Kennismaking met Serial Attached SCSI

2006 zal het jaar worden waarin Serial Attached SCSI een hoge vlucht zal nemen in de servermarkt. Nadat ICT-professionals eerder kennis mochten nemen van Serial ATA en iSCSI, is Serial Attached SCSI de volgende grote ontwikkeling die zich in de markt voor storage- en serversystemen zal plaatsvinden. Als opvolger van de aloude parallelle SCSI-standaard biedt Serial Attached SCSI vele voordelen op het gebied van performance, schaalbaarheid en betrouwbaarheid. Reden voor Tweakers.net om zijn bezoekers kennis te laten maken met de mogelijkheden en eigenschappen van deze veelbelovende standaard. Dit doen we aan de hand van drie producten die gebruikmaken van de nieuwe standaard: een LSI Logic SAS3442X-host bus adapter, een AIC BR-SAS28-schijfbehuizing en acht stuks Fujitsu MAV2036RC-harde schijven.

Geschiedenis van de SCSI-standaard

Serial Attached SCSI, kortweg SAS, werd ontwikkeld als opvolger van de parallelle SCSI-standaard, die in zijn meest recente vorm een bandbreedte van 320MB/s per kanaal heeft bereikt. De geschiedenis van de parallelle SCSI-standaard gaat terug tot het begin van het computertijdperk, toen IBM's 360-mainframe over een I/O bus beschikte die met meerdere devices tegelijkertijd kon communiceren. Deze bus werd later bekend als het "OEM Channel" en werd na diverse verbeteringen en uitbreidingen aan het ANSI-instituut voorgesteld als standaard I/O bus voor uitbreidingsapparatuur. ANSI weigerde het voorstel vanwege het proprietaire karakter van de bus, onder het mom van de behoefte aan een industrie-gestandaardiseerde parallelle I/O bus. In het begin van de jaren tachtig ontwikkelden de oprichters van Adaptec, destijds werkend voor Shugart Associates, een parallelle I/O interface welke zij SASI, een afkorting van Shugart Associated System Interface, noemden. Toen de specificaties van deze interface waren voltooid, werd deze aan diverse fabrikanten voorgelegd. De nieuwe interface werd een commercieel succes. In 1981 werd SASI door Shugart en NCR voorgesteld aan ANSI als basis voor een gestandaardiseerde interface. ANSI ging akkoord vanwege het inmiddels brede gebruik van de standaard en zorgde voor een formalisering en uitbreiding van de specificaties. De naam werd veranderd in SCSI, mede om te voorkomen dat de nieuwe standaard voor altijd met een bepaalde fabrikant geassocieerd zou worden. In juni 1986 werd SCSI formeel opgenomen door het ANSI-instituut. Alan Shugart was later grondlegger van Seagate, nog steeds de grootste fabrikant van harde schijven ter wereld.

De ontwikkeling van de SAS-standaard werd aangegrepen om naast de signalerings- problematiek vele andere tekortkomingen van parallel SCSI aan te pakken. Als je de ontwikkelingen rond de Serial Attached SCSI-standaard hebt gevolgd, zul je in ieder geval enkele van die verbeteringen kunnen opnoemen. De meest in het oog springende is wel de interoperabiliteit met Serial ATA. Dankzij standaard ondersteuning van het Serial ATA Tunneling Protocol kunnen SAS-controllers moeiteloos overweg met SATA-harde schijven. Andersom, een SAS-harde schijf aansturen door een SATA-controller, is overigens niet mogelijk. Ook op andere gebieden is SAS sterk verbeterd. Het resultaat mag er dan ook zeker zijn. Serial Attached SCSI beschikt over een superieure performance, schaalbaarheid, betrouwbaarheid en flexibiliteit.

De basis voor de ongeëvenaarde mogelijkheden van Serial Attached SCSI ligt in een point-to-point architectuur, die in de eerste incarnatie van de SAS-standaard een bandbreedte van 300MB/s per link biedt. Serial Attached SCSI rekent af met de nadelen van shared bus-topologieën zoals Fibre Channel Arbitrated Loop en de SCSI-bus, waarin slechts één apparaat tegelijkertijd van de bus kan gebruikmaken. Shared bus-architecturen zijn bovendien vaak complexer dan p2p-topologieën en verkwisten meer tijd met het afhandelen van busarbitrage. Point-to-point architecturen kunnen meerdere apparaten tegelijkertijd verbinden, hebben eenvoudiger bekabeling en kunnen beter opgeschaald worden.

De fysieke laag van Serial Attached SCSI is gebaseerd op de Attachment Unit Interface- specificatie (XAUI) van de 10 Gigabit Ethernet-standaard. XAUI gebruikt vier parallel draaiende seriële kanalen van 3,125Gbit om een 10Gb connectie te vormen. SAS (en Serial ATA) hebben deze technologie overgenomen maar gebruiken slechts één kanaal op een snelheid van 3,0Gb/s of 1,5Gb/s.

Betrouwbaarheid

Betrouwbaarheid is vanwege de toepassing in enterprise-omgeving vanzelfsprekend een belangrijk punt van aandacht in de SAS-specificatie. Serial Attached SCSI is daarom voorzien van de mogelijkheid om apparaten op redundante wijze door middel van zogeheten dual porting te verbinden. Deze apparaten kunnen een harde schijf, een host bus adapter of een expander (waarover later meer) zijn. SAS heeft evenals de parallelle SCSI-standaard ondersteuning voor multi-initiator. Hiermee kunnen meerdere controllers verbinding maken met dezelfde schijf, bijvoorbeeld ten behoeve van clustering of failover. Serial ATA beschikt over een vergelijkbare maar minder geavanceerde feature genaamd Port Selector. De onderstaande illustratie is een voorbeeld van een redundante configuratie waarin dual ported harde schijven zijn aangesloten op twee SAS expanders, die ieder in verbinding staan met twee initiators.


Schaalbaarheid

Serial Attached SCSI is uitermate schaalbaar en biedt een adresruimte van 16.384 apparaten per SAS-domein. Wie meer bandbreedte nodig heeft dan de huidige 300MB/s per poort kan simpelweg meerdere poorten combineren tot een zogeheten Wide Port. Met behulp van SAS expanders kunnen poorten opgesplitst of gecombineerd worden. Een voorbeeld van een praktische toepassing is een configuratie waarin een 4-poorts SAS-controller is aangesloten op een backplane met twaalf harde schijven. Een in de backplane geïntegreerde zestienvoudige SAS expander zorgt ervoor dat de twaalf harde schijven over een 1200MB/s snelle verbindingen met het systeem kunnen beschikken. SAS expanders kunnen in serie geplaatst worden, zodat er naar believen gespeeld kan worden met het splitsen en stapelen van poorten. De totale bandbreedte van 2400MB/s die er met de huidige 8-poorts SAS-controllers gerealiseerd kan worden, is voor de huidige toepassingen al ruim bemeten. Toch voorziet de SCSI Trade Association reeds verhogingen van de poortsnelheid naar 600MB/s in de periode rond 2008 en 1,2GB/s in de periode rond 2012.

SAS expanders zijn beschikbaar in twee soorten: zogeheten edge expanders, die met maximaal 128 harde schijven verbonden kunnen worden, en fan-out expanders waarmee maximaal 128 edge expanders of harde schijven met elkaar in verbinding gebracht kunnen worden. Fan-out expanders maken gebruik van een routeringstabel om bij te houden waar de verschillende apparaten zich in het SAS-domein bevinden. Het is mogelijk om edge expanders te daisychainen mits ook deze zijn voorzien van een routeringstabel. De meeste fabrikanten hebben ervoor gekozen om hun edge expanders uit te rusten met een routeringstabel. Daarmee verdwijnt de noodzaak van het gebruik van fan-out expanders.

De oplettende tweakers zullen inmiddels de vergelijking gemaakt hebben tussen SAS expanders en Serial ATA port multipliers. Hoewel beide oplossingen op het eerste oog dezelfde functionaliteit bieden, zijn de mogelijkheden van port multipliers veel beperkter dan die van SAS expanders. Port multipliers kunnen niet in cascades geplaatst worden en bieden geen ondersteuning voor wide ports. Het adresbereik is beperkt tot 15 apparaten in plaats van het praktisch oneindige aantal dat door een opstapeling van SAS expanders bewerkstelligd kan worden. Verder zijn er verschillen ten aanzien van de prestaties en de data integriteit. De werking van een port multiplier is vergelijkbaar met die van een hub: er kan slechts één verbinding tegelijkertijd actief zijn, waardoor de effectieve doorvoer wordt beperkt. Iedere keer dat er een verbinding met een harde schijf wordt opgezet, moet er een tijdrovende drive reset plaatsvinden en wordt de reeds bestaande verbinding afgesloten.

SAS expanders zijn in werking vergelijkbaar met een snelle switch. Ze ondersteunen simultane verbindingen tussen meerdere apparaten in het SAS-domein. Ook ondersteunt SAS full-duplex verbindingen, waardoor de harde schijf en de host gelijktijdig gegevens naar elkaar kunnen versturen. Serial ATA is half-duplex; een SATA-apparaat kan op enig moment dus alleen data versturen of ontvangen. SAS garandeert een hogere gegevensintegriteit doordat ieder apparaat een uniek fysiek adres heeft en er meer informatie over de herkomst en de bestemming van de gegevensoverdracht in de headers van de datapakketjes wordt meegestuurd. Het risico dat gegevens naar de verkeerde disk worden gestuurd, wordt daarmee verkleind. SATA-harde schijven hebben slechts een nummer dat afhankelijk is van de poort waarop zij zijn aangesloten. Bij SATA-harde schijven die zijn aangesloten op een SAS expander verplaatst de uitgebreide headerinformatie zich tussen de expanders en de host bus adapters. Bij SAS-harde schijven pendelt de headerinformatie tussen drive en adapters.

Een belangrijk nadeel van parallel SCSI, vooral ten opzichte van Serial ATA, zijn de voor huidige maatstaven uit de kluiten gewassen kabels en connectors. Brede flatcables zijn niet bevorderlijk voor de airflow en de routering van kabels in een systeem. Grote connectors vormen een beperking voor het gebruik van SCSI in small form factor devices. De SCSI Trade Assocation heeft voor Serial Attached SCSI diverse nieuwe kabel- en connectorsoorten gedefinieerd. Men is daarbij zoveel mogelijk uitgegaan van de kabels en connectors die reeds voor de Serial ATA-standaard waren ontwikkeld. De kabels mogen maximaal acht meter lang zijn; minder dan bij Ultra320 SCSI (maximaal 12 meter bij meerdere devices of 25 meter point to point), maar aanzienlijk meer dan de 1 meter van Serial ATA. Veel tweakers die als ICT-professional werkzaam zijn, zullen binnenkort in aanraking komen met SAS-hardware of hebben dat al gedaan. We zullen de beschikbare connector- en kabelsoorten daarom kort bespreken.

De meest eenvoudige kabel is de welbekende single port SAS/SATA-kabel waarvan veel mensen er inmiddels één of meerdere in hun systeem gebruiken. De connector van dit kabeltje is formeel bekend als SFF-8482 en kan gebruikt worden voor de verbinding van enkelvoudige links.


Voor verbindingen met backplanes is er een SAS-system receptacle (backplaneconnector) die uiterlijk veel weg heeft van de SATA-system receptacle, maar afwijkt door ondersteuning van dual porting. Hiertoe bevinden zich enkele extra signaallijnen op de tegenovergestelde kant van de connector waar zich bij de SATA-stekker de connecties bevinden. Een extra nokje in de connector van de system receptacle voorkomt dat SAS-harde schijven aangesloten kunnen worden op een Serial ATA-system receptacle. SATA-harde schijven kunnen wel gepaard worden met de SAS-system receptacle. De system receptacle verzorgt niet alleen de communicatie tussen de apparaten maar ook de stroomvoorziening van het aangesloten apparaat. Zodoende wordt ook hotplugging mogelijk gemaakt. De system receptacles kunnen onder een hoek of verticaal op de backplane bevestigd worden. Naast de system receptacles zijn er harde schijf-aansluitkabels met een single of dual ported connector waarin tevens de stroomvoorziening is geïntegreerd.

Voor deze kennismaking met Serial Attached SCSI gebruikten we drie producten waarmee een aantal van de nieuwe features van de SAS-standaard gedemonstreerd kunnen worden. Deze producten zijn een LSI Logic SAS3442X PCI-X-host bus adapter, een AIC BR-SAS28-canister en acht Fujitsu MAV2036RC 2,5 inch SAS-harde schijfjes. De LSI Logic SAS3442X is gebaseerd op de 8-poorts SAS1068 Serial Attached SCSI-controller van LSI Logic en beschikt over een interne en een externe x4 connector. De adapter heeft geen ondersteuning voor RAID.


De zaken worden interessanter als we kijken naar de BR-SAS28 van AIC. Deze schijfbehuizing neemt de plaats in van twee 5,25 inch bays en biedt onderdak aan maar liefst acht verticaal geplaatste 2,5 inch SAS- of SATA-harde schijven. De backplane van het canister ondersteunt uiteraard hotplug en is voorzien van een SAS expander, zodat er slechts één host poort nodig is om de acht schijfjes aan te kunnen sturen. Het is echter ook mogelijk om gebruik te maken van tweevoudige of viervoudige wide ports, zodat de totale bandbreedte tussen canister en host tot 1,2GB/s opgevoerd kan worden. Voorlopig is dat niet nodig omdat de maximale sequentiële transfer rate van acht 2,5 inch harde schijfjes nog lang niet voldoende is om een wide port van 1,2GB/s te kunnen verzadigen.

We kregen de BR-SAS28 aangeleverd met acht Fujitsu MAV2036RC-schijfjes van elk 36GB. Fujitsu levert de MAV-serie ook met een capaciteit van 73GB. De schijfjes draaien op een toerental van 10.025rpm en beschikken over een buffer van 8MB. De MAV-serie is inmiddels opgevolgd door de MAY-serie welke voldoet aan de RoHS-richtlijn van de Europese Unie. Deze richtlijn verbiedt het gebruik van bepaalde schadelijke stoffen in elektronische apparatuur.

De parallelle SCSI-standaard heeft lang staande gehouden, maar met de komst van Serial Attached SCSI is er geen reden meer om nog langer aan deze veroudere technologie vast te houden. Serial Attached SCSI is op alle fronten beter. Het biedt een hogere betrouwbaarheid, een aanzienlijk verbeterde flexibiliteit en betere prestaties, wat met name is te danken aan de zeer goede schaalbaarheid. Werken met SAS is als stapelen met Lego. De geest van de parallelle SCSI-interface leeft voort in de commandoset van de SAS-standaard, maar voor zijn fysieke verschijning is geen plaats meer. SAS is dé interface van de toekomst wat betreft in-the-box storage in serveromgevingen. Veel professionals onder ons zullen binnen afzienbare tijd kennis maken met Serial Attached SCSI, en voor velen van hen zal dat een openbaring worden.

Tweakers.net zal in de toekomst met regelmaat aandacht blijven besteden aan Serial Attached SCSI. Binnenkort mag je tests verwachten van Serial ATA-harde schijven op een SAS-controller en zullen enkele nieuwe SAS-harde schijven aan de tand gevoeld worden. De veelbelovende, zeer goed schalende SAS RAID-adapters van onder andere Areca en LSI Logic zullen ook niet onbetast blijven.

Dankwoord: Met dank aan AIC Europe, Iwill Benelux en LSI Logic voor het beschikbaar stellen van onderdelen voor de tests in dit artikel.