляют.

В дверь стучится SAS. Время открывать.