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Serial Attached SCSI ist auf der Überholspur Die jüngste SAS-Generation zieht an PCIe vorbei

Autor / Redakteur: Thomas Pavel / Nico Litzel

Die Datenflut hält unvermindert an und stellt Systemarchitekten vor zahlreiche Herausforderungen. Wie lassen sich diese gewaltigen Datenmengen kostengünstig handhaben und wie kann die Speicherleistung aufrechterhalten oder gar verbessert werden? Die aktuelle SAS-Technologie der dritten Generation bietet eine Lösung. Im Folgenden soll aufgezeigt werden wie die neue Speichertechnik verschiedene Speicherengpässe beseitigt.

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Der Autor: Thomas Pavel ist EMEA Storage Sales Director bei Avago Technologies
Der Autor: Thomas Pavel ist EMEA Storage Sales Director bei Avago Technologies
(Bild: Avago Technologies)

Allein Facebook muss täglich ein halbes Petabyte an Kapazität hinzufügen, um mit den Unmengen an Fotos und Videos seiner Nutzer mitzuhalten. Mit steigenden Datenmengen verlängern sich auch die Zugriffszeiten auf die Daten und eine stetige Weiterentwicklung von Speicherlösungen ist vonnöten, um diese zu verkürzen.

Um Speichersysteme für höchst leistungsfähige Umgebungen zu entwickeln, ist es zualler-erst einmal wichtig zu verstehen, wo Engpässe auftreten können. Mit jeder Generation technologischen Fortschritts verschieben sich die Engpässe in der Datenspeicherung. Die drei wichtigsten Elemente, die sich auf die Speicherleistung auswirken, sind der PCIe-Bus des Servers, die in Host-Bus-Adaptern und Expandern implementierte SAS-Lösung und die Festplattenlaufwerke mit SAS oder mit SATA-Schnittstelle.

SAS befindet sich jetzt in seiner dritten Generation und die Performance hat sich mit jeder neuen Generation verdoppelt, von ursprünglich 3 Gbit/s auf 6 Gbit/s und jetzt 12 Gbit/s. Wie PCIe nutzt SAS sogenannte Lanes und hochleistungsfähige Speichersysteme schalten normalerweise mehrere SAS-Lanes zusammen, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Sowohl Festplattenlaufwerke als auch Solid State Disks können entweder SAS- oder SATA-Speicherschnittstellen unterstützen.

So setzt sich die Leistung von Speichersystemen zusammen

Bei der Entwicklung eines Speichersystems für hochleistungsfähige Umgebungen ist es wichtig, die Durchsatzbeschränkungen jedes einzelnen Elements zu verstehen. Der typische Durchsatz verschiedener Arten und Generationen der drei wichtigsten hier angesprochenen Elemente ist in Tabelle 1 in der Bildergalerie zusammengefasst.

Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung einiger Musterkonfigurationen, die zeigen, wo der Engpass bei der Konfiguration mit einem „vollständigen Satz“ von Festplatten besteht, dem langsamsten Element im System. Offenbar erfordert die Unterstützung einer größeren Anzahl von Festplatten für mehr Kapazität den Einsatz von aktuellen SAS- oder PCIe-Generationen oder mehr SAS-Lanes.

Niedriger Gesamtdurchsatz wird zum Engpass

Umgekehrt wird in Systemen mit einer geringen Anzahl von Festplatten deren relativ niedriger Gesamtdurchsatz zum Engpass. Das bedeutet, es ist nicht notwendig, die Konfiguration mit Technologien aktueller Generationen oder mehr SAS-Lanes zu überdimensionieren. Die in der Bildergalerie in Tabelle 2 aufgeführten Festplatten mit 15.000 RPM besitzen alle eine 6-Gbit/s-Schnittstelle, mit einem Durchsatz von jeweils 230 bzw. 550 Megabyte pro Sekunde für die HDDs und SSDs.

Man beachte, dass in Tabelle 2 davon ausgegangen wird, dass alle Festplatten gleichzeitig bei maximalem Durchsatz laufen, was aber nicht immer der Fall ist. Weiterhin ist wichtig, dass heute in zahlreichen Anwendungen in bestimmten Fällen die IOPS oftmals kritischer sind als der Durchsatz. Aus diesen Gründen ist jede Konfiguration normalerweise in der Lage, eine viel größere Anzahl von Festplatten zu unterstützen, als angegeben.

Ist die Migration zu 12-Gbit/s-SAS sinnvoll?

Die primäre Hürde bei der Migration zu SAS der dritten Generation ist bekannt: Investitionsschutz. Die meisten Unternehmen haben umfangreiche Investitionen in SAS-Festplatten getätigt und möchten diese bei der Umstellung auf 12-Gbit/s-SAS-Technologie schützen.

Der SAS-Standard der dritten Generation bietet Abwärtskompatibilität durch Drosselung auf die niedrigste SAS-Datenrate im System, was in kleinen Punkt-zu-Punkt-Konfigurationen auch kaum problematisch ist, da die Migration lediglich das Upgrade eines Initiators und dessen Target erfordern würde.

Das Problem ist jedoch dabei: Die meisten Unternehmen verfügen nicht über derartige Punkt-zu-Punkt-Konfigurationen. Die Leistungsbeschränkung auf die „niedrigste Datenrate“ auf der Systemebene bedeutet daher, dass diese Unternehmen ohne Punkt-zu-Punkt-Konfigurationen solange nicht in der Lage wären, die 12-Gbit/s-Leistungssteigerung zu erzielen, bis alle Festplatten diesen neuen Standard unterstützen.

Grenzen überwinden mit SAS-Expandern

Glücklicherweise gibt es eine Methode, diese Begrenzung zu überwinden, wofür einige Kenntnisse der Funktionsweise von SAS-Expandern erforderlich sind. Ein SAS-Expander versetzt einen einzelnen oder mehrere Initiatoren in die Lage, mit mehreren Targets gleichzeitig zu kommunizieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Mit Expandern kann die Skalierbarkeit von SAS erheblich gesteigert werden. Jeder einzelne unterstützt mehrere Festplatten, sodass es möglich ist, den Durchsatz dieser Platten zusammenzufassen.

Abbildung 1 zeigt redundante 48-Port-Expander, die mit zwei RAID-Controllern und einem gemeinsamen Festplattengehäuse verbunden sind. Zusätzliche Gehäuse können in einer in Reihe geschalteten Konfiguration angeschlossen werden und einige SAS-Expander unterstützen in derartigen Anordnungen über 2.000 Festplatten.

Gemäß dem SAS-Standard der dritten Generation gilt: Laufen beliebige der SAS- oder SATA-Festplatten mit 6 Gbit/s, arbeitet auch die Schnittstelle zu den RAID-Controllern mit 6 Gbit/s. Doch was wäre, wenn die Bandbreite von zwei 6-Gbit/s-Festplatten auf die gleiche Art und Weise wie mehrere Lanes mit PCIe in einem einzigen 12-Gbit/s-Kanal zusammengefasst werden könnten?

DataBolt-Grundprinzip

Diese Art der Kombination von Ziel-Bandbreite ist das Grundprinzip hinter der DataBolt-Technologie zur Bandbreitenaggregation. Sie ermöglicht eine unmittelbare Steigerung der IOPS und der Durchsatzleistung und bietet Investitionssicherheit mit Blick auf SAS-Speicher der ersten und zweiten Generation. Über Aggregation kann 12-Gbit/s-SAS auf eine Weise in einen vorhandenen 6-Gbit/s-Speicher-Array integriert werden, die in einer sofortigen Verdopplung der Gesamtsystemleistung resultiert. Um genau zu sein, macht die Bandbreitenaggregation die Nutzung von 12-Gbit/s-SAS-Festplatten zur Erreichung einer SAS-Leistung von 12-Gbit/s auf der Systemebene überflüssig.

Bei der Bandbreitenaggregation wird ein 12-Gbit/s-Puffer an jedem Port eingesetzt, um 12-Gbit/s-Kommunikation zwischen SAS-Initiatoren und dem SAS- oder SATA-Target-Gerät mit beliebiger Geschwindigkeit (3 Gbit/s oder 6 Gbit/s) zu ermöglichen. Während die Aggregationstechnologie selbst proprietär ist, läuft sie komplett Expander-intern, sodass alle Schnittstellen vollständig standardisiert werden können. Das heißt, dass ein mit einer 6-Gbit/s-SAS-Festplatte verbundener 12-Gbit/s-SAS-Port als abwärtskompatibler SAS-Port der zweiten Generation bei 6 Gbit/s laufen würde, während das System jedoch mit einer 12-Gbit/s-Datenrate der dritten Generation arbeitet.

SAS gibt mit der 3. Generation Gas und überholt PCIe – vorerst

Speicherengpässe migrieren zwischen den aufeinander folgenden Generationen der an den Endpunkten verwendeten Technologien. Mit dem Aufkommen von PCIe der dritten Generation wurde SAS der zweiten Generation der neue Speicherengpass. SAS der dritten Generation ist jetzt in der Lage, die Performance von PCIe der dritten Generation vollständig zu nutzen, was PCIe zum neuen Engpass in 12-Gbit/s-SAS-Systemen macht. Technologien wie DataBolt ermöglichen es Unternehmen, den derzeitigen Engpass zu beseitigen, ohne die Investitionen in bestehende Technologien zu verlieren. Mit dieser Intelligenz ausgestattet lässt sich also jeder bestehende Speicher auf die neueste Technologiestufe aufbohren. Bis dann irgendwann einmal der Nachfolger von PCIe noch mehr Durchsatz bietet – und das Spiel von vorne beginnt.

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