Сравнение интерфейсов SCSI, SAS и SATA. Интерфейсы подключения жестких дисков: SCSI, SAS, Firewire, IDE, SATA

В современных компьютерных системах для подключения основных жестких дисков используются интерфейсы SATA и SAS. Как правило, первый вариант устраивает домашние рабочие станции, второй – серверные, поэтому технологии между собой не конкурируют, отвечая разным требованиям. Значительная разница в стоимости и объеме памяти заставляет пользователей задаваться вопросом, чем отличается SAS от SATA, и искать компромиссные варианты. Посмотрим, так ли это целесообразно.

SAS (Serial Attached SCSI) – последовательный интерфейс подключения устройств хранения данных, разработанный на основе параллельного SCSI для исполнения того же набора команд. Используется преимущественно в серверных системах.

SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными, базирующийся на основе параллельного PATA (IDE). Применяется в домашних, офисных, мультимедийных ПК и ноутбуках.

Если говорить о HDD, то, несмотря на различающиеся технические характеристики и разъемы, кардинальных расхождений между устройствами нет. Обратная односторонняя совместимость дает возможность подключать к серверной плате диски и по одному, и по второму интерфейсу.

Стоит заметить, что оба варианта подключения реальны и для SSD, но весомое отличие SAS от SATA в этом случае будет в стоимости накопителя: первый может быть дороже в десятки раз при сопоставимом объеме. Поэтому сегодня такое решение если уже и не редкое, то в достаточной мере взвешенное, и предназначено для быстрых центров обработки данных корпоративного уровня.

Сравнение

Как мы уже знаем, SAS находит применение в серверах, SATA – в домашних системах. На практике это означает, что к первым одновременно обращается много пользователей и решается множество задач, со вторыми же имеет дело один человек. Соответственно, серверная нагрузка намного выше, поэтому диски должны быть достаточно отказоустойчивыми и быстрыми. Протоколы SCSI (SSP, SMP, STP), реализованные в SAS, позволяют обрабатывать больше операций ввода/вывода одновременно.

Непосредственно для HDD скорость обращения определяется в первую очередь скоростью вращения шпинделя. Для desktop-систем и ноутбуков необходимо и достаточно 5400 – 7200 RPM. Соответственно, найти SATA-диск с 10000 RPM почти невозможно (разве что посмотреть серию WD VelociRaptor, предназначенную, опять же, для рабочих станций), а все, что выше, – абсолютно недостижимо. SAS HDD раскручивает минимум 7200 RPM, стандартом можно считать 10000 RPM, а достаточным максимумом – 15000 RPM.

Считается, что диски с последовательным SCSI надежнее, у них выше показатели наработки на отказ. На практике стабильность достигается больше за счет функции проверки контрольных сумм. Накопители SATA же страдают от «тихих ошибок», когда данные записываются частично либо повреждены, что приводит к появлению bad-секторов.

На отказоустойчивость системы работает и главное достоинство SAS – два дуплексных порта, позволяющих подключить одно устройство по двум каналам. Обмен информацией в этом случае будет вестись одновременно в обоих направлениях, а надежность обеспечивается технологией Multipath I/O (два контроллера страхуют друг друга и разделяют нагрузку). Очередь помеченных команд выстраивается глубиной до 256. У большинства дисков SATA один полудуплексный порт, а глубина очереди по технологии NCQ – не более 32.

Интерфейс SAS предполагает использование кабелей длиной до 10 м. К одному порту через расширители можно подключить до 255 устройств. SATA ограничивается 1 м (2 м для eSATA), и поддерживает подключение только одного устройства по типу «точка – точка».

Перспективы дальнейшего развития – то, в чем разница между SAS и SATA тоже ощущается достаточно остро. Пропускная способность интерфейса SAS достигает 12 Гбит/с, а производители анонсируют поддержку скорости обмена данными 24 Гбит/с. Последняя ревизия SATA остановилась на 6 Гбит/с и эволюционировать в этом отношении не будет.

Накопители SATA в пересчете на стоимость 1 Гб обладают очень привлекательным ценником. В системах, где скорость доступа к данным не имеет решающего значения, а объем хранимой информации велик, целесообразно использовать именно их.

Таблица

Высокопроизводительные серверные накопители для решения ответственных задач редко попадают в поле зрения IT-изданий. Ничего удивительного, ведь мы в большей степени ориентируемся на массового покупателя, чем на системных администраторов и поставщиков серверного оборудования. Между тем проводить тесты серверных HDD даже важнее, чем тесты десктопных, - по нескольким причинам. Во-первых, из-за более высокой стоимости накопителей и более высокой чувствительности серверных задач к производительности. После массового распространения твердотельных накопителей различия между десктопными дисками перестали иметь большое значение, а в сервере замена HDD на SSD еще далеко не всегда целесообразна. Следующее обстоятельство вытекает из первого: HDD для десктопа или домашнего NAS вполне можно выбирать по базовым техническим характеристикам (объем, скорость вращения шпинделя, емкость пластин). В случае с серверным HDD многое зависит от оптимизации микропрограммы, которая проявляет себя в сложной нагрузке и, соответственно, требует специальных тестов, чтобы уловить эти особенности. Наконец, при больших масштабах вступает в игру такой параметр, как отношение производительности к энергопотреблению накопителя.

За последние несколько лет выбор жестких дисков корпоративного назначения, определенно, стал проще. Перестали производиться модели с интерфейсами Fibre Channel и SCSI. Накопители разделились на два класса: модели в форм-факторе 3,5 дюйма ограничиваются скоростью вращения 7200 об/мин, обладают интерфейсом SAS или SATA - на выбор и предназначены для хранения «холодных» данных (nearline storage). Диски со скоростью 10 000-15 000 об/мин пользуются интерфейсом SAS и в большинстве своем перешли в форм-фактор 2,5 дюйма (SFF - Small Form Factor), который позволяет увеличить количество шпинделей на юнит в стойке. Только у HGST еще остались накопители класса 15К в форм-факторе 3,5 дюйма и с портами Fibre Channel.

Nearline-дискам в конфигурации SATA мы уже постоянно уделяем внимание, а вот тест SAS/SCSI-накопителей впервые публикуется на 3DNews.

⇡ Участники тестирования

В сравнении приняли участие следующие устройства:

• HGST Ultrastar C10K1800 1,8 Тбайт (HUC101818CS4200);
• HGST Ultrastar C15K600 600 Гбайт (HUC156060CSS200);
• Seagate Savvio 10K.6 900 Гбайт (ST900MP0006);
• Seagate Enterprise Performance 10K HDD v7 1,2 Тбайт (ST1200MM0017);
• Seagate Enterprise Performance 15K HDD v5 600 Гбайт (ST600MP0035);
• Toshiba AL13SEB 900 Гбайт (AL13SEB900);
• Toshiba AL13SXB 600 Гбайт (AL13SXB600N);
• WD VelociRaptor 1 Тбайт (WD1000DHTZ).

В противоположность жесктим дискам для настольных ПК и NAS, SAS-накопители не так сильно отличаются друг от друга. Все участники:

а) выпускаются в форм-факторе 2,5 дюйма с толщиной 15 мм;

б) обладают двумя портами SAS для повышения отказоустойчивости;

в) подготовлены для работы в режиме 24/7 в условиях телекоммуникационной стойки;

г) позволяют пользователю конфигурировать размер сектора для записи дополнительных метаданных;

д) характеризуются одинаковыми показателями надежности (MTBF, число циклов парковки головок);

е) продаются с пятилетней гарантией производителя.

Для тестирования были выбраны модели максимального объема в соответствующих линейках. Представлена продукция всех компаний, которые сегодня выпускают HDD, за одним исключением. Мы исчерпали все возможности получить на тест диск WD Xe (кроме как просто купить его за немалые деньги), а недавно эта марка и вовсе пропала с корпоративного сайта Western Digital - видимо, снимается с производства. В итоге из всех дисков со скоростью вращения шпинделя 10-15 тыс. об/мин у WD остался только VelociRaptor - по сути, производная от WD Xe, но с интерфейсом SATA. Чтобы WD хоть как-то была представлена в обзоре, мы включили VelociRaptor в число участников. Конечно, 100-процентной заменой SAS-накопителям его считать нельзя, однако масса серверов работает на SATA-накопителях, так что и VelociRaptor можно пустить в дело. Кроме того, если посмотреть с другой стороны, любой из дисков для SAS можно использовать в рабочей станции с соответствующим HBA (Host Bus Adapter) вместо VelociRaptor, что также оправдывает участие этого диска в сегодняшнем тесте.

⇡ Описание участников тестирования

HGST Ultrastar C10K1800 1,8 Тбайт (HUC101818CS4200)

Это самый емкий диск в новейшей линейке десятитысячников HGST. Серия Ultrastar C10K1800 примечательна в нескольких отношениях. В моделях, наименование которых заканчивается на S420x, благодаря высокой плотности записи с применением форматирования секторами по 4 Кбайт (нативным или с эмуляцией 512-байтовых секторов) достигнута емкость 450 Гбайт на пластину. Поэтому диск вмещает до 1,8 Тбайт, а скорость последовательного чтения/записи вышла на уровень HDD класса 15 тыс. об/мин.

Остальная часть линейки состоит из дисков с разметкой по 512-528 байт, обладающих менее выдающимся быстродействием и объемом вплоть до 1,2 Тбайт.

Все модели в линейке C10K1800 имеют так называемый media cache. В нескольких местах на поверхности пластин выделены области, служащие энергонезависмым кешем. Вместо того чтобы нести данные к запрошенному сектору, записывающая головка диска сбрасывает их в ближайшую кеширующую область, а в простое диска они перемещаются на нужное место.

Между прочим, это самый дорогой диск в тесте, просто фантастически дорогой - в среднем 161 тыс. рублей в московских интернет-магазинах. А в Америке, кстати, намного дешевле - $800 на newegg.com .

HGST Ultrastar C15K600 600 Гбайт (HUC156060CSS200)

Единственная линейка 2,5-дюймовых дисков со скоростью вращения шпинделя 15 тыс. об/мин в ассортименте HGST. Диски Ultrastar C15K600 одновременно обладают предельной на текущий момент скоростью последовательного чтения/записи и низкой латентностью. Физическое форматирование пластин выполняется секторами по 512-528 либо 4096-4224 байт (с нативным доступом или эмуляцией 512 байт). В тестировании участвует самая емкая модель в линейке - 600 Гбайт с секторами по 4 Кбайт.

Seagate Savvio 10K.6 900 Гбайт (ST900MP0006)

Это довольно-таки старые диски - позапрошлого поколения по сравнению с актуальной линейкой Enterprise Performance 10K от Seagate. Поэтому производительность Savvio 10K.6 уже не передовая в данном классе. Форматирование пластин выполнено секторами по 512-528 байт. Впрочем, эти диски все еще есть в продаже, имеют неплохой объем (вплоть до 900 Гбайт) и относительно недороги.

Seagate Enterprise Performance 10K HDD v7 1,2 Тбайт (ST1200MM0017)

Эта серия тоже успела формально устареть к моменту выхода теста, уступив место Enterprise Performance 10K HDD v8. От Savvio 10K.6 данные диски отличаются только повышенным до 1,2 Тбайт объемом, но это достигнуто путем увеличения числа пластин, а не плотности записи, поэтому в отношении заявленной производительности с предыдущим поколением разницы нет. Участвующая в тестировании модель ST1200MM0017 обладает встроенным шифрованием.

Почему SAS?

Интерфейс Serial Attached SCSI - это не просто последовательная реализация протокола SCSI. В нём реализовано намного больше, чем простой перенос функций SCSI, таких как TCQ (Tagged Command Queuing, тэгированная очередь команд), через новый разъём. Если бы нам была нужна наибольшая простота, то тогда мы бы использовали интерфейс Serial ATA (SATA), являющийся простым соединением "точка-точка" между хостом и конечным устройством, таким как жёсткий диск.

Но SAS базируется на объектной модели, определяющей "домен SAS” - систему доставки данных, которая может включать в себя опциональные экспандеры (expander) и конечные устройства SAS, такие как жёсткие диски и host-адаптеры (host bus adapters, HBA). В отличие от SATA, устройства SAS могут иметь несколько портов, каждый из которых может использовать несколько физических соединений, чтобы обеспечивать более скоростные (широкие) подключения SAS. Кроме того, к любой определённой цели могут обращаться несколько инициаторов, а длина кабеля может составлять до восьми метров (для первого поколения SAS) против одного метра у SATA. Вполне понятно, что это обеспечивает немало возможностей для создания высокопроизводительных или избыточных решений хранения данных. Кроме того, SAS поддерживает протокол SATA Tunneling Protocol (STP), позволяющий подключать к SAS-контроллеру устройства SATA.

Стандарт SAS второго поколения увеличивает скорость соединения с 3 до 6 Гбит/с. Данный прирост скорости очень важен для сложных окружений, где требуется высокая производительность из-за высокоскоростных хранилищ. Новая версия SAS также призвана снизить сложность прокладки кабелей, а также число соединений на Гбит/с пропускной способности, увеличивая возможную длину кабелей и улучшая работу экспандеров (разбиение на зоны и автоматическое обнаружение). Чуть ниже мы поговорим об этих изменениях в деталях.

Увеличение скорости SAS до 6 Гбит/с

Чтобы донести преимущества SAS до более широкой аудитории, SCSI Trade Association (SCSI TA) представила учебник по технологии SAS на конференции Storage Networking World Conference, которая прошла чуть раньше в этом году в Орландо (США, Флорида). Так называемый SAS Plugfest, где демонстрировалась работа SAS на 6 Гбит/с, совместимость и функции, прошёл ещё раньше в ноябре 2008 года. LSI и Seagate стали первыми на рынке, кто представил "железо", совместимое с SAS на 6 Гбит/с, но остальные производители тоже должны вскоре подтянуться. В нашей статье мы рассмотрим текущее состояние технологий SAS и некоторые новые устройства.

Функции и основы SAS

Фундаментальные основы SAS

В отличие от SATA, интерфейс SAS работает на основе полного дуплекса, предоставляя полную пропускную способность в обоих направлениях. Как уже упоминалось ранее, соединения SAS всегда устанавливаются через физические подключения, используя уникальные адреса устройств. Напротив, SATA может адресовать только номера портов.

Каждый адрес SAS может содержать несколько интерфейсов физического уровня (PHY), что позволяет создавать более широкие подключения через InfiniBand (SFF-8470) или кабели mini-SAS (SFF-8087 и -8088). Обычно четыре интерфейса SAS с одним PHY на каждом объединяются в один широкий интерфейс SAS, который уже подключается к SAS-устройству. Связь может осуществляться и через экспандеры, которые работают больше как коммутаторы, нежели как устройства SAS.

Такие функции, как разбиение по зонам (zoning) теперь позволяют администраторам привязывать конкретные устройства SAS к инициаторами. Именно здесь будет полезна увеличенная пропускная способность SAS 6 Гбит/с, поскольку у четырёхканального соединения теперь будет в два раза большая скорость. Наконец, устройства SAS могут даже иметь несколько адресов SAS. Поскольку накопители SAS могут использовать два порта, с одним PHY на каждом, то накопитель может иметь два адреса SAS.

Соединения и интерфейсы

Нажмите на картинку для увеличения.

Адресация соединений SAS происходит через порты SAS, используя SSP (Serial SCSI Protocol), но связь на нижнем уровне от PHY до PHY осуществляется, используя одно или несколько физических соединений по причинам увеличения пропускной способности. SAS использует кодирование 8/10 бит, чтобы преобразовывать 8 бит данных в 10-символьные передачи в целях восстановления синхронизации, баланса DC и определения ошибок. В итоге мы получаем эффективную пропускную способность 300 Мбайт/с для режима передачи 3 Гбит/с и 600 Мбайт/с для подключений 6 Гбит/с. Технологии Fibre Channel, Gigabit Ethernet, FireWire и другие работают по схожей схеме кодирования.

Интерфейсы питания и данных SAS и SATA очень похожи друг на друга. Но если у SAS интерфейсы данных и питания объединены в один физический интерфейс (SFF-8482 на стороне устройства), то SATA требует двух раздельных кабелей. Зазор между контактами питания и данных (см. иллюстрацию выше) в случае SAS закрыт, что не позволяет подключать устройство SAS к контроллеру SATA.

С другой стороны, устройства SATA могут прекрасно работать на инфраструктуре SAS благодаря STP или в "родном" режиме, если не используются экспандеры. STP добавляет дополнительную задержку при прохождении через экспандеры, поскольку им нужно устанавливать соединение, что происходит медленнее, нежели прямая связь SATA. Впрочем, задержки всё равно очень малы.

Домены, экспандеры

Домены SAS можно представить в виде древовидных структур наподобие сложных сетей Ethernet. Экспандеры SAS могут работать с большим количеством SAS-устройств, но они используют принцип коммутации каналов, а не более распространённую коммутацию пакетов. Некоторые экспандеры содержат в себе устройства SAS, другие - нет.

SAS 1.1 распознаёт граничные экспандеры (edge expander), которые позволяют инициатору SAS связываться с до 128 дополнительными адресами SAS. В домене SAS 1.1 можно использовать только два граничных экспандера. Впрочем, один экспандер расширения (fanout expander) может подключать до 128 граничных экспандеров, что существенно увеличивает возможности инфраструктуры вашего решения SAS.

Нажмите на картинку для увеличения.

По сравнению с SATA интерфейс SAS может показаться сложным: разные инициаторы обращаются к целевым устройствам через экспандеры, что подразумевает прокладку соответствующих маршрутов. SAS 2.0 упрощает и улучшает прокладку маршрутов.

Следует помнить, что SAS запрещает петли или множественные пути. Все соединения должны быть "точка-точка" и эксклюзивными, но сама по себе архитектура подключений хорошо масштабируется.

Новые функции SAS 2.0: экспандеры, производительность

Зоны экспандера и автоматическая конфигурация

Граничные (edge) и расширяющие (fanout) экспандеры практически остались в истории. Это часто связывают с обновлениями в SAS 2.0, но причина на самом деле кроется в зонах SAS, появившихся в 2.0, которые позволяют убрать разделение между граничными и расширяющими экспандерами. Конечно, зоны обычно реализуются специфически для каждого производителя, а не как единый индустриальный стандарт.

По сути, теперь на одной инфраструктуре доставки информации можно располагать несколько зон. Это значит, что к целям (накопителям) в хранилище могут обращаться разные инициаторы через один и тот же экспандер SAS. Сегментация домена выполняется через зоны, доступ осуществляется эксклюзивным образом.

Ох, сигейта нет на вас;). Я видел отличную презентацию про отличия SAS и SATA у Игоря Макарова из Seagate. По стараюсь кратко и по существу.

Ответов несколько и с разных сторон.
1. С точки зрения протоколов, SAS - это протокол, направленный на максимальную гибкость, надежность, функциональность. Я бы сравнил SAS с технологией ECC для памяти. SAS - это с ECC, SATA - без. Примером могут служить следующие уникальные фичи (по сравнению с SATA).
- 2 полнодуплексных порта на устройствах SAS в отличие от одного полудуплексного у SATA. Это дает возможность строить отказоустойчивые много дисковые топологии в системах хранения данных.
- end-to-end data protection T.10. - набор алгоритмов SAS, позволяющий с помощью чексумм быть уверенным в том, что данные, подготовленные на запись без искажений записаны на устройство. И прочитаны и переданы на хост без ошибок. Эта уникальная функция позволяет избавиться от так называемых silent errors, то есть когда на диск пишутся ошибочные данные, но никто об этом не знает. Ошибки могут появиться на любом уровне. Чаще всего в буферах в оперативной памяти при приеме-передаче. Silent errors - бич SATA. Некоторые компании утверждают что на диске SATA объемом боле 500 ГБ вероятность повреждения данных хотя бы в одном секторе близка к единице.
- про мультипасинг говорили в предыдущих ответах.
- зонинг T.10 - позволяет разбить домен SAS на зоны (типа VLAN, если такая аналогия ближе).
- и многое-многое другое. Я привел только самые общеизвестные фичи. Кому интересно - читайте спецификации SAS/SATA

2. Не все SAS диски одинаковы. Есть несколько категорий SAS и SATA.
- т.н. Enterprise SAS - обычно 10K или 15K оборотов в минуту. Объемы до 1 ТБ. Используются для СУБД и критичных к скорости приложений.
- Nearline SAS - обычно 7.2K, объемы от 1 ТБ. Механика таких устройств похожа на Enterprise SATA. Но все равно два порта и другие прелести SAS. Используются в enterprise, где нужны большие объемы.
- Enterprise SATA, иногда RAID edition SATA - почти то же самое что и NL SAS, только однопортовый SATA. Чуть дешевле NL SAS. Объемы от 1 TB
- Desktop SATA - то что ставится в PC. Самые дешевые и самые низкокачественные диски.
Первые три категории можно ставить в массивы на контроллерах от LSI и Adaptec. Последний - нельзя категорически. Проблем не оберетесь потом. И не потому, что у нас картельный сговор, а потому, что диски проектируются под разные задачи. То есть 8x5 или 24x7, например. Есть также такое понятие как максимальная допустимая задержка, после которой контроллер считает диск умершим. Для десктопных дисков она в разы больше. Это значит, что под нагрузкой рабочие Desktop SATA будут «вываливаться» из массива.
Короче, ориентируйтесь на конкретные линейки под конкретные задачи. Лучше всего смотреть на сайтах производителей. Есть например специальные мало шумящие и мало греющиеся винты для домашней электроники.

Те же подходы и к SSD, но область еще на сформировавшаяся, поэтому много тонкостей. Здесь мы ориентируемся по параметрам. Хотя все, что сказано в п., справедливо и для SSD.

Мы останавливаемся перед выбором: какой вид винчестеров установить. Наиболее популярными являются следующие типы жестких дисков: SAS, SATA и NL-SAS. Эти три вида относятся к самым быстрым носителям информации, на них хранится большая часть данных в мире. Наша статья посвящена первому типу. Мы рассмотрим, что представляют собой SAS-диски, каковы их параметры, и в чем заключается разница между основными типами упомянутых устройств.

Технические характеристики

SAS-диски пришли на смену SCSI-типу. Они стали новым стандартом в хранении информации корпоративного класса. Из трех перечисленных видов SAS-диски считаются наиболее надежными, они способны поддерживать производительность в весьма сложных эксплуатационных условиях. Жесткие диски SASработают намного лучше винчестеров типа NL или SATA. Показателем их надежности выступает такой параметр, как коэффициент ошибок. Он определяет, с какой вероятностью один бит ошибки может возникнуть в медиа-данных. Коэффициент ошибок для винчестеров типа SAS обычно составляет единицу из 10 16 бит. То есть это значит, что вероятность ошибки может возникнуть в одном из десяти квадрильонов бит. Для примера можно сравнить этот показатель со значением ошибки в жестких дисках типа SATA, где он составляет единицу из 10 15 (или на один квадрильон). Как видно, защита SATA-винчестеров тоже довольно высока, однако, когда встает вопрос о защите сохраняемой информации, то разница на один порядок весьма существенна.

SAS-диски производят, придерживаясь более строгих стандартов, чем при разработке других типов винчестеров. Так, данная технология характеризуется средним временем наработки на отказ, составляющим 1,6 миллиона часов, а SATA-технология - 1,2 миллиона. Кроме перечисленных параметров, контроллеры и диски рассматриваемого типа имеют много дополнительных команд, предназначенных для диагностики. Эти функции делают эту технологию более эффективной, чем SATA. Особенно это проявляется в форс-мажорных ситуациях.

NL-винчестеры

Это технология является "новым игроком" на рынке. NL-диски представляют собой гибрид: SATA-винчестер с разъемом типа SAS. То есть скорость, начинка и головка взяты от SATA-технологии, а интерфейс полностью совместим с SAS. NL-технология уступает рассматриваемым дискам в производительности (из-за относительно низкой скорости вращения). Однако она полностью соответствует им в очередности команд, а также многопоточной передаче данных и поддержке нескольких хостов.

Тагированная очередность отправки команд и многопоточная передача

Одновременная координация нескольких комплектов инструкций хранения, а также упорядоченная контроллером хранения информация передается наиболее эффективно. SAS-технология предусматривает несколько полнодуплексных каналов которые обеспечивают быстрый доступ к сохраняемой информации. Одним винчестером SAS-типа можно управлять сразу с нескольких персональных компьютеров без применения свитчей.

Заключение

По сути, технологии SAS и SATA предназначены для различных целей: первая для отказоустойчивости и производительности, а вторая - для обеспечения емкости. Поэтому они не должны конкурировать между собой.