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SAS技术更加适合于磁盘阵列

Watchstor.com  佚名丨2009-11-13 10:04 标签:HBA SAS 

SAS技术的诞生为磁盘阵列带来了新机。SAS是新一代的SCSI技术,其采用串行技术,可以获得更高的传输速度,为我们带来高速的存储体验。早在2006年初宣称“进入中端磁盘阵列才是SAS真正走向主流的标志”之前,我便开始等待这一时刻的到来。

直到HDS在SNW上发布了业内首个采用SAS技术的中端存储系统(磁盘阵列)——Adaptable Modular Storage 2000(AMS 2000)系列。虽然严格来说类似规格的IX3000系列还要早上一年,但H3C毕竟不是一线的存储系统供应商。换句话说,咱的标准就是“一线大厂 + 中端存储系统 + SAS = 主流”,至于具体是哪一家先吃了这个螃蟹,倒是相对次要的。

作为SAS技术的坚定支持者,我从2002年起就认为SAS比FC更适合磁盘阵列内部的存储互连。不过,在一个FC占统治地位的存储世界里,再加上出于自身利益的考虑,有多少人会考虑一个普通记者的意见呢?存在即合理,就好像FC的统治是天经地义一样。

然而,FC登上历史舞台其实也没多久——刚过十个年头而已。尽管,在更新换代频率奇高的IT行业,能有个机会唱一首《十年》,已经很不简单了。无论如何,历史表明,“存在即合理”更像是以结果推动机,真实的情况用“王侯将相,宁有种乎”来表达较为客观。

上世纪九十年代中期,存储厂商在组建磁盘阵列时基本没有选择,很多中高端磁盘阵列都采用SAS技术的前任——并行SCSI技术来连接磁盘驱动器。但是,作为一种共享总线技术,并行SCSI存在着致命的缺陷:一个通道理论上可以连接15个设备,而由于带宽有限和不完善的争用仲裁机制,实际上只能容纳4至6台磁盘驱动器,给磁盘阵列的设计带来了很大的困难。加之并行技术的种种局限,单一系统内部的磁盘驱动器数量很难超过100台。

因此,1997年,Data General的CLARiiON分部大胆地在其FC5000阵列中采用了刚出现不久的FC-AL技术,据说性能两倍于同时期的SCSI磁盘阵列。1999年,CLARiiON随着EMC的收购而成为后者的中端产品线。

巧合的是,同样是1997年,EMC发布了采用FC前端连接的新一代Symmetrix 3000/5000系列——注意,只是用于连接主机的前端用FC,后端磁盘连接还是SCSI。事实表明,EMC在磁盘阵列内部连接技术的选择上是非常保守的,因为2000年推出的Symmetrix 8000系列仍然采用SCSI作为后端连接,而该系列所支持的硬盘驱动器数量已多达384个。可见,有些时候,高端产品所采用的技术不一定比中端产品更先进,甚至有可能正相反,而在昂贵的系统中使用过时的技术也成为一些人攻击EMC的口实。

其实,EMC也挺冤的——用并行SCSI连接384个硬盘驱动器,绝对要比FC-AL难多了,想想就觉得太复杂,可不是随便谁都能做到的,成本上还真未必占了多大的便宜。

直到2003年推出的Symmetrix DMX,终于第一次采用了FC-AL后端连接,难怪EMC给这个全FC的设计用上了Direct Matrix Architecture(直连矩阵架构)的名字,形容的就是内部的矩阵式拓扑——并行SCSI可做不到。毕竟初试莺啼,Symmetrix DMX刚发布时支持的硬盘驱动器最多只有288个(DMX2000),几个月后才推出可支持576个硬盘驱动器的DMX3000——总算超过了Symmetrix 8000系列。

在征服的路上,FC-AL也不是未曾有过竞争对手。IBM倡导的SSA(Serial Storage Architecture,串行存储架构)是当时的另一种高性能硬盘驱动器接口,但与希捷(Seagate)力主的FC-AL相比,在开放性和厂商心理上都处于劣势。所以,FC-AL很快得到了众多厂商的拥护,到1997年已经击败了SSA,并逐渐成为中高端磁盘阵列的不二之选。

怎么样,有何感想?你还觉得FC在存储系统中的荣光是“君权神授”吗?那不妨再从技术上分析一下磁盘阵列内部应用FC技术的局限性吧。

SAS想要取代谁?

以现在的眼光来看,FC并不太适合磁盘阵列内部的存储互连。没错,串行技术、交换架构、高效的FCP协议和长达10公里的连接距离,FC的上述优势直到今天也不过时。然而,作为磁盘阵列内部存储互连的FC,却是个大打折扣的“缩水版”。

我们知道,复杂带来的高成本是FC最大的问题。以FC技术的复杂性,要在硬盘驱动器层面上实现对交换架构的支持,代价是非常高昂的,而磁盘阵列的内部连接也用不上10公里这么“夸张”的参数。因此,硬盘驱动器的所谓“FC”,其实是FC-AL(Fibre Channel Arbitrated Loop,光纤通道仲裁环路),经铜缆(机箱之间才是光纤)连接成一个环路,通过相对完善的仲裁机制共享带宽。一个仲裁环理论上可以连接127个设备,但受制于带宽,容纳的磁盘驱动器通常不到这个数字的一半。

然后,一个个的仲裁环,再通过环路交换机联结在一起,组成一个半交换的架构。当然,这个架构比起并行SCSI的总线架构是强多了,但也正体现出缔造时“先解燃眉之急”的思路。降低成本的初衷是好的,但在中端磁盘阵列都动辄装备数百台硬盘驱动器的今天,这种半交换架构导致系统的复杂性大为增加,而且性能瓶颈俯拾皆是。

其中最明显的问题就是带宽严重不足。目前主流的FC硬盘驱动器,顺序传输率平均(且不说最大)在80MB/s上下,一个4Gb/s的环路(硬盘驱动器最早也要2009年才能支持8Gb/s FC)连接5个就用满了,但在实际设计时,有可能这么慷慨么?因此,眼下的中高端磁盘阵列,在带宽型应用上都没有太突出的表现——至少,瓶颈不在硬盘的机械结构上!

FC磁盘阵列后端的FC-AL驱动器环路拓扑图,8个驱动器通道连着224个硬盘驱动器,每环路32个(共享4Gb/s带宽)

FC-AL面临的另一个挑战是因分层存储理念普及而大行其道的SATA硬盘驱动器。作为中端磁盘阵列,必须拥有能够在同一系统中混合使用高性能硬盘驱动器和大容量硬盘驱动器的能力。问题是FC-AL和 SATA在软硬件上均不兼容,无论是给大容量硬盘驱动器换上FC-AL接口,还是通过FC-SATA转换器件,都进一步提高了系统的复杂性和成本。

在这种大背景下,随着SAS技术的不断成熟,至少在中端磁盘阵列的层面上,变革的时机已经到来。

大约7年前,为了给带宽很难继续提升的并行SCSI缔造一个合适的接班人,Compaq(现HP)、IBM、LSI Logic、Maxtor和Seagate(如今是一家)带头开始发展被称为Serial Attached SCSI(串行连接SCSI,即SAS)的技术。这种技术继承了并行SCSI的指令集,却又利用了SATA的成果,软硬件都天然兼容后者,且通过将并行SCSI时代就有的Expander(扩展器)重新塑造成一个类似交换机的角色,由SATA的点对点架构升级为能够容纳上万个端口(一个设备可以拥有多个端口,如Expander)的全交换网络,同时还借鉴了FC-AL的双端口概念,以提高驱动器的可用性。(关于SAS技术,本人已经有足够多的文章介绍,在百度或Google上用“张广彬 SAS”为关键字搜索,前几页基本上能查个差不离,这里就不再详述。)由于兼具并行SCSI、SATA和FC-AL三者的优点,SAS可谓驱动器接口技术的集大成者。

虽然标准制定方一再宣称SAS是为了取代并行SCSI,但明眼人不难看出,绝大多数服务器内部并不需要这么强大的存储互连功能,否则并行SCSI早就被淘汰了。从双端口到较大量的设备连接能力,FC-AL都能提供,为什么服务器市场还是SCSI的天下呢?显然不仅仅是成本的问题。

从设计目标上来看,SAS有足够的能力取代FC-AL(不是交换式FC!),甚至能够以更低的成本做得更好。不过,SAS的发起者们多数在基于FC-AL驱动器的市场上也有着相当稳固的地位,加之纸面上的指标在变为现实之前不具备说服力,所以,从服务器市场替代并行SCSI开始是一个比较稳妥的做法。

得益于吸收SATA的成功元素,SAS的青春期很快来临。从2006年起,新推出的服务器全面采用SAS技术,SAS硬盘驱动器的供应状况亦逐渐改善。到了2007年,不少低端磁盘阵列也开始支持SAS,而在以前,它们只能使用容量大、价格便宜但却性能平平的SATA硬盘驱动器——在这个级别的产品上,混用FC-AL和SATA是不划算的。可以说,SAS技术的应用,间接提升了低端磁盘阵列的品质,为后者胜任一些更具挑战性的任务提供了可能。

即使不考虑和SATA混用的问题,FC也无法在低端磁盘阵列中与SAS抗衡。表面看来,目前SAS的接口速率是3Gb/s,略低于FC的4Gb/s。但是,SAS技术支持4路并联,这意味着一个4路宽端口的传输带宽可以达到12Gb/s——FC升级到8Gb/s都赶不上。所以,SAS有足够的资格作为磁盘柜之间的接口。至于磁盘柜的内部,FC-AL的带宽更是要分给环路上的几个硬盘驱动器共享,就算2009年支持8Gb/s的FC硬盘驱动器如期推出,还是无法与每个硬盘驱动器独享3Gb/s带宽的SAS相比。

长期以来,“FC”的前缀已经成为硬盘驱动器可靠性的象征,然而这不能构成拒绝接受SAS的理由。其实,以前的并行SCSI硬盘驱动器,就有着与FC-AL硬盘驱动器完全相同的机械组件,但是不像FC-AL那样具备双端口功能,所以整体上的可靠性略逊一筹。如今,SAS硬盘驱动器不仅机械组件与FC-AL硬盘驱动器完全相同,在双端口等接口功能上也毫不逊色,区别仅在于控制器接口和驱动器微码,因此,两者的可靠性处于同一水平。

在低端磁盘阵列上证明了能力之后,将中端磁盘阵列设定为SAS的下一个目标并不过份。那么,是不是有了足够的互连带宽和具备企业级可靠性的硬盘驱动器,SAS就可以进军中端磁盘阵列了呢?

扩展器和SAS 2.0,哪个是必须的?

SAS要想搞定中端磁盘阵列,有一个组件是无论如何也绕不过去的,它就是——高端口数扩展器。

低端磁盘阵列一般只有12~24个硬盘驱动器槽位,往往也不需要连接扩展磁盘柜,通过12端口以下的低端口数扩展器,甚至不用扩展器(多加SAS HBA)就可以解决。然而,要想顺利进驻需要支持近千台硬盘驱动器的中端磁盘阵列,24~36端口的高端口数扩展器乃是关键所在。

不同于已在低端磁盘阵列上得到证明的低端口数扩展器,高端口数扩展器的情况较为复杂。最初的SAS规范对扩展器的定义考虑不够周全,导致高端口数扩展器的标准化程度不够,来自不同厂商的SAS控制器和扩展器的互操作性未能尽如人意。为了解决这一问题,正在制订中的SAS 2.0规范不仅将信号速率倍增至6Gb/s,而且对扩展器分区过程加以标准化,拓扑中的设备数量可达256个,并由SAS扩展器执行设备发现功能,缩短了发现大型拓扑的时间,也利于拓扑的分区。

因此,在几年来第N次被我问到何时会将SAS技术用于中端磁盘阵列之后,集SAS技术主要提供商和IBM中端磁盘阵列OEM两大角色于一身的LSI公司终于表态——前提条件是SAS 2.0产品化。

坦白说,我不是很认同这样的回答。确实,与4Gb/s FC相比,6Gb/s SAS在速度规格上更具优势,但正如前面所说,SAS的全交换架构是FC-AL无法比拟的,每个硬盘驱动器独享3Gb/s带宽,效能不输8Gb/s FC-AL。嗯,SAS 2.0将改善扩展器的互操作性,可SAS 1.0/1.1也还不至于一无是处——至少,来自同一厂商的SAS控制器和扩展器,之间的互操作性应该是可以指望的吧?

个人感觉,或许与Expander扮演着类似交换机的角色有关,具有网络交换机IC开发经验的PMC-Sierra在这方面做得要好一些。H3C的IX3000系列就采用了PMC-Sierra的SAS解决方案,虽说推出一年多来只闻雷声少见雨点,至少可以让后者积累不少心得。目前还不知道HDS AMS 2000系列的SAS技术提供商是谁,但在Adaptec早已出局,同样具备足够网络背景的Vitesse亦于一年前将包括SAS技术在内的存储业务售予美信(Maxim Integrated Products Inc.)的情况下,只能是PMC-Sierra了——LSI不仅为HDS的竞争对手IBM提供OEM服务,而且其与AMS 2000同时发布的中端存储系统Engenio 7900(IBM的DS5000系列)仍然构建于FC-AL之上,也还真是没有做好在中端磁盘阵列中应用SAS技术的准备。

那么,AMS 2000系列是否采用了来自PMC-Sierra的SAS 2.0解决方案呢?PMC-Sierra推出SAS 2.0产品的时间确实比LSI要早一年多,但要真正成熟,也得等到2009年。重要的是,在SAS 1.0/1.1规范的框架内,设计良好的单厂商解决方案完全可以避免SAS扩展器的互操作性问题,并构建出AMS 2500(AMS 2000系列的旗舰产品,支持480个硬盘驱动器)级别的中端存储系统。既然如此,HDS当然没有必要“霸王硬上弓”,冒险采用尚未成熟的SAS 2.0技术。

SAS 2.0的另一个卖点是可以在长达10米的外部线缆上实现6Gb/s的传输率,而SAS 1.0/1.1对外部线缆长度的规定是“大于6米”。SCSI商业协会(STA)主席Harry Mason解释说,10米的长度可以满足机架之间互连的需求。不过,我倒是认为,对于模块化的中端磁盘阵列来说,把各个磁盘柜依次串连起来,6米的线缆长度也还是够用的。

官方名称待定的SAS 2.x计划把线缆长度延长到20米以上,并在考虑引入光学连接(光纤?),若得以实施,将来的高端磁盘阵列内部也有可能出现SAS的身影,进而全面把FC-AL赶出历史的舞台——注意:本文一直强调,在各种规模的磁盘阵列中,将被SAS取代的是FC-AL,而不是交换式的FC。FC以其完善的协议、强大的功能和长距离连接能力,仍然是磁盘阵列与主机相连的主要选择,而这远远超出了SAS的定位。AMS 2000系列的主机接口是什么?FC和iSCSI。

OK,先不要想高端磁盘阵列和主机接口了,至少中端磁盘阵列的SAS技术时代已经拉开大幕,这就是一个显著的进步。

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