Le soluzioni di connettività avanzata rivelano il potenziale della tecnologia SAS

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Di norma, molta attenzione viene dedicata alle capacità del protocollo, dell’hardware e del software necessari all’implementazione dei sistemi di storage, ma in molti mercati è spesso la tipologia di collegamento fisico a influenzare la scelta dell’I/O. La SCSI parallela, per esempio, supportava tutto quanto era necessario all’implementazione di server in cluster, ma la scarsa maneggevolezza dei cavi paralleli e le limitazioni alla lunghezza del cablaggio ne hanno fortemente limitato l’utilizzo in questi mercati.

SAS ha eliminato molti di questi limiti migliorando la larghezza di banda, la lunghezza dei cablaggi e offrendo un modello di connessione compatto e adatto agli attuali affollati data center. Mentre le soluzioni di prima generazione hanno avuto grande successo come semplice sostituzione di soluzioni DAS (Direct Attached Storage), la connettività ha continuato a evolvere aprendo di conseguenza nuovi mercati alla tecnologia SAS.

In questo articolo viene analizzata la nascita della connettività SAS, la sua evoluzione e le diverse componenti che hanno contribuito a realizzare un’infrastruttura dinamica per la crescita della SAS, oltre a una “Advanced Connectivity Roadmap” di SAS e uno sguardo alle future evoluzioni.

I collegamenti SAS
I dispositivi SAS sono in grado collegarsi direttamente ad altri dispositivi SAS e SATA utilizzando uno di questi tre metodi:
– Connettori backplane
– Cablaggi interni
– Cablaggi esterni

Le connessioni backplane
Indipendentemente dalla sua posizione – sulla scheda madre, in un armadio di dischi fissi, in un JBOD esterno o in blade di storage removibile – lo storage aziendale è progettato per ospitare connessioni per drive diversi, che possono essere inseriti o rimossi senza interruzioni operative. Per supportare questa modalità dinamica, i drive sono spesso collegati direttamente al backplane contenuto in un sistema o in una enclosure per i dischi.

Fig. 1 – Il connettore in alto è un tipico connettore per dischi fissi SATA (Serial ATA, Rev 3.0), mentre quello in basso è un tipico connettore per dischi fissi SAS (SFF-8482)

Fig. 2 – Tipico connettore sul backplane che mostra come un disco SATA o SAS si abbina al connettore del sistema (SFF-8482)

Le connessioni cablate
Le connessioni cablate possono soddisfare una vasta gamma di esigenze sia degli OEM sia dei costruttori di sistemi. Oltre a soluzioni non schermate per i collegamenti interni, tra le varie possibilità ci sono anche collegamenti esterni schermati, collegamenti dal drive al controller, dal drive al backplane e dall’host al drive.

Internamente, un controller SAS multi-porta viene collegato alla scheda di sistema e cablato con i singoli drive, sia tramite connessioni SAS sia tramite SATA. La figura 3 mostra un comune cavo in stile SATA che utilizza il connettore SATA/SAS a 7 pin su una singola porta. La restante porzione del cavo fornisce energia al disco fisso (HDD). La figura 4 illustra come un cavo “a piovra” può essere utilizzato in configurazioni con più drive.

Fig. 3 – Tipico cavo SATA/SAS a 7 pin da collegare a una singola porta SATA/SAS

Fig. 4 – Di norma i cavi SAS hanno origine da un singolo connettore SFF-848 da cui partono quattro cavi con altrettanti connettori SFF-8482 (questi cavi vengono spesso definiti “a piovra” e sono utilizzati per i collegamenti interni) (Foto: Molex)

Le connessioni SAS evolvono
Nel corso del ciclo di adozione della tecnologia SAS, è emersa il Mini-SAS, che è diventata la soluzione più utilizzata sia per i collegamenti esterni che per quelli interni. Le varianti Mini-SAS SFF-8087 (si veda la Fig. 5 per la versione interna) e SFF-8088 (Fig. 6 per versione esterna) offrono quattro canali SAS per ogni collegamento, ma con una densità doppia. Il connettore Mini-SAS non si è limitato a ridurre sostanzialmente le dimensioni, ma ha anche consentito di posizionare un maggiore numero di porte sul bordo della scheda a circuiti stampati. Il connettore Mini-SAS è diventato un requisito indispensabile per ottenere la conformità alla tecnologia SAS da 6Gb/s, fornendo un notevole contributo alla popolarità di questa soluzione.

Fig. 5 – Il Mini-SAS SFF-8087 4i (utilizzato per i collegamenti interni SAS e SATA, con quattro canali per connettore)

Fig. 6 – Il Mini-SAS SFF-8088 4x (utilizzato per i collegamenti esterni SAS e SATA, con quattro canali per connettore)

L’avvento delle unità da 1,8 pollici ha portato alla nascita del nuovo connettore SFF-8482. In alcune categorie di dischi, come quelli a stato solido (SSD), questa dimensione si sta sempre più diffondendo. La figura 7 illustra quello che è stato battezzato “connettore Micro-SAS”.

Fig. 7 – Il connettore Micro-SAS (SFF-8486) (Foto: Molex)

La connettività: molto più che cavi e connettori
Un “interposer”, o mediatore, è un’interfaccia elettrica che trasporta i segnali da uno zoccolo o un connettore a un altro. Lo scopo dell’interposer è quello di espandere fisicamente una connessione, adattarla elettricamente e reindirizzarla a una connessione di altro tipo.
Nel caso della tecnologia SAS esistono diverse tipologie di interposer, con differenti capacità, che possono essere utilizzati per migliorare il modo in cui i dispositivi SATA si comportano all’interno del sistema.

Quando l’host utilizza una porta SAS, i controller SAS identificano automaticamente l’eventuale presenza di un dispositivo SATA e poi utilizzano il Serial ATA Tunneled Protocol (STP) per comunicare con quel dispositivo.
Dal punto di vista del software o del protocollo, collegare direttamente un dispositivo SATA a una porta SAS non comporta alcun problema. Ovviamente bisogna tenere conto che nelle intenzioni originali la tecnologia SATA era stata ideata per l’utilizzo in ambienti di storage desktop, dove il tema del costo è importante, e che è stata ottimizzata dal punto di vista elettrico per l’utilizzo con soluzioni cablate.
La tecnologia SAS, che si è invece evoluta partendo dal mercato dei server, è stata progettata avendo come modello primario di deployment quello del backplane. In questi ambienti, i dischi devono poter essere rimossi facilmente per eseguire la manutenzione (Fig. 8).

Fig. 8 – Dischi fissi collegati direttamente al backplane

Gli ambienti server hanno maggiori esigenze in termini di scalabilità e failover, richiedendo spesso alla connessione SATA nativa utilizzata in collegamento a una topologia SAS molte più funzionalità.

I dispositivi tailgate e i multiplexer
Un semplice interposer SAS-to-SATA viene spesso realizzato con un design definito di tipo “tailgate”. La slitta del drive, che ospita il disco SATA e che gli consente di essere facilmente inserito o rimosso da un’enclosure per dischi, può essere dotata di un interposer che si occupa esclusivamente di migliorare le segnalazioni elettriche dei segnali SAS per la connessione SATA. In pratica, i dispositivi “tailgate” migliorano la qualità del segnale elettrico a livello di connettore, garantendo una superiore affidabilità all’intero sistema.

I bridge SAS/SATA
I dispositivi SATA e i dispositivi SAS nativi sono profondamente diversi. I dispositivi SATA sono intrinsecamente a singola porta, half-duplex e progettati per lavorare con un solo host. Al contrario, i dispositivi SAS sono dual-port, full duplex e spesso vengono impostati per lavorare con più host contemporaneamente.
Per fare in modo che un dispositivo SATA funzioni come un dispositivo SAS in grado di ricevere istruzioni contemporaneamente da entrambe le porte (se necessario da host diversi) è necessario un interposer più sofisticato. Questa categoria di dispositivi, che sono in grado di presentarsi all’host come dispositivo nativo SAS, viene chiamata “bridge SAS/SATA”. La loro popolarità è dovuta al fatto che sono una buona soluzione quando si preferisce utilizzare dischi SATA con un costo per gigabyte più contenuto pur mantenendo a livello di sistema tutti i benefici della connettività SAS nativa. Questo consente di evitare i limiti dell’utilizzo del protocollo STP (Fig. 9).

Fig. 9 – Schede tailgate con bridge SSP/SATA. Il loro utilizzo è simile a quello dei multiplexer, ma queste funzionano utilizzando il Serial SCSI Protocol (SSP) nativo

I dispositivi di categoria bridge mettono a disposizione un vero supporto multi-initiator, offrono il Tag Command Queuing per migliori prestazioni, consentono un migliore utilizzo dei collegamenti SAS, semplificano l’implementazione del sistema e evitano all’host la complessità legata a troppe varianti di dispositivi SATA o di tipi di dispositivo. Così come per i dispositivi tailgate più semplici, anche i bridge hanno un impatto sul design delle slitte per i dischi, aumentandone le dimensioni, i costi e la complessità.

Gli expander SAS
Gli elementi costruttivi fondamentali di qualunque sistema SAS, anche il più elementare, sono gli expander SAS. Sono elementi che vengono posizionati all’interno dell’host o di un JBOD per moltiplicare le connessioni SAS disponibili a partire dal controller SAS primario. Questi dispositivi non permettono solo di scalare enormemente l’architettura SAS, come del resto fanno i vari interposer già visti, ma danno anche un effettivo significato alla gestione del protocollo (SAS o SATA) della periferica collegata, effettuando la pulizia del segnale e l’isolamento elettrico degli endpoint, come i dischi fissi.

Fig. 10 – Gli expander SAS consentono espansione e scalabilità dell’architettura SAS aumentando il numero di collegamenti SAS utilizzabili e migliorando la qualità elettrica del segnale e l’isolamento

Come illustrato nella figura 10, gli expander SAS possono essere collegati a cascata per supportare facilmente centinaia di drive in sistemi di storage complessi. In alcuni casi, i sistemi di storage più grandi utilizzano gli espander a cascata per arrivare a gestire anche migliaia di dischi fissi.

Gli switch SAS
Con i progressi delle prestazioni e dell’architettura SAS, questa tecnologia ha conquistato spazi sempre maggiori nelle imprese. Come si è visto parlando degli expander, l’esigenza di scalare i sistemi verso topologie più grandi e più ricche aumenta la complessità dei sistemi SAS. In alternativa agli expander a cascata, è possibile utilizzare gli expander SAS per realizzare elementi di switching a livello di sistema.
Quando si gestiscono complessi domini SAS, questi switch diventano un punto nodale dell’architettura SAS, semplificando agli OEM di storage, agli integratori di sistemi e agli utenti finali la manutenzione e la gestione di installazioni di storage molto grandi.
Con la crescita sempre maggiore delle architetture SAS, gli switch acquisiscono un’importanza fondamentale (Fig. 11).

Fig. 11 – Gli switch SAS semplificano l’aggregazione e la condivisione di più dispositivi di storage tra server diversi

L’Advanced Connectivity Roadmap di SAS
Il trend attuale è quello di adottare installazioni SAS su vasta scala con migliaia di drive, diversi livelli di expander SAS, switch centralizzati SAS (tutti con funzione di failover in cluster), virtualizzazione dei server e complessi sistemi blade. Questa espansione sta cominciando a creare qualche difficoltà al sistema originale di cavi e connettori SAS che sono stati prevalentemente utilizzati nelle prime due generazioni della tecnologia.

L’evoluzione del mercato sta chiedendo sempre di più all’interconnessione SAS per supportare sistemi di storage sempre più complessi. L’esigenza di gestire queste enormi topologie è diventata critica, così come la sempre maggiore necessità di coprire con i cablaggi grandi distanze.
La community SAS ha risposto a queste richieste con l’Advanced Connettivity Roadmap:

Modello di connessione migliorato (superiore al Mini-SAS)
– Densità doppia rispetto al Mini-SAS per supportare maggiori densità di porte
– Migliorato dal punto di vista elettrico: meno cross-talk, migliore rapporto segnale-rumore, migliore modalità passiva
– Supporto per il cablaggio attivo (in rame e ottico: il Mini-SAS è in grado di supportare il cablaggio attivo solamente su rame per la SAS da 6Gb/s)
– Supporto per gestire la mappa del cablaggio (non disponibile con Mini-SAS)

Distanze migliorate (cablaggio attivo in rame fino a 20 metri, ottico fino a 100 metri)
– Consente maggiori connessioni da box a box, da server a storage e da rack a rack
– Maggiori opzioni di deployment: installazioni e configurazioni di sistema più flessibili
– Scalabilità migliorata: più dischi, più storage, più capacità

Connettività gestita (rilevamento della connessione e gestione del cablaggio)
– Manutenzione migliorata
– Superiore affidabilità
– Costo totale di possesso (TCO) più basso: riduce i costi di manutenzione e di isolamento degli errori

Connettività universale (una roadmap chiara e coerente per un’ampia adozione di mercato)
– Stessi protocolli di connessione per le versioni da 6Gb/s (attiva e passiva) e 12 Gb/s (attiva e passiva)
– Gestione coerente tra le diverse tipologie di connessione
– Piano coerente per la gestione delle porte e la scalabilità delle porte

Nella figura 12 si vede un sommario dell’Advanced Connectivity Roadmap di SAS. Si noti che la roadmap è stata scollegata dalle varie revisioni con le prestazioni dei collegamenti SAS.

Fig. 12 – La Advanced Connectivity Roadmap di SAS, compresi il connettore universale Mini-SAS HD e il sistema SAS Connectivity Management

SAS Connectivity Management: un elemento chiave dell’Advanced Connectivity Roadmap di SAS
Il sistema SAS Connectivity Management è parte integrante dell’attuale roadmap dei collegamenti SAS, dato che supporta il rilevamento della connessione e la gestione del cablaggio, che sono funzionalità indispensabili nelle installazioni di storage di grandi dimensioni. Dato che la richiesta di storage continua a crescere senza soste, la connettività è diventata una parte sempre più importante della soluzione.

Grazie alla capacità di rilevare la presenza o l’assenza dei cavi e alla possibilità di sapere se i collegamenti sono configurati come attivi o passivi, la manutenzione e la gestione di soluzioni di storage di grandi dimensioni sono enormemente semplificate. SAS Connectivity Management offre un pratico sistema per rilevare la presenza di collegamenti in rame attivi o passivi oppure ottici, eliminando la necessità di sistemi di accoppiamento meccanico normalmente utilizzati per ridurre gli errori nei cablaggi nei sistemi che utilizzano connettori Mini-SAS.

La con
nettività avanzata SAS svela il suo vero potenziale
Il successo di SAS continuerà senza soste, in parte grazie anche all’Advanced Connectivity Roadmap, che mette a disposizione un valido piano di connettività basato sul versatile connettore Mini-SAS HD e sul sistema SAS Connectivity Management.
Questi miglioramenti nella connettività, abbinati a nuove modalità per la scalabilità – come gi switch SAS – soddisferanno le esigenze legate a soluzioni di storage di dimensioni molto grandi e presentano nuove opportunità di crescita per la tecnologia SAS. Tutto questo porterà a maggiore affidabilità e migliori possibilità di manutenzione, offrendo un maggiore potenziale nella configurabilità e nelle distanze da coprire quando si parla di grandi data center. La capacità della tecnologia SAS di crescere in modo incrementale e di scalare in base alle necessità sono i vantaggi che l’approccio SAS offre alle imprese.
White paper della SCSI Trade Association
 

LSI Corp
Molex
SCSI Trade Association
 

Harry Mason, director, Industry Marketing, LSI Corp. - Con il contributo di Jay Neer, Advanced Technical Marketing manager, Industry Standards, Molex

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