Marvell sas что это

Обновлено: 06.07.2024

На протяжении более 20 лет параллельный шинный интерфейс был самым распространенным протоколом обмена данных для большинства систем хранения цифровых данных. Но с ростом потребности в пропускной способности и гибкости систем стали очевидными недостатки двух самых распространенных технологий параллельного интерфейса: SCSI и ATA. Отсутствие совместимости между параллельными интерфейсами SCSI и ATA — разные разъемы, кабели и используемые наборы команд — повышает стоимость содержания систем, научных исследований и разработок, обучения и квалификации новых продуктов.

На сегодняшний день параллельные технологии пока еще устраивают пользователей современных корпоративных систем с точки зрения производительности, но растущие потребности в более высоких скоростях, более высокой сохранности данных при передаче, уменьшении физических размеров, а также в более широкой стандартизации ставят под сомнение способность параллельного интерфейса без излишних затрат поспевать за быстро растущей производительностью ЦПУ и скоростью накопителей на жестких дисках. Кроме того, в условиях жесткой экономии, предприятиям становится все труднее изыскивать средства на разработку и содержание разнотипных разъемов задних панелей серверных корпусов и внешних дисковых массивов, проверку на совместимость разнородных интерфейсов и инвентаризацию разнородных соединений для выполнения операций «ввод/вывод».

Использование параллельных интерфейсов также связано с рядом других проблем. Параллельная передача данных по широкому шлейфовому кабелю подвержена перекрестным наводкам, которые могут создавать дополнительные помехи и приводить к ошибкам сигнала — чтобы не угодить в эту ловушку, приходится снижать скорость сигнала или ограничивать длину кабеля, или делать и то, и другое. Терминация параллельных сигналов также связана с определенными трудностями — приходится завершать каждую линию в отдельности, обычно эту операцию выполняет последний накопитель, чтобы не допустить отражения сигнала в конце кабеля. Наконец, большие кабели и разъемы, применяемые в параллельных интерфейсах, делают эти технологии малопригодными для новых компактных вычислительных систем.

Представляем SAS и SATA

Последовательные технологии, такие как Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS), позволяют преодолеть архитектурные ограничения, присущие традиционным параллельным интерфейсам. Свое название эти новые технологии получили от способа передачи сигнала, когда вся информация передается последовательно (англ. serial), единым потоком, в отличие от множественных потоков, которые используются в параллельных технологиях. Главное преимущество последовательного интерфейса заключается в том, что, когда данные передаются единым потоком, они движутся гораздо быстрее, чем при использовании параллельного интерфейса.

Последовательные технологии объединяют многие биты данных в пакеты и затем передают их по кабелю со скоростью, в 30 раз превышающей скорость параллельных интерфейсов.

SATA расширяет возможности традиционной технологии ATA, обеспечивая передачу данных между дисковыми накопителями со скоростью 1,5 Гбайт в секунду и выше. Благодаря низкой стоимости в пересчете на гигабайт емкости диска SATA будет оставаться господствующим дисковым интерфейсом в настольных ПК, серверах начального уровня и сетевых системах хранения информации, где стоимость является одним из главных соображений.

Технология SAS, преемница параллельного интерфейса SCSI, опирается на проверенную временем высокую функциональность своего предшественника и обещает значительно расширить возможности современных систем хранения данных масштаба предприятия. SAS обладает целым рядом преимуществ, не доступных традиционным решениям в области хранения данных. В частности, SAS позволяет подключать к одному порту до 16 256 устройств и обеспечивает надёжное последовательное соединение «точка-точка» со скоростью до 3 Гб/с.

Кроме того, благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5-дюймовых дисковых накопителей (раньше эта функция была доступна только для 3,5-дюймовых дисковых накопителей с интерфейсом Fibre Channel). Это очень полезная функция в тех случаях, когда требуется разместить большое количество избыточных накопителей в компактной системе, например, в низкопрофильном блэйд-сервере.

SAS улучшает адресацию и подключение накопителей благодаря аппаратным расширителям, которые позволяют подключить большое количество накопителей к одному или нескольким хост контроллерам. Каждый расширитель обеспечивает подключение до 128 физических устройств, каковыми могут являться другие хост контроллеры, другие SAS расширители или дисковые накопители. Подобная схема хорошо масштабируется и позволяет создавать топологии масштаба предприятия, с лёгкостью поддерживающие многоузловую кластеризацию для автоматического восстановления системы в случае сбоя и для равномерного распределения нагрузки.

Одно из важнейших преимуществ новой последовательной технологии заключается в том, что интерфейс SAS будет также совместим с более экономичными накопителями SATA, что позволит проектировщикам систем использовать в одной системе накопители обоих типов, не тратя дополнительные средства на поддержку двух разных интерфейсов. Таким образом интерфейс SAS, представляя собой следующее поколение технологии SCSI, позволяет преодолеть существующие ограничения параллельных технологий в том, что касается производительности, масштабируемости и доступности данных.

Несколько уровней совместимости

Разъем SAS является универсальным и по форм-фактору совместим с SATA. Это позволяет напрямую подключать к системе SAS как накопители SAS, так и накопители SATA и таким образом использовать систему либо для жизненно важных приложений, требующих высокой производительности и оперативного доступа к данным, либо для более экономичных приложений с более низкой стоимостью в пересчете на гигабайт.

Набор команд SATA является подмножеством набора команд SAS, что обеспечивает совместимость устройств SATA и контроллеров SAS. Однако SAS накопители не могут работать с контроллером SATA, поэтому они снабжены специальными ключами на разъёмах, чтобы исключить вероятность неверного подключения.

Кроме того, сходные физические параметры интерфейсов SAS и SATA позволяют использовать новую универсальную заднюю панель SAS, которая обеспечивает подключение как накопителей SAS, так и накопителей SATA. В результате отпадает необходимость в использовании двух разных задних панелей для накопителей SCSI и ATA. Подобная конструктивная совместимость выгодна как производителям задних панелей, так и конечным пользователям, ведь при этом снижаются затраты на оборудование и проектирование.

Совместимость на уровне протоколов

Технология SAS включает в себя три типа протоколов, каждый из которых используется для передачи данных разных типов по последовательному интерфейсу в зависимости от того, к какому устройству осуществляется доступ. Первый — это последовательный SCSI протокол (Serial SCSI Protocol SSP), передающий команды SCSI, второй — управляющий протокол SCSI (SCSI Management Protocol SMP), передающий управляющую информацию на расширители. Третий — туннельный протокол SATA (SATA Tunneled Protocol STP), устанавливает соединение, которое позволяет передавать команды SATA. Благодаря использованию этих трех протоколов интерфейс SAS полностью совместим с уже существующими SCSI приложениями, управляющим ПО и устройствами SATA.

Такая мультипротокольная архитектура, в сочетании с физической совместимостью разъемов SAS и SATA, делает технологию SAS универсальным связующим звеном между устройствами SAS и SATA.

Выгоды совместимости

Совместимость SAS и SATA дает целый ряд преимуществ проектировщикам систем, сборщикам и конечным пользователям.

Проектировщики систем могут благодаря совместимости SAS и SATA использовать одни и те же задние панели, разъемы и кабельные соединения. Модернизация системы с переходом от SATA к SAS фактически сводится замене дисковых накопителей. Напротив, для пользователей традиционных параллельных интерфейсов переход от ATA к SCSI означает замену задних панелей, разъемов, кабелей и накопителей. К числу других экономичных преимуществ совместимости последовательных технологий следует отнести упрощенную процедуру сертификации и управление материальной частью.

VAR реселлеры и сборщики систем получают возможность легко и быстро изменять конфигурацию заказных систем, просто устанавливая в систему соответствующий дисковый накопитель. Отпадает необходимость работать с несовместимыми технологиями и использовать специальные разъемы и разные кабельные соединения. Более того, дополнительная гибкость в том, что касается выбора оптимального соотношения цены и производительности, позволит VAR реселлерам и сборщикам систем лучше дифференцировать свои продукты.

Для конечных пользователей совместимость SATA и SAS означает новый уровень гибкости в том, что касается выбора оптимального соотношения цены и производительности. Накопители SATA станут наилучшим решением для недорогих серверов и систем хранения данных, в то время как накопители SAS обеспечат максимальную производительность, надежность и совместимость с управляющим ПО. Возможность модернизации с переходом от накопителей SATA к накопителям SAS без необходимости приобретать для этого новую систему значительно упрощает процесс принятия решения о покупке, защищает инвестиции в систему и снижает общую стоимость владения.

Совместная разработка протоколов SAS и SATA

20 января 2003 года Ассоциация производителей SCSI Trade Association (STA) и Рабочая группа Serial ATA (SATA) II Working Group объявили о сотрудничестве в целях обеспечения совместимости технологии SAS с дисковыми накопителями SATA на системном уровне.

Сотрудничество этих двух организаций, а также совместные усилия поставщиков систем хранения данных и комитетов по стандартам направлены на выработку еще более точных директив в области совместимости, что поможет проектировщикам систем, ИТ специалистам и конечным пользователям осуществлять еще более тонкую настройку своих систем с целью достижения оптимальной производительности и надёжности и снижения общей стоимости владения.

Спецификация SATA 1.0 была утверждена в 2001 году, и сегодня на рынке представлены продукты SATA от различных производителей. Спецификация SAS 1.0 была утверждена в начале 2003 года, а первые продукты должны появиться на рынке в первой половине 2004 года.

Сегодня мы решили поговорить о жестких дисках с интерфейсом SAS, и не случайно. Новый виток интереса к SAS винчестерам возник примерно год назад с выходом материнских плат Asus на чипсете X58. Их отличительной особенностью являлся интегрированный SAS-контроллер, тогда как раньше для использования жестких дисков такого типа необходимо было покупать отдельный контроллер, который стоил не меньше, чем материнская плата. И потихоньку довольно дорогие SAS диски со скоростью вращения шпинделя 15000 оборотов в минуту стали перебираться в топовые «игровые» персоналки. Мы имели возможность оценить первые пробные конфигурации с RAID массивом из двух SAS Seagate Cheetah 15K.6 от крупных московских дистрибьюторов, и сразу возникли сомнения в целесообразности установки этих серверных «винтов» в десктопный компьютер, хоть и самый дорогой.

450 Gb SAS Seagate Cheetah 15K.6 Шум, вибрации и нагрев от SAS’ов были заметны сразу. В ходе тестов диски нагревались так, что трудно было держать руку. Но, возможно, эти минусы оправданы производительностью? Ведь в свое время SATA-диски со скоростью вращения шпинделя 10000 rpm прочно заняли место в топовых настольных системах. Что ж, попробуем ответить на этот вопрос на практике.
В сегодняшнем тесте мы протестируем жесткие диски 450 Gb SAS Seagate Cheetah 15K.6 ST3450856SS, как одиночный, так и в RAID0 и сравним их показатели с результатами аналогичного массива из SATA’шных Seagate Barracuda 7200.12. Это позволит нам выяснить, дают ли какое-то преимущество жесткие диски со скоростью вращения шпинделя 15000 оборотов/мин или нет.

Сравним характеристики

На стороне Barracuda 7200.12 больший объем, вдвое большая угловая плотность записи данных, малое в сравнении с тестируемыми в этом материале SAS-дисками энергопотребление, а также вдвое больший объем буфера. Производители не спешат ставить на серверные жесткие диски большое количества кэш-памяти – объясняется это тем, что хранение большого количества информации в буферной памяти снижает надежность, ради которой и проектируются эти HDD.

Серверный Seagate Cheetah в свою очередь имеет неоспоримое преимущество в виде вдвое большей скорости вращения и значительно сниженным благодаря этому временам доступа на чтение и запись.

Методика тестирования

Системная плата Asus P6T6 Revolution
Процессор Intel Core i7 975
Жесткий диск Maxtor DiamondMax <6L300S0> для системы
Оперативная память 3ГБ DDR3 1800МГц
Операционная система Microsoft Windows Vista с пакетом обновлений SP2

Everest Ultimate Edition 5.02.1750
HAB v0.4a
HD Tach 3.0.4.0
HD Tune v3.50
PCMark04
PCMark05
PCMark Vantage
Iometer-2006.07.27

При тестировании одиночных дисков использовалась файловая система NTFS с размером кластера по умолчанию. Под раздел на диске выделялось все доступное пространство. Для жестких дисков, объединенных в RAID0, размер кластера был выбран равным 16КБ. Под RAID0 из двух Seagate Cheetah было выделено максимально возможное дисковое пространство, то есть RAID0 из двух дисков был создан на объеме, равном общему объему дисков. Размер массива из Seagate Barracuda был равен размеру одного диска. RAID0 из дисков с SAS-интерфейсом был собран на встроенном контроллере Marvell 88SE6320. SATA-диски тестировались подключенными к ICH10R.
Все тесты были проведены по три раза, на графиках изображены средние значения полученных данных

HAB

«IO Delay» характеризует время доступа к жесткому диску, показывает скорость реакции диска (время, за которое контроллер выдаёт запрос и обрабатывает его) и системы (задержка в канале передачи данных плюс задержка в драйвере плюс задержка из-за скорости самого процессора) и быстродействие интерфейса. Чем этот параметр меньше, тем лучше.
Тест закончился за явным преимуществом серверного диска, скорость его реакции практически в два раза выше, чем у конкурента по данной статье. Также стоит отметить, что время доступа к массиву из двух SAS-дисков уменьшается по сравнению с одиночным диском в отличие от аналогичного времени для SATA-дисков. Не возьмусь утверждать, что такое действительно возможно и не является ошибкой тестовой программы, но сама тенденция не может не радовать и вселяет надежду, что Seagate Cheetah сможет порадовать хорошей скоростью.

«Access» отвечает за среднее время доступа, показывает, как долго будет лететь головка по поверхности пластины, пока не найдёт нужные данные. Этот параметр очень сильно влияет на отклик системы – чем он меньше, тем лучше.
Надежды оправдываются – преимущество во времени доступа, которое на субъективное ощущение скорости жесткого диска влияет сильнее, чем скорость чтения, достигает 2,5 раз. Оба диска получают преимущество во времени доступа при объединении в RAID0, но надо учесть, что у Seagate Barracuda это связано с тем, что доступный объем дискового пространства массива равен лишь половине максимально возможного объема дисков.

«Linear read» показывает скорость чтения последовательно расположенных данных при разном размере блоков. Чем эта скорость выше, тем, естественно, лучше.
SAS-диск быстрее при любом размере блока данных. Его максимальная скорость превышает 160 МБ/с против 125 МБ/с у Seagate Barracuda, который тем не менее является по данному показателю одним из самых быстрых дисков со скоростью вращения 7200 об/мин. Также обращает на себя внимание преимущество в работе SAS-контроллера: если RAID0 из Barracuda проигрывает одиночному при работе с блоками данных, меньших чем размер кластера, то у массива из Cheetah такого не наблюдается – уверенное ускорение работы по сравнению с одиночным диском.

Everest, HD Tune, HD Tach.
Время доступа жестких дисков и массивов из них также было измерено в других популярных программах.

Everest

HD Tune

HD Tach

Нет ничего удивительного, что и в них диск со скоростью вращения 15000 об/мин вырывается далеко вперед – 6 мс против 15 мс. Интересно, что мнение различных программ на то, быстрее ли отклик у RAID0 массива из SAS-дисков, чем у одиночного диска, разделилось пополам. HD Tach в этом вопросе солидарен HAB и отмечает некоторый прирост, а результаты тестирования HD Tune и Everest, напротив, показывают ухудшение на 0.6-0.8 мс времени доступа к диску.
Также в данных трех программах были измерены линейные скорости чтения жестких дисков.

Everest

HD Tune

HD Tach

*На графике с результатами в программе HD Tach отсутствует значение Burst Speed для массива из SAS-дисков, так как программа стабильно выдавала числа, больше 3500MB/s, что явно не может соответствовать действительности.

Seagate Cheetah показывает просто отличные результаты для механического диска – даже в конце скорость линейного чтения не падает ниже 100 МБ/с, а в случае RAID0-массива – ниже 200 МБ/с. В случае одиночного диска средняя скорость чтения на 30-50% выше, чем у одного из самых быстрых представителей 7200 об/мин дисков. В случае объединения дисков в RAID0 ситуация на графиках для SAS-дисков не такая выигрышная. Особенностью работы данного SAS-контроллера является очень ровный график линейного чтения при работе жестких дисков в массиве RAID0 – различия между скоростями в начале и в конце диска совсем невелики по сравнению с соответствующим графиком для обычных жестких дисков. Отсюда и кажущийся парадоксальным проигрыш серверных дисков по линейным скоростям чтениям.

PCMark04
Далее сравним работу жестких дисков в пакетах PCMark. Из PCMark04 интересен лишь один тест – «File Copying», который уникален, то есть встречается только в этой версии PCMark. В этом тесте оценивается скорость копирования набора файлов внутри одного раздела жесткого диска.

PCMark04

Результаты данного теста (притом хорошо повторяемые в различных операционных системах) говорят о его непригодности для тестирования SAS-дисков. Просто не может диск с такой скоростью вращения и столь малым временем отклика так сильно проигрывать обычному жесткому диску, пусть даже и одному из самых быстрых. Ускорения работы данного теста при использовании RAID0 из серверных дисков также не наблюдалось.

PCMark05
В тестовый пакет 2005 года входят следующие подтесты: «Windows XP Startup», отображающий скорость накопителя во время загрузки операционной системы; «Application Loading», демонстрирующий производительность дисковой системы при последовательном открытии и закрытии шести популярных приложений; «General Usage», отображающий скорость жестких дисков при работе ряда часто встречающихся приложений; «File Write», оценивающий скорость создания файлов; «Virus Scan», в котором измеряется производительность жесткого диска во время проверки файлов в системе на вирусы.

PCMark05 — чтение

Полное фиаско Seagate Cheetah? Нет, скорее это провал теста от Futuremark. Как бы мне ни нравились графические бенчмарки этой компании, но для тестирования некоторых жестких дисков ее творения не подходят совершенно. Из 10 тестов SAS-диски одержали победу только в двух: загрузке операционной системы Windows XP и загрузке приложений в режиме массива RAID0. Итоговый результат пакета HDD Test Suite образца 2005 года представлен на следующей диаграмме:

PCMark05 — итоговый балл

PCMark Vantage
Самый новый тест общей производительности системы от компании Futuremark включает в себя целых 8 тестов производительности жесткого диска.
В подтесте «Windows Defender» жесткий диск работает под многопоточной нагрузкой, одним из потоков которой является сканирование файлов. В «Gaming» эмулируется поведение накопителя под нагрузкой, характерной для компьютерных игр. В подтесте «Windows Photo Gallery» оценивается работа накопителя при загрузке изображений из галереи фотографий. В «Windows Vista Startup» эмулируется поведение накопителя при загрузке операционной системы Windows Vista. В «Windows Movie Maker» оценивается производительность под нагрузкой, характерной для редактирования видеоматериалов. В подтесте «Windows Media Center» жесткий диск тестируется в режиме, характерном для работы в «Media Center». В «Windows Media Player» эмулируется добавление файлов в «Windows Media Player». В «Application Loading» демонстрируется скорость диска при загрузке нескольких популярных приложений.

PCMark Vantage — чтение

Судя по результатам, в работе теста PCMark за годы между версиями 2005 и Vantage поменялось немногое. SATA-диски и поодиночке, и в массиве смотрятся увереннее. Можно это, конечно, попытаться объяснить большим количеством кэш-памяти или более эффективной прошивкой у Seagate 7200.12, но такой перевес явно не отражает истинное соотношение между этими дисками. Одиночный Cheeatah выигрывает у Barracuda в игровом подтесте, загрузке операционной системы Windows Vista. RAID0-массив из серверных жестких дисков, в свою очередь, выигрывает при сканировании файлов антивирусом, при добавлении изображений в галерею фотографий и в загрузке ОС Vista.

PCMark Vantage — итоговый балл

И комментировать не хочется. По результатам PCMark Vantage RAID0 из двух 15000 об/мин жестких дисков работает на уровне одиночного Seagate Barracuda…

Transfer Request Size – минимальный блок данных, к которому может обращаться тестовое приложение.
Percent Random/Sequential Distribution – процент случайных запросов. Остальные запросы, соответственно, являются последовательными.
Percent Read/Write Distribution – процент запросов на чтение/запись.

Linear — 1 Outstanding I/O
Very Light — 4 Outstanding I/Os
Light — 16 Outstanding I/Os
Moderate — 64 Outstanding I/Os
Heavy — 256 Outstanding I/Os

Настройки теста IOMetr

После прогона теста Iometer создает файл с большим количеством различных чисел: среднее число запросов, выполненных за секунду, среднее время выполнения операции, максимальное время выполнения операции, общее количество считанных и записанных байт, а также загрузку процессора в процентах. Для того чтобы не загромождать статью на диаграммах будут приведены по три числа для каждой конфигурации дисковой подсистемы, являющиеся рейтингами в моделях доступа File Server, Workstation и Database, соответственно. Рейтинг рассчитывается как среднее арифметическое от Total I/Os Per Second для всех значений числа одновременных запросов ввода/вывода в процентах от соответствующего результата жесткого диска 7200.11 ST31500341AS объемом 1500ГБ, сравнение с котором в тесте Iometer будет вестись и в последующих обзорах.

Iometer File Server
После удручающих результатов в PCMark предложим дискам сыграть на «домашнем» для серверного Seagate Cheetah поле, то есть как раз в области серсерных задач :).

Результаты сценария File Server

Напомню, что 100 соответствует скорость работы Seagate Barracuda предыдущего поколения 7200.11, новый 7200.12, как мы видим, немного быстрее его. Но эта прибавка в скорости меркнет по сравнению с ускорением, получаемым от работы SAS-диска. 130% разницы для одиночных дисков, двойное преимущество Cheetah над RAID0 из 7200об/мин дисков. Если же и этой скорости кому-то не хватает, то второй SAS позволяет увеличить ее еще на 40%. В-общем какой из этих дисков ставить в файловом сервер, такой проблемы попросту не существует – весь вопрос заключается в том, сколько штук брать.

Iometer Workstation

Результаты сценария Workstation

По результатам ясно, что и в рабочей станции не стоит экономить на дисковой подсистеме. Очень впечатляюще смотрятся 15000 об/мин. диски. Разве что масштабируемость RAID0 в данном случае похуже – всего 20%, но это не так важно – обычные диски все равно далеко позади. Кстати, в данном паттерне Seagate 7200.12 по скорости оказался практически равен своему предшественнику, в других тестах обычно у него было преимущество побольше.

Iometer Database

Результаты сценария Database

Базам данных также нравятся высокооборотистые жесткие диски – мы опять видим их преимущество в более чем два раза. И правда, любят SAS-диски высокие нагрузки, они проявили себя отлично во всех моделях доступа в тесте Iometer.

Вывод
Напрашивается вывод, что использование SAS-дисков в настольных системах неоправданно. Высокая цена, жесткие требования по охлаждению и неадекватные показатели многих популярных тестовых пакетов заставляют задуматься о том, что при всех минусах пользователь не получит заметных (за исключением отдельных специфических задач) преимуществ в производительности. Так что круче – не всегда лучше. А использование некоторыми производителями готовых систем SAS-дисков в своих конфигурациях больше напоминает маркетинговую уловку для привлечения состоятельных покупателей.

SAS (Serial Attached SCSI) - последовательный компьютерный интерфейс, разработанный для подключения различных устройств хранения данных, например, жёстких дисков и ленточных накопителей. SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и использует тот же набор команд SCSI.

SAS обратно совместим с интерфейсом SATA: устройства SATA II и SATA 6 Gb/s могут быть подключены к контроллеру SAS, но устройства SAS нельзя подключить к контроллеру SATA. Последняя реализация SAS обеспечивает передачу данных со скоростью до 12Гбит/с на одну линию. К 2017-му году ожидается появление спецификации SAS со скоростью передачи данных 24Гбит/с

SAS сочетает преимущества интерфейсов SCSI (глубокая сортировка очереди команд, хорошая масштабируемость, высокая помехозащищённость, большая максимальная длина кабелей) и Serial ATA(тонкие, гибкие дешёвые кабели, возможность горячего подключения, топология типа «точка-точка», позволяющая достигать большей производительности в сложных конфигурациях) с новыми уникальными возможностями – такими, как продвинутая топология подключения с использованием хабов, именуемых SAS-расширителями (SAS- экспандерами), подключение к одному диску двух SAS-каналов (как для повышения надёжности, так и производительности), работа на одном контроллере дисков как с SAS, так и с SATA-интерфейсом.

В сочетании с новой системой адресации это позволяет подключать до 128 устройств на один порт и иметь до 16256 устройств на контроллере, при этом не требуются какие-либо манипуляции с перемычками и т.п. Снято ограничение в 2 Терабайта на объём логического устройства.

Максимальная длина кабеля между двумя SAS-устройствами –10 м при использовании пассивных медных кабелей.

Собственно под протоколом передачи данных SAS подразумевается сразу три протокола - SSP (Serial SCSI Protocol), обеспечивающий передачу SCSI-команд, SMP (SCSI Management Protocol), работающий с управляющими SCSI-командами и отвечающий, к примеру, за взаимодействие с SAS-расширителями, и STP (SATA Tunneled Protocol), с помощью которого реализована поддержка SATA-устройств.

Производимые в данный момент SAS контроллеры имеют внутренние разъёмы типа SFF-8643 (так же может называться mini SAS HD), но все еще могут встретиться разъемы типа SFF-8087 (mini SAS), на который выведено 4 SAS канала.

Контроллер с четырьмя внутренними портами SFF-8643 и двумя внешними SFF-8644

Внешний вариант интерфейса использует разъём SFF-8644, но все еще может встретиться разъем SFF-8088. Он так же поддерживает четыре SAS канала.

SAS контроллеры полностью совместимы с SATA дисками и SATA-корзинами/бэкплейнами – подсоединение обычно осуществляется при помощи кабелей : кабелей SFF-8643 - Multilane SAS/SATA. Кабель выглядит примерно вот так:

SFF-8643 -> 4 x SAS/SATA

Обычно SAS корзины/объединительные панели (backplane) снаружи имеют SATA-разъёмы и в них всегда можно вставлять обычные SATA диски, поэтому их (такие корзины) обычно и называют SAS/SATA.

Однако существуют реверсивные варианты такого кабеля для подключения бэкплейна с внутренними разъёмами SFF-8087 к SAS-контроллеру, имеющему обычные SATA-разъёмы. Между собой такие кабели невзаимозаменяемы.

SAS диски нельзя подключить к SATA контроллеру или установить в SATA корзину/объединительную панель (backplane).

Отличия в физическом интерфейсе между SAS и SATA-дисками

Для подключения SAS дисков к контроллеру с внутренними разъёмами SFF-8643 или SFF-8087 без использования SAS корзин необходимо использовать кабель типа SFF-8643->SFF-8482 или SFF-8087->SFF-8482 соответственно.

Существующие версии интерфейса SAS (1.0, 2.0, и 3.0) имеют совместимость между собой, то есть диск SAS2.0 можно подключать к контроллеру SAS 3.0 и наоборот. Кроме того будущая версия 24 Gb/s так же будет иметь обратную совместимость.

В прошлой части цикла «Введение в SSD» мы рассказали про историю появления дисков. Вторая часть расскажет про интерфейсы взаимодействия с накопителями.

Общение между процессором и периферийными устройствами происходит в соответствии с заранее определенными соглашениями, называемыми интерфейсами. Эти соглашения регламентируют физический и программный уровень взаимодействия.

Интерфейс — совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.

Физическая реализация интерфейса влияет на следующие параметры:

пропускная способность канала связи;
максимальное количество одновременно подключенных устройств;
количество возникающих ошибок.

Дисковые интерфейсы построены на портах ввода-вывода, что является противоположностью вводу-выводу через память и не занимает место в адресном пространстве процессора.

Параллельные и последовательные порты

По способу обмена данными порты ввода-вывода делятся на два типа:

Как следует из названия, параллельный порт отправляет за раз машинное слово, состоящее из нескольких бит. Параллельный порт — самый простой способ обмена данными, так как не требует сложных схемотехнических решений. В самом простом случае каждый бит машинного слова отправляется по своей сигнальной линии, а для обратной связи используются две служебные сигнальные линии: Данные готовы и Данные приняты.

Последовательные порты — противоположность параллельным. Отправка данных происходит по одному биту за раз, что сокращает общее количество сигнальных линий, но усложняет контроллер ввода-вывода. Контроллер передатчика получает машинное слово за раз и должен передавать по одному биту, а контроллер приемника в свою очередь должен получать биты и сохранять в том же порядке.

Распиновка 50-ти контактного SCSI-коннектора CN50

Small Computer Systems Interface (SCSI) появился в далеком 1978 году и был изначально разработан, чтобы объединять устройства различного профиля в единую систему. Спецификация SCSI-1 предусматривала подключение до 8 устройств (вместе с контроллером), таких как:

сканеры;
ленточные накопители (стримеры);
оптические приводы;
дисковые накопители и прочие устройства.

Изначально SCSI имел название Shugart Associates System Interface (SASI), но стандартизирующий комитет не одобрил бы название в честь компании и после дня мозгового штурма появилось название Small Computer Systems Interface (SCSI). «Отец» SCSI, Ларри Баучер (Larry Boucher) подразумевал, что аббревиатура будет произноситься как «sexy», но Дал Аллан (Dal Allan) прочитал «sсuzzy» («скази»). Впоследствии произношение «скази» прочно закрепилось за этим стандартом.

В терминологии SCSI подключаемые устройства делятся на два типа:

Инициатор отправляет команду целевому устройству, которое затем отправляет ответ инициатору. Инициаторы и целевые устройства подключены к общей шине SCSI, пропускная способность которой в стандарте SCSI-1 составляет 5 МБ/с.

Используемая топология «общая шина» накладывает ряд ограничений:

на концах шины необходимы специальные устройства — терминаторы;
пропускная способность шины делится между всеми устройствами;
максимальное количество одновременно подключенных устройств ограничено.

Устройства на шине идентифицируются по уникальному номеру, называемому SCSI Target ID. Каждый SCSI-юнит в системе представлен минимум одним логическим устройством, адресация которого происходит по уникальному в пределах физического устройства номеру Logical Unit Number (LUN).

Пример организации SCSI-шины

Команды в SCSI отправляются в виде блоков описания команды (Command Descriptor Block, CDB), состоящих из кода операции и параметров команды. В стандарте описано более 200 команд, разделенных в четыре категории:

Mandatory — должны поддерживаться устройством;
Optional — могут быть реализованы;
Vendor-specific — используются конкретным производителем;
Obsolete — устаревшие команды.

Среди множества команд только три из них являются обязательными для устройств:

TEST UNIT READY — проверка готовности устройства;
REQUEST SENSE — запрашивает код ошибки предыдущей команды;
INQUIRY — запрос основных характеристик устройства.

После получения и отработки команды целевое устройство отправляет инициатору статус-код, которым описывается результат выполнения.

Дальнейшее усовершенствование SCSI (спецификации SCSI-2 и Ultra SCSI) расширило список используемых команд и увеличило количество подключаемых устройств до 16-ти, а скорость обмена данными по шине до 640 МБ/c. Так как SCSI — параллельный интерфейс, повышение частоты обмена данными было сопряжено с уменьшением максимальной длины кабеля и приводило к неудобству в использовании.

Начиная со стандарта Ultra-3 SCSI появилась поддержка «горячего подключения» — подключение устройств при включенном питании.

Первым известным SSD диском с интерфейсом SCSI можно считать M-Systems FFD-350, выпущенный в 1995 году. Диск имел высокую стоимость и не имел широкой распространенности.

В настоящее время параллельный SCSI не является популярным интерфейсом подключения дисков, но набор команд до сих пор активно используется в интерфейсах USB и SAS.

ATA / PATA

Распиновка 40-проводного ATA-коннектора

Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), так же известный как PATA (Parallel ATA) был разработан компанией Western Digital в 1986 году. Маркетинговое название стандарта IDE (англ. Integrated Drive Electronics — «электроника, встроенная в привод») подчеркивало важное нововведение: контроллер привода был встроен в привод, а не на отдельной плате расширения.

Решение разместить контроллер внутри привода решило сразу несколько проблем. Во-первых, уменьшилось расстояние от накопителя до контроллера, что положительным образом повлияло на характеристики накопителя. Во-вторых, встроенный контроллер был «заточен» только под определенный тип привода и, соответственно, был дешевле.

Разъемы PATA на материнской плате

ATA, как и SCSI, использует параллельный способ ввода-вывода, что отражается на используемых кабелях. Для подключения дисков с использованием интерфейса IDE необходимы 40-жильные кабели, также именуемые шлейфами. В более поздних спецификациях используются 80-жильные шлейфы: более половины из которых — заземления для уменьшения интерференции на высоких частотах.

На шлейфе ATA присутствует от двух до четырех разъемов, один из которых подключается в материнскую плату, а остальные — в накопители. При подключении двух устройств одним шлейфом, одно из них должно быть сконфигурировано как Master, а второе — как Slave. Третье устройство может быть подключено исключительно в режиме «только чтение».

Положение перемычки задает роль конкретного устройства. Термины Master и Slave по отношению к устройствам не совсем корректны, так как относительно контроллера все подключенные устройства — Slaves.

Особенным нововведением в ATA-3 считается появление Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Пять компаний (IBM, Seagate, Quantum, Conner и Western Digital) объединили усилия и стандартизировали технологию оценки состояния накопителей.

Поддержка твердотельных накопителей появилась с четвертой версии стандарта, выпущенной в 1998 году. Эта версия стандарта обеспечивала скорость обмена данными до 33.3 МБ/с.

Стандарт выдвигает жесткие требования к шлейфам ATA:

шлейф обязательно должен быть плоским;
максимальная длина шлейфа 18 дюймов (45.7 сантиметров).

Короткий и широкий шлейф был неудобен и мешал охлаждению. Повышать частоту передачи с каждой следующей версией стандарта становилось все сложнее, и ATA-7 решил проблему радикально: параллельный интерфейс был заменен последовательным. После этого ATA приобрёл слово Parallel и стал называться PATA, а седьмая версия стандарта получила иное название — Serial ATA. Нумерация версий SATA началась с единицы.

Распиновка SATA-коннекторов

Стандарт Serial ATA (SATA) был представлен 7 января 2003 года и решал проблемы своего предшественника следующими изменениями:

параллельный порт заменен последовательным;
широкий 80-жильный шлейф заменен 7-жильным;
топология «общая шина» заменена на подключение «точка-точка».

Несмотря на то, что стандарт SATA 1.0 (SATA/150, 150 МБ/с) был незначительно быстрее, чем ATA-6 (UltraDMA/130, 130 МБ/с), переход к последовательному способу обмена данными был «подготовкой почвы» к повышению скоростей.

Шестнадцать сигнальных линий для передачи данных в ATA были заменены на две витые пары: одна для передачи, вторая для приема. Коннекторы SATA спроектированы для большей устойчивости к множественным переподключениям, а спецификация SATA 1.0 сделала возможным «горячее подключение» (Hot Plug).

Некоторые пины на дисках короче, чем все остальные. Это сделано для поддержки «горячей замены» (Hot Swap). В процессе замены устройство «теряет» и «находит» линии в заранее определенном порядке.

Чуть более, чем через год, в апреле 2004-го, вышла вторая версия спецификации SATA. Помимо ускорения до 3 Гбит/с в SATA 2.0 ввели технологию Native Command Queuing (NCQ). Устройства с поддержкой NCQ способны самостоятельно организовывать порядок выполнения поступивших команд для достижения максимальной производительности.

Последующие три года SATA Working Group работала над улучшением существующей спецификации и в версии 2.6 появились компактные коннекторы Slimline и micro SATA (uSATA). Эти коннекторы являются уменьшенной копией оригинального коннектора SATA и разработаны для оптических приводов и маленьких дисков в ноутбуках.

Несмотря на то, что пропускной способности второго поколения SATA хватало для жестких дисков, твердотельные накопители требовали большего. В мае 2009 года вышла третья версия спецификации SATA с увеличенной до 6 Гбит/с пропускной способностью.

Особое внимание твердотельным накопителям уделили в редакции SATA 3.1. Появился коннектор Mini-SATA (mSATA), предназначенный для подключения твердотельных накопителей в ноутбуках. В отличие от Slimline и uSATA новый коннектор был похож на PCIe Mini, хотя и не был электрически совместим с PCIe. Помимо нового коннектора SATA 3.1 мог похвастаться возможностью ставить команды TRIM в очередь с командами чтения и записи.

Команда TRIM уведомляет твердотельный накопитель о блоках данных, которые не несут полезной нагрузки. До SATA 3.1 выполнение этой команды приводило к сбросу кэшей и приостановке операций ввода-вывода с последующим выполнением команды TRIM. Такой подход ухудшал производительность диска при операциях удаления.

Спецификация SATA не успевала за бурным ростом скорости доступа к твердотельным накопителям, что привело к появлению в 2013 году компромисса под названием SATA Express в стандарте SATA 3.2. Вместо того, чтобы снова удвоить пропускную способность SATA, разработчики задействовали широко распространенную шину PCIe, чья скорость превышает 6 Гбит/с. Диски с поддержкой SATA Express приобрели собственный форм-фактор под названием M.2.

Распиновка коннектора SFF-8482

«Конкурирующий» с ATA стандарт SCSI тоже не стоял на месте и всего через год после появления Serial ATA, в 2004, переродился в последовательный интерфейс. Имя новому интерфейсу — Serial Attached SCSI (SAS).

Несмотря на то, что SAS унаследовал набор команд SCSI, изменения были значительные:

последовательный интерфейс;
29-ти жильный кабель с питанием;
подключение «точка-точка».

Терминология SCSI также была унаследована. Контроллер по-прежнему называется инициатором, а подключаемые устройства — целевыми. Все целевые устройства и инициатор образуют SAS-домен. В SAS пропускная способность подключения не зависит от количества устройств в домене, так как каждое устройство использует свой выделенный канал.

Максимальное количество одновременно подключенных устройств в SAS-домене по спецификации превышает 16 тысяч, а вместо SCSI ID для адресации используется идентификатор World-Wide Name (WWN).

Несмотря на схожесть разъемов SAS и SATA, эти стандарты не являются полностью совместимыми. Тем не менее, SATA-диск может быть подключен в SAS-коннектор, но не наоборот. Совместимость между SATA-дисками и SAS-доменом обеспечивается при помощи протокола SATA Tunneling Protocol (STP).

Первая версия стандарта SAS-1 имеет пропускную способность 3 Гбит/с, а самая современная, SAS-4, улучшила этот показатель в 7 раз: 22,5 Гбит/с.

Распиновка слота PCIe x8

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) — последовательный интерфейс для передачи данных, появившийся в 2002 году. Разработка была начата компанией Intel®, а впоследствии передана специальной организации — PCI Special Interest Group.

Последовательный интерфейс PCIe не был исключением и стал логическим продолжением параллельного PCI, который предназначен для подключения карт расширения.

PCI Express значительно отличается от SATA и SAS. Интерфейс PCIe имеет переменное количество линий. Количество линий равно степеням двойки и колеблется в диапазоне от 1 до 16.

Термин «линия» в PCIe обозначает не конкретную сигнальную линию, а отдельный полнодуплексный канал связи, состоящий из следующих сигнальных линий:

прием+ и прием-;
передача+ и передача-;
четыре жилы заземления.

Количество PCIe-линий напрямую влияет на максимальную пропускную способность соединения. Современный стандарт PCI Express 4.0 позволяет достичь 1.9 Гбайт/с по одной линии, и 31.5 Гбайт/с при использовании 16 линий.

PCIe x8 NVMe-диск

«Аппетиты» твердотельных накопителей растут очень быстро. И SATA, и SAS не успевают увеличивать свою пропускную способность, чтобы «угнаться» за SSD, что привело к появлению SSD-дисков с подключением по PCIe.

Хотя PCIe Add-In карты прикручиваются винтом, PCIe поддерживает «горячую замену». Короткие пины PRSNT (англ. present — присутствовать) позволяют удостовериться, что карта полностью установлена в слот.

Твердотельные накопители, подключаемые по PCIe регламентируются отдельным стандартом Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification и воплощены в множестве форм-факторов, но о них мы расскажем в следующей части.

Удаленные накопители

При создании больших хранилищ данных появилась потребность в протоколах, позволяющих подключить накопители, расположенные вне сервера. Первым решением в этой области был Internet SCSI (iSCSI), разработанный компаниями IBM и Cisco в 1998 году.

Идея протокола iSCSI проста: команды SCSI «оборачиваются» в пакеты TCP/IP и передаются в сеть. Несмотря на удаленное подключение, для клиентов создается иллюзия, что накопитель подключен локально. Сеть хранения данных (Storage Area Network, SAN), основанная на iSCSI, может быть построена на существующей сетевой инфраструктуре. Использование iSCSI значительно снижает затраты на организацию SAN.

У iSCSI существует «премиальный» вариант — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN с использованием FCP строится на выделенных волоконно-оптических линиях связи. Такой подход требует дополнительного оптического сетевого оборудования, но отличается стабильностью и высокой пропускной способностью.

Существует множество протоколов для отправки команд SCSI по компьютерным сетям. Тем не менее, есть только один стандарт, решающий противоположную задачу и позволяющий отправлять IP-пакеты по шине SCSI — IP-over-SCSI.

Большинство протоколов для организации SAN используют набор команд SCSI для управления накопителями, но есть и исключения, например, простой ATA over Ethernet (AoE). Протокол AoE отправляет ATA-команды в Ethernet-пакетах, но в системе накопители отображаются как SCSI.

С появлением накопителей NVM Express протоколы iSCSI и FCP перестали удовлетворять быстро растущим требованиям твердотельных накопителей. Появилось два решения:

вынос шины PCI Express за пределы сервера;
создание протокола NVMe over Fabrics.

Вынос шины PCIe сопряжен с созданием сложного коммутирующего оборудования, но не вносит изменения в протокол.

Протокол NVMe over Fabrics стал хорошей альтернативой iSCSI и FCP. В NVMe-oF используются волоконно-оптическая линии связи и набор команд NVM Express.

Intel® Optane™ DC Persistent Memory

Стандарты iSCSI и NVMe-oF решают задачу подключения удаленных дисков как локальные, а компания Intel® пошла другой дорогой и максимально приблизила локальный диск к процессору. Выбор пал на DIMM-слоты, в которые подключается оперативная память. Максимальная пропускная способность канала DDR4 составляет 25 ГБ/с, что значительно превышает скорость шины PCIe. Так появился твердотельный накопитель Intel® Optane™ DC Persistent Memory.

Для подключения накопителя в DIMM слоты был изобретен протокол DDR-T, физически и электрически совместимый с DDR4, но требующий специального контроллера, который видит разницу между планкой памяти и накопителем. Скорость доступа к накопителю меньше, чем к оперативной памяти, но больше, чем к NVMe.

Протокол DDR-T доступен только с процессорами Intel® поколения Cascade Lake или новее.

Заключение

Почти все интерфейсы прошли долгий путь развития от последовательного до параллельного способа передачи данных. Скорости твердотельных накопителей стремительно растут, еще вчера твердотельные накопители были в диковинку, а сегодня NVMe уже не вызывает особого удивления.

В нашей лаборатории Selectel Lab вы можете самостоятельно протестировать SSD и NVMe диски.

Вытеснят ли NVMe-диски классические SSD в ближайшее время? Ждем вас в комментариях.

Читайте также: