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Bringen Sie Disk Storage mit SAS auf die nächste Ebene

Erwartungsgemäß wird das Serial-Attached SCSI (SAS) Interconnect in den nächsten Jahren Fibre Channel (FC) als hochperformantes, primäres Speicherlaufwerk-Interconnect in Enterprise Storage-Systemen ersetzen.

NetApp bietet seit einigen Jahren SAS-Laufwerke als eine Option im Rahmen der FAS2000 Produktfamilie und kündigte vor kurzem sein erstes SAS-basiertes Storage-System an: das DS4243. Dieses neue Platten-Shelf bietet die für Unternehmen erforderliche Dichte, Flexibilität und Zuverlässigkeit mit Resiliency der Frame Array-Klasse.

Tech OnTap bat Chris Lueth, Mitarbeiter im „Technical Marketing“, zusammen mit Doug Coatney, Mitglied des Storage Engineering Teams von Core Systems, mehr darüber herauszufinden. Wir haben ihre F&A-Sitzung in drei Themenbereiche unterteilt:

  • SAS-Technologie im Vergleich zu Fibre Channel
  • Neue Technologie für Platten-Shelves
  • Out-of-Band-Management-Fähigkeiten

SAS-Technologie


Chris Lueth: Wieso migriert NetApp Storage-Infrastrukturen von FC zu SAS?

Doug Coatney: Wie die meisten Tech OnTap Leser vermutlich wissen, wird in der Storage-Branche bereits ein Wechsel von Fibre Channel zu SAS-Storage vollzogen, um den hochperformanten Storage-Anforderungen gerecht zu werden. Im Jahr 2008 wurden fast doppelt so viele SAS-Festplatten wie FC-Festplatten verkauft. Es wird prognostiziert, dass im Jahr 2013 SAS nahezu 60 % des HDD-Markts ausmachen wird, während der Verkauf von FC mehr und mehr zurück geht.

Tatsächlicher Verkauf von HDD-Festplatten (2008) und prognostizierter Verkauf (2013)

Abbildung 1) Tatsächlicher Verkauf von HDD-Festplatten (2008) und prognostizierter Verkauf (2013) SAS erobert den Markt für Fibre Channel und parallele SCSI-Festplatten, während der Marktanteil von ATA relativ stabil bleibt.

Chris Lueth: Bietet SAS technologische Vorteile, die diesen Wechsel beschleunigen?

Doug Coatney: Ja, SAS bietet drei wesentliche Vorteile:

  • Point-to-Point-Isolierung
  • Höhere Bandbreite
  • Deutlich verbesserte Konnektivität

Diese Fähigkeiten bieten all jenen bedeutende Vorteile, die SAS implementieren.

FC im Vergleich zu SAS-Topologie

Abbildung 2) FC-Topologie im Vergleich zur SAS-Topologie

Point-to-Point. SAS verwendet einen Point-to-Point-Ansatz mit nicht blockierenden Switches (Erweiterungen), vergleichbar mit einem Ethernet Switch. Diese Erweiterungen bieten eine komplette Isolation für alle angeschlossenen Geräte, wodurch viele Probleme vermieden werden können, die Auswirkungen auf die Resiliency in Loop-basierten Topologien wie Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL, das zur Verbindung mit FC-Festplatten verwendete Protokoll) haben können. SAS-Erweiterungen bieten Pfadwechsel, Vermittlung und zentrales Management. Des Weiteren können Sie auch als „Verkehrspolizei“ fungieren, um sicherzustellen, dass alle Geräte über dieselbe Bandbreite verfügen.

Bandbreite. Aktuell beträgt die Bandbreite für FC-Festplatten 4 GB/s pro Port. Wir verfügen über PCIe-Adapter mit vier Ports, daher beträgt die FC-AL-Bandbreite 16 GB/s pro PCIe-Steckplatz.

Das NetApp Produkt DS4243 unterstützt SAS-Verknüpfungen mit 3 GB/s. Verglichen mit demselben PCIe-Steckplatz verfügt ein SAS mit vier Adaptern über vier Ports mit einer Aggregatbandbreite von jeweils 12 GB/s, also insgesamt 48 GB/s.  

Über einen SAS-Wide Port wird eine Verbindung zwischen Storage-Controller und Disk-Subsystem hergestellt. Der standardmäßige Wide Port besteht aus vier SAS-Spuren, die zusammen einen maximalen Durchsatz bieten. Mit einer SAS-Bandbreite von 3 GB/s und dem Gruppieren von 4 Ports wird eine maximale Bandbreite von 12 GB/s erzeugt. So wird eine leistungsfähige Leitung für Storage-Systeme bereitgestellt, um Daten auf und von Festplatten-Subsystemen zu transportieren. Diese Spuren bieten eine größere Bandbreite von Storage Controllern auf Platten-Systeme sowie Bandbreitenausgleich, Pfadredundanz und verbessertes Recovery. Auf diese Weise kann eine SAS-Verbindung sicher auf eine hohe Anzahl von Festplatten skaliert werden.

Konnektivität. Mit FC-AL können theoretisch maximal 126 Laufwerke auf einem Loop unterstützt werden.

Bei SAS wird die Anzahl der Laufwerke, die mit einem einzigen SAS-Port verbunden werden können, primär durch die Performance beschränkt. In einer SAS-Domäne lassen sich durch den Einsatz von Erweiterungen bis zu 16.384 Geräte bewältigen. Eine „Fan-Out“-Erweiterung kann mit bis zu 128 Edge-Erweiterungen verbunden werden, von denen jede jeweils mit 128 Festplatten verbunden werden kann: 128 x 128 = 16.384. (Hierbei handelt es sich um theoretische Maximalwerte. Im folgenden Abschnitt erhalten Sie weitere Informationen zur Anzahl der von DS4243 unterstützten Laufwerke.)

Chris Lueth: Worin besteht der Unterschied zwischen einer FC-Festplatte und einer SAS-Festplatte?

Doug Coatney: Der Hauptunterschied zwischen einer SAS-Festplatte und einer äquivalenten FC-Festplatte liegt in der Schnittstellenelektronik. SAS Festplattenlaufwerke bringen keine neuen Technologierisiken mit sich, da sie mechanisch den vorhandenen FC-Festplatten entsprechen, denselben SCSI-Befehlssatz verwenden und über dieselben Merkmale im Hinblick auf Performance und Zuverlässigkeit verfügen. SAS-Festplatten verwenden lediglich ein anderes serielles Kommunikationsprotokoll.

NetApp DS4243 Disk Shelf

Vorder- und Hinteransicht des DS4243

Abbildung 3) Vorder- und Hinteransicht des DS4243

Chris Lueth: Können Sie unseren Lesern einen Überblick über die Funktionen des neuen NetApp Platten-Shelf geben?

Doug Coatney: Wichtig ist, dass die Anwender verstehen sollten, dass das NetApp DS4243 Festplatten-Erweiterungs-Shelf von NetApp entwickelt und für die Nutzung mit NetApp Storage-Systemen optimiert wurde. Für die Verbindung zwischen dem Storage Controller und dem Shelf kommen SAS-Wide Ports zum Einsatz (vier Spuren mit je 3 GB/s). Bis zu 24 Festplattenlaufwerke (alle SAS oder alle SATA) werden in einem hohen rackmontierbaren 4U-Gehäuse unterstützt, wodurch die Dichte im Vergleich zu den Festplatten-Subsystemen um 22 % verbessert wird. Das Shelf verwendet SAS-Technologie (zwischen dem Platten-Shelf und dem Controller sowie innerhalb des Shelfs) und verfügt über eine Out-of-Band-Management-Funktion, den sogenannten alternativen Kontrollpfad (Alternat Control Path, ACP). Weitere Informationen hierzu finden Sie im letzten Abschnitt.

Die Stromversorgung des Shelfs erfolgt völlig redundant: Für ein mit SAS-Laufwerken gefülltes Platten-Shelf sind vier Netzteile erforderlich, für ein Platten-Shelf mit SATA-Laufwerken sind zwei Netzteile erforderlich. Das Shelf enthält außerdem vier 1U-Schächte für elektronische Module. Zwei davon werden von den SAS-I/O-Modulen belegt (IOM3). Die verbleibenden beiden Schächte werden derzeit nicht verwendet.

Das mechanische und elektrische Design basieren auf der branchenüblichen Storage Bridge Bay-Spezifikation (SBB). SBB bietet Flexibilität und Standardisierung von Systemschnittstellen, die Ihnen beim Wechsel zu anderen Technologien behilflich sein können. Beispielsweise können aktuelle DS4243 Komponenten auch in zukünftigen SAS-basierten Storage-Technologien verwendet werden.

Chris Lueth: Was ist ein SAS-„Stapel“?

Doug Coatney: NetApp verwendet den Begriff „Stapel“ im Hinblick auf eine Sammlung ordnungsgemäß verdrahteter und vernetzter SAS-Shelves und Adapter. Pro Stapel werden bis zu 10 Shelves für insgesamt 240 Laufwerke verwendet, mit Ausnahme von FAS2040 und FAS2050, die nur 4 Shelves pro Stapel unterstützen. SAS- und SATA-Laufwerke können im selben Stapel aber nicht im selben Shelf gemeinsam verwendet werden.

Chris Lueth: Wie werden SATA-Festplattenlaufwerke im neuen Shelf integriert?

Doug Coatney:  Ein weiterer möglicher Vorteil von SAS gegenüber FC ist, dass SAS über serielles Tunneling native Unterstützung für SATA-Laufwerke bietet. Jedes SAS-Festplatten-Subsystem kann sowohl SAS als auch SATA unterstützen. Serielles Tunneling unterstützt jedoch kein Multipathing zu SATA-Festplatten, wodurch eine hochverfügbare Konfiguration unmöglich wird.

Um diese Einschränkung auszugleichen, enthalten die in den DS4243 verwendeten SATA-Laufwerksträger ein SATA-to-SAS-Bridge. Das bedeutet, dass das native SAS-Protokoll (mit Multipathing-Fähigkeit) zwischen dem Storage Controller und jeder Platte verwendet wird, unabhängig vom Typ.

Chris Lueth: Was benötige ich, um von den Vorteilen des neuen Platten-Shelfs zu profitieren?

Doug Coatney: Sie benötigen lediglich ein NetApp Storage-System mit einem verfügbaren PCI Express-Steckplatz (PCIe), einem SAS-Adapter, die entsprechende Data ONTAP Version sowie die Platten-Shelf-Hardware und -Kabel.

DS4243 wird von allen derzeit verkauften NetApp FAS-, V-Series- und SA-Storage-Systemen unterstützt, mit Ausnahme von DAS 2020. Wenn Sie das neue Shelf in einem bestehenden Storage-System installieren möchten, benötigen Sie mindestens einen verfügbaren PCIe-Steckplatz (um ein SAS HBA anzuschließen). Sie können bei einer FAS2040 aber auch den integrierten SAS-Port verwenden. Außerdem benötigen Sie Data ONTAP 7.3.2. oder höher. Ihre bereits vorhandenen Festplattenlaufwerke der Produktfamilie DS14 und der FAS2000 Produktlinie können nicht mit DS4243 genutzt werden, da die Laufwerksträgerkonfiguration unterschiedlich ist.

Chris Lueth: Sind verbesserte Resiliency-Funktionen in das neue Platten-Shelf integriert?

Doug Coatney: DS4243 wurde entwickelt, um eine bessere Resiliency, Fehlerisolation und besseres Recovery als alle vorherigen NetApp Festplatten-Subsysteme zu bieten. Neben den bereits erwähnten SAS-Fähigkeiten verfügt es auch über redundante Komponenten und Busse, nicht-flüchtige Protokolle sowie unterbrechungsfreie Firmware-Aktualisierungen. Alle unterstützen Konfigurationen verfügen entweder über Dual-Path-Verbindungen oder Multipath HA (MPHA), mit Ausnahme der FAS2040, die über beschränkte SAS-Ports verfügt. Des Weiteren verfügt das DS4243 über Out-of-Band-Management-Fähigkeiten, die Resiliency der Frame Array-Klasse bieten. Die ersten dieser Art in einem modularen Storage-System. Die Funktionen ergänzen die Resiliency-Fähigkeiten des SAS-Protkolls innerhalb der Bandbreite. (Einzelheiten hierzu finden Sie im folgenden Abschnitt.)

Out-of-Band-Management mit ACP


Chris Lueth: Können Sie mir mehr über die Out-of-Band-Management-Fähigkeiten erzählen, über die das DS4243 verfügt?

Doug Coatney: Für das Out-of-Band-Management des DS4243 hat NetApp die Alternate Control Path-Technologie entwickelt (ACP). ACP bietet Ihnen eine Hintertür für Ihre Platten-Shelves. Dies erfolgt völlig unabhängig von dem SAS-Datenpfad und bietet neue Möglichkeiten für unterbrechungsfreies Recovery von Shelf-Modulen. Außerdem besteht die Möglichkeit ein individuelles I/O-Modul (IOM) oder eine gesamte Domäne (alle IOMs der A-Domäne) zurückzusetzen oder den Energiezyklus dafür zu aktivieren. Es gibt auch die Möglichkeit den Energiezyklus für das gesamte Shelf zu aktivieren. Jedes IOM enthält einen ACP und jedes Shelf enthält zwei IOMs. Die neue ACP-Technologie verbessert die Fähigkeit von Data ONTAP automatisch eine Komponente mit fehlerhaftem Verhalten zurückzusetzen, um ohne Unterbrechung zum vollständigen Betriebsmodus zurückzukehren.

Auch wenn NetApp ACP sehr empfiehlt, ist es nicht erforderlich. Da ACP vollständig vom Datenpfad getrennt ist, funktioniert der Datenpfad auch dann, wenn ACP nicht verbunden oder nicht betriebsbereit ist.

Chris Lueth: Welche Art von Netzwerk verwendet ACP?

Doug Coatney: ACP verwendet ein zugewiesenes Ethernet-Netzwerk. Storage Shelves werden über eine Verkettungstopologie mit einer Rücklaufverbindung für erhöhte Resilience verbunden. Die IP-Adressen werden automatisch durch Data ONTAP zugewiesen. (Der Standardbereich kann geändert werden.)

Chris Lueth: Worin liegen die Vorteile der Konfiguration von ACP?

Doug Coatney: ACP verbessert die Datenverfügbarkeit, da ein Storage Controller einen Storage Channel zurücksetzen kann, ohne über diesen Channel kommunizieren zu müssen. Falls ein Channel ausfällt oder fehlerhaftes Verhalten zeigt, kann er durch kurzes Zurücksetzen ohne externen Eingriff wieder online geschaltet werden. Mithilfe von ACP kann ein Storage-System bei Fehlern, die ansonsten möglicherweise einen Neustart erfordern würden, wieder hergestellt werden. Das ist wirklich ein großer Vorteil. Andere Hersteller bieten diese Möglichkeit nur bei ihrem Highest-End-Tier-1-Storage, während NetApp diese Funktion unabhängig von Storage-Plattform oder Tier bietet.

Schlussfolgerung

Mit dem DS4243 Disk Shelf trägt NetApp ein weiteres Mal dazu bei, Ihre Storage-Umgebung zu vereinfachen. Dank dem DS4243 benötigen Sie lediglich eine Art von Platten-Shelf, um alle Storage-Tiers zu unterstützen. Sie können zwischen Performance-optimierten SAS-Festplatten oder kapazitätsoptimierten SATA-Festplatten wählen oder beides verwenden. Die auf der branchenüblichen Storage Bridge Bay-Spezifikation basierende Architektur bietet Flexibilität im Hinblick auf künftige Erweiterungen.

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Doug Coatney

Doug Coatney
Principal Storage Software Engineer
NetApp

Doug Coatney arbeitet seit 10 Jahren bei NetApp und verfügt über 23 Jahre Erfahrung in der Storage-Branche. Seit er bei NetApp arbeitet, spielt er eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Festplatten-Subsystemen. NetApp besitzt mehr als ein Dutzend Patente, die auf der Arbeit von Doug Coatney basieren.

Chris Lueth

Chris Lueth
Technical Marketing Engineer
NetApp

Chris Lueth hat 17 Jahre Branchenerfahrung. Seit seinem Eintritt bei NetApp vor 6 Jahren, leistete er unglaubliche technische Beiträge. Hierzu zählt seine Mitarbeit bei der Entwicklung von NearStore, RAID-DP, SnapLock, Einstiegssystemen, Midrange-Produkten und High-End-Plattformen sowie Storage Resiliency. Er war Entwickler für Chips und arbeitete an der ersten Multiprozessor-Hauptplatinen-Chipgruppe, bevor er zur UNIX-Systemadministration und schließlich zu Storage wechselte.

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