Ноль-канальный RAID. Подход бережливых

Экономные умы давно приметили, что обустройство RAID-массивов на серверных платформах довольно расточительно в смысле использования доступных каналов ввода/вывода. На большинстве серверных материнских плат, как правило, уже есть встроенный SCSI-контроллер. Объединение же накопителей в RAID-массив передает все функции обмена данными с дисками RAID-контроллеру, оставляя не у дел SCSI-контроллер на плате, который доживает на ней свой век "высокооплачиваемым пенсионером".

Происхождение ZCR

Идея RAID как относительно недорогой опции модернизации серверов интеловской архитектуры "поверх" существующих на платах устройств ввода/вывода много лет занимает разработчиков. Схема традиционной компоновки RAID-контроллеров такова: на них есть процессор ввода/вывода (Input/Output Processor, или IOP), управляющий работой массива; есть собственное устройство ввода/вывода (Input/Output Controller, или IOC), отвечающее за передачу данных между дисками массива и шиной PCI; есть буфер памяти RAID-контроллера (кэш-память). Хотя в широком смысле понятие IOC относится ко всем интерфейсным технологиям, примерами которых могут служить SCSI, Fibre Channel, UDMA/ATA, Serial ATA, USB или FireWire, в массовых реализациях RAID за обменные операции с дисками отвечают стандартные SCSI-контроллеры. А поскольку большинство серверных материнских плат, куда эти RAID-контроллеры устанавливаются, оснащены интегрированными SCSI-контроллерами изначально, то при организации RAID-массива фактически происходит подмена одного устройства управления потоком данных на шине PCI другим, аналогичным. Аппаратного конфликта между ними нет и быть не может: после появления в системе RAID-контроллера он, на правах "старшего", полностью замещает SCSI-контроллер на плате, закрывая к нему доступ ОС. Таким образом, встроенный SCSI-контроллер, за который в составе материнской платы уже однажды (дорого) заплатили, остается невостребованным. Эффективным такое расходование ресурсов назвать в самом деле трудно.

Схемы работы ZCR: со стандартным разъемом PCI (а) и в варианте SO-DIMM (б)

Избежать дублирования имеющихся скоростных магистралей передачи данных стало бы возможным, задействуй RAID-контроллер существующие на платах средства ввода/вывода. "Лишний" SCSI-контроллер "на борту" RAID -- привлекательный объект экономии. Во-первых, он недешев -- одно это уже оправдывает поиски компромисса. К тому же SCSI-чипы не являются ни отличительной особенностью RAID-контроллеров, ни носителем их "интеллекта". "Умственные" способности RAID-контроллеров задаются процессорами обработки команд ввода/вывода и аппаратными диспетчерами очередей запросов, отражаются на степени разгрузки центрального процессора от участия в дисковых операциях, проявляются во взаимодействии с ОС, наконец, связаны с алгоритмами работы кэш-памяти. "Физические" же их способности определяются стандартными возможностями транспортировки данных по протоколу SCSI. Почему бы не унаследовать их от материнской платы -- то есть получить "даром"? Идея RAID-контроллеров без SCSI-чипов, а значит, и без автономных каналов ввода/вывода, получила название ноль-канального RAID (Zero Channel RAID, или ZCR).

Истории известны примеры реализации модели ZCR -- в технологиях SCSI Interrupt Steering Logic (SISL) и Adaptec RAID Option (ARO). На многих серверных платах в свое время встречалось специальное расширение PCI-слота -- Adaptec RAIDport, куда можно было установить недорогую карту Adaptec ARO-1130 для работы в паре с интегрированным SCSI-контроллером материнской платы Adaptec AIC-7890 или AIC-7896. Похожую связку образовывали контроллер Mylex AcceleRAID 200 с чипом LSI Symbios Logic SYM53C8x6, при этом контроллер устанавливался в определенный PCI-слот на материнской плате и обслуживал все прерывания от обращения к распаянному рядом на плате SCSI-контроллеру Symbios Logic. Жизнь всех этих решений оказалась короткой: ZCR-продукты "первой волны" погубили общие для них беды -- сложность проектирования логики материнских плат, проблемы драйверной поддержки различных ОС, необходимость в нестандартной разводке PCI-слотов. Сложности технологического свойства усугублялись субъективными предпочтениями (и неприятием) производителей материнских плат предлагаемых решений от яростно конкурировавших разработчиков SCSI-логики.

Сегодня рынок опять возвращается к идее ZCR, это связано как с преодолением недостатков прежних реализаций, так и с изменением расклада сил в сегменте SCSI- и RAID-контроллеров. Залогом жизнестойкости нового воплощения ноль-канальных RAID-контроллеров считается соответствие следующим требованиям к ним и их окружению:

Карты ZCR используют стандартные слоты PCI.

С момента установки в слот карты ZCR и передачи ей управления дисковыми операциями SCSI-контроллер на плате становится недоступным для BIOS и ОС.

Понятно, что рыночный успех любой технологии зависит от того, какие фигуры стоят за ней и кто получит преимущества от ее скорейшего внедрения. Основной интерес к ZCR-продуктам проявляют Adaptec и Intel. За Adaptec -- репутация основного игрока в области SCSI и одного из наиболее крупных поставщиков RAID-контроллеров. К несомненным успехам компании относятся выход на первые роли в продвижении RAID-технологий и миграция ведущих производителей серверных плат на использование интегрированных контроллеров SCSI от Adaptec (сегодня AIC-7899W можно считать индустриальным стандартом Ultra 160 SCSI). ZCR для Adaptec -- одно из средств экспансии на массовый рынок. Мировое развитие коммуникаций, рост объемов хранимых данных и требований к их обслуживанию многократно увеличили спрос на RAID-решения, а доступность ZCR -- предпосылка их широкого распространения. Интересы Intel тем более масштабны и прослеживаются на всех уровнях -- компонентной базы, контроллеров, платформ, готовых серверов и коммуникационного оборудования. Intel давно самостоятельно разрабатывает RAID-контроллеры, а теперь и ZCR-карты. Как производителю готовых серверов и платформ-"полуфабрикатов" для них Intel важно распределить продукцию по уровням целевых задач, предлагая в числе прочих и экономичные, наращиваемые решения.

Материнские платы, поддерживающие контроллеры ZCR
Производитель платы	Модель	ZCR-контроллеры
Производитель платы	Модель	Adaptec 2000S "Nighthawk", Intel SRCMR "Pioneer"	Adaptec 2005S "Raptor"
Intel	SCB2 "Coosbay"	+	-
Intel	SDS2 "Dodson"	+	-
Supermicro	P3TDDR	-	+
Supermicro	P4DC6+	-	+
Supermicro	P3TDER	-	+
Tyan	Thunder HEsI-T S2688	+	-
Tyan	Thunder LE-T S2518	+	-

Логика EMRL

Итак, контроллер Zero Channel RAID (ZCR) имеет свой собственный процессор ввода/вывода (IOP) и кэш-память, но использует контроллер ввода/вывода (IOC) материнской платы. При этом ZCR IOP и устройство IOC должны размещаться на одной шине PCI. Так было и в прежних реализациях, новой же является концепция логики на материнской плате, обслуживающей ZCR. Adaptec называет эту логику Embedded RAID Logic (EMRL), Intel -- RAID Input Output System (RAIDIOS), но по сути -- это одно и то же схемное решение на плате. Его стоимость невелика, а привлекательность заключается в том, что EMRL-логика инициирует передачу управления дисковыми операциями ZCR-карте, как только та устанавливается в стандартный слот PCI. Одновременно с этим бортовой контроллер SCSI материнской платы становится недоступным в PCI-пространстве, управление им реализуется драйверной моделью ZCR, а ресурсы шины PCI перераспределяются через механизм взаимодействия драйвера ZCR-контроллера и ОС. Во время старта системы ZCR-контроллер запрашивает в соответствии со стандартами PCI ресурсы у BIOS и соответственно назначает необходимые из них "замаскированному" IOC. Таким образом, связывая "интеллект" процессоров ввода/вывода на ZCR-картах с высокой пропускной способностью стандартных каналов SCSI на материнских платах, EMRL-логика позволяет реализовать полноценный аппаратный RAID с минимальными начальными, или разнесенными во времени затратами. При рыночной стоимости сегодняшних ZCR-карт ниже $300 можно говорить об экономии порядка $200 на паре "материнская плата + ZCR-карта" по сравнению с решением с отдельным, сопоставимым по производительности RAID-контроллером традиционной компоновки.

Практицизм Intel

RAID-контроллер Intel SRCMR (Мodular RAID on MotherBoard) c кодовым именем "Pioneer Square" обладает надежностью и скоростными возможностями настоящего аппаратного RAID при сравнительно низкой цене. Полнофункциональная работа реализуется в cочетании с серверными платами Intel SCB2 "Coosbay" и SDS2 "Dodson", оснащенными Ultra 160 SCSI-контроллером Adaptec AIC-7899W и логикой Intel RAIDIOS. Обеспечивается доступ ко всем возможностям аппаратного RAID по интерфейсу SCSI. Поддерживаются уровни RAID 0, 1, 4, 5 и 10. Контроллер обслуживается базовым процессором ввода/вывода i80302 на ядре с частотой 100 MHz и снабжен 32 MB кэш-памяти SDRAM. Intel SRCMR, по замыслу создателей, может выполнять двоякую роль -- как недорогой опции RAID-модернизации для серверов "пьедестальной" компоновки на базе SDS2 "Dodson", так и для оснащения серверов высокой плотности форм-фактора 2U, монтируемых в стойку. Плата SCB2 "Coosbay" допускает установку контроллера SRCMR горизонтально через riser-карту в составе интеловских же стоечных серверных корпусов SR2200.

Оптимизм Adaptec

Adaptec 2005S "Raptor" -- контроллер Zero Chan- nel RAID, устанавливаемый в разъем SO-DIMM

Компания предлагает два решения ZCR, отличающиеся форм-фактором. Adaptec 2000S "Nighthawk" -- низкопрофильная PCI-карта для работы в серверах пьедестального типа или стоечных 2U-серверах. Контроллер Adaptec 2000S взаимозаменяем с Intel SRCMR. Уникальным является продукт 2005S "Raptor". Этот RAID-контроллер не нуждается в PCI-слоте: размером с кредитную карту, он идеально подходит под жесткие ограничения серверов высокой плотности и устанавливается параллельно плоскости материнской платы как дочерняя карта в разъем SO-DIMM на одной со SCSI-контроллером шине PCI. При этом слоты PCI (ценный ресурс в сверхплотных 1U- и 2U-серверах) освобождаются под другие контроллеры. Функционально ZCR-карты Adaptec 2000S и 2005S идентичны, как и логика их обслуживания EMRL. Отличия состоят только в формате изделий, разъемах подключения и сигналах определения наличия в системе ZCR-карты. Их базовый чип Adaptec AIC-7930W совмещает функции 100-мегагерцевого процессора ввода/вывода и механизма XOR. Контроллер использует те же архитектуру и программное обеспечение, что и стандартные RAID-контроллеры Adaptec, -- ATA 2400A, SCSI 2100S и семейство 3xxxS. Оба продукта имеют интерфейс PCI 64-бит/

66 MHz, поддерживают уровни RAID 0, 1, 0/1, 5, 0/5 и режим JBOD, оснащаются кэш-памятью 16 или 48 MB. Потребляемая мощность обеих карт 2 (!) Вт -- вчетверо меньше, чем у сопоставимых RAID-контроллеров традиционной компоновки.

Вкусы производителей плат

Adaptec 2000S "Nighthawk" -- контроллер Zero Channel RAID в варианте 64-бит PCI

Если говорить о предпочтениях ведущих производителей серверных материнских плат -- Intel, Supermicro и Tyan, то сегодня они солидарны по части использования двухканального контроллера Adaptec AIC-7899W в качестве транспортных SCSI-магистралей. C переходом на стандарт Ultra 320 SCSI его место на платах, вероятнее всего, займет Adaptec AIC-7902. C точки зрения унификации оборудования предпосылки для внедрения ZCR сложились благоприятные. Тем не менее каждый из трех лидеров по-своему трактует возросший спрос и на RAID-решения вообще, и на серверы высокой плотности в частности. Intel тяготеет к разработке универсальных платформ короткого модельного ряда. Supermicro и Tyan уделяют больше внимания платформам под тонкие 1U-серверы, их предложение по платам разнообразнее. Tyan активно проектирует альтернативные платформы неинтеловской архитектуры, тогда как Supermicro предпочитает "держаться корней".

Единодушия не наблюдалось и в вопросе ZCR. Intel и Tyan считают решение прежде всего недорогим, а уж потом компактным, малопотребляющим и пр. Соответственно, гибкость, универсальность и возможность поэтапного наращивания мощности широкого класса серверов обусловили их ориентацию на контроллеры Adaptec 2000S "Nighthawk" и Intel SRCMR. Supermicro, напротив, сделала ставку на миниатюрные размеры контроллеров Adaptec 2005 "Raptor", рассчитывая на эффект, в первую очередь, в 1U-решениях. В таблице приведен актуальный список плат, поддерживающих установку ZCR-карт.

E-mail автора: [email protected]

Як RPA-платформа допомогла SkyUр автоматизувати оплату рахунків