SAS - Serial Attached SCSI

Serial Attached SCSI (SAS) hat das parallele SCSI in allen Bereichen ab 2010 vollständig abgelöst. SCSI hatte mit 320 MB/s das technisch machbare erreicht, eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit und der Skalierbarkeit konnte nur durch eine serielle Version ermöglicht werden. Hierfür wurden Technologien aus SATA und Fibre Channel in das SAS integriert. Eine Verbindung zwischen SATA und SAS kann durch eine einfache Bridge ermöglicht werden. Damit wird die Kombination von SATA- und SAS-Platten in einem System wesentlich erleichtert. An die meisten SAS-Controller können SATA Festplatten direkt angeschlossen werden, an SATA Controller aber keine SAS Platten.

Für SAS wurden auch neue SAS-Stecker und SAS-Kabel genutzt. Die SAS-Steckverbinder sind deutlich robuster als bei SCSI und die SAS Kabel deutlich dünner und flexibler. Die gängigen SAS Stecker sind SFF-8088 (bis SAS-2) und SFF-8644 (SAS-3) für externe Verbindungen.

Technologie von Serial Attached SCSI

Serial Attached SCSI also SAS ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, wie auch SATA. Das alte SCSI war eine Bus-Topologie mit vielen Nachteilen. Am Anfang konnte im SAS Transfergeschwindigkeiten von bis zu 3 Gbit/s erreicht werden, jetzt sind mit SAS-3 bis zu 12 Gbit/s möglich. Rein technisch gesehen war SAS-1 etwas langsamer als SCSI U320, jedoch kann jedes Gerät die 3 Gbit/s alleine nutzen (heute 12 Gbit/s). Neben der reinen 1 zu 1 Anbindung sind auch vermaschte Systeme möglich.
Jedes SAS-Gerät besitzt einen Transceiver mit einem oder mehreren Transmittern und Receivern. Damit sind full duplex bis zu 1.200 MB/s möglich. Die Signalübertrag erfolgt über ein "differential signal pair". Es wird pro Gerät nach Anzahl der Transceiver unterschieden, eine Festplatte besitzt 2 Stück, bei einem HBA können 4 Transceiver (wide port) oder 8 Transceiver (very wide port) realisiert werden. SAS ist vom Design her hot-plug und dynamisch ausgelegt (deutlicher Vorteil gegen SCSI). Die Teilnehmer werden in Domains unterteilt, wobei jeder SAS-Port einen eindeutigen Identifier hat (entsprechend der WWN des Fibre Channel).

Es ist ebenfalls möglich mehrere direkte Verbindungen zwischen zwei Teilnehmern zu bündeln, somit wird die Performance wesentlich erhöht.
Eine 1 zu 1-Verbindung benötigt jedoch immer eine Verwaltung, wenn mehr als 2 Geräte kombiniert werden sollen. Hierfür wurde der Expander entwickelt. Er verbindet SAS-Geräte ähnlich einem Switch im SAN oder LAN.

Ein Edge-Expander kann hierbei bis zu 128 Endgeräte verwalten, ein Fanout-Expander bis zu 128 Edge-Expander. Damit lassen sich über 16.000 Geräte zusammen betreiben.

Als Protokolle werden SMP (SCSI Management Protocol) für die Verwaltung und das Management eingesetzt. SSP (Serial SCSI Protocol) setzt die SCSI-Befehle für die serielle Übertragung um und STP (Serial Tunneling Protocol) passt die SATA-Befehle an, wenn SAS und SATA gemeinsam genutzt werden sollen.

Wie in der nebenstehenden Skizze gezeigt, kann ein SAS-RAID-Controller direkt über einen Expander Festplatten an einer Backplane anschließen. Der RAID-Controller nutzt zum Beispiel eine SAS x4 Verbindung intern zur Backplane, hat bei SAS-2 insgesamt 4 x 600 MB/s, also 2.400 MB/s für seine internen Festplatten zur Verfügung (bei SAS-3 den doppelte Durchsatz).
Über diesen internen Expander könnten weitere JBODs mit eigenen Expandern angeschlossen werden. Der Expander muss allerdings auch einen "Ausgang" besitzen.

In diesem Beispiel nutzt der RAID-Controller aber einen zusätzlichen externen SAS Kanal (ebenfalls x4) zum Anschluss der JBODs. Es stehen also auch 4 x 600 MB/s zur Verfügung. Vom ersten JBOD wird dann das zweite JBOD versorgt. Der Expander im JBOD besitzt also auch einen Ausgang. Damit müssen sich die JBODs die 2.400 MB/s teilen. Das hört sich aber schlimmer an als es ist. Werden zum Beispiel 3 JBODs mit je 16 Festplatten an einen externen SAS x4 Kanal angeschlossen, so bleiben pro Festplatte 50 MB/s übrig (und bei SAS-3 dann 100 MB/s). Ausreichend für eine SATA Festplatte, für eine SAS Platte wäre es bei SAS-2 etwas knapp, bei SAS-3 ist es aber OK. Jedoch würde es bedeuten, das wirklich alle 48 Festplatten gleichmäßig mit dem maximalen Durchsatz laufen würden und damit muss der Server bzw. der RAID-Controller auch die 2.400 MB/s liefern können.

Bei einem einzelnen Server sind die 2,4 GB/s kaum zu erreichen. Selbst bei einem externen RAID-Controller in einem Fibre Channel SAN würde es bei 8 Gbit/s Fibre Channel schon volle 3 Ports benötigen, die auch alle zu 100% ausgelastet sein müssen, um die 2.400 MB/s auch durchleiten zu können.

Wird aber dennoch mehr Durchsatz benötigt, können ja RAID-Controller mit mehr Ports bzw. mehrere RAID-Controller genutzt werden, zum Beispiel je ein Controller pro JBOD.

Bei SAS sind ja SAS- und SATA-Festplatten meist an einem Expander bzw. an einem RAID-Controller gemeinsam nutzbar. Dabei ist aber zu beachten, dass die SAS Platten immer zwei Ports besitzen, SATA Festplatten aber nur einen Kanal. Daher wird beim Einsatz einer SATA-Platte in einem redundanten SAS-Netz (siehe Beispiel im rechten Bild) ein MUX-Board benötigt. Dieses MUX-Board stellt zum Controller zwei Ports zur Verfügung und "kombiniert" diese beiden Ports elektronisch auf den einen SATA-Port der Festplatte.
Wird nur ein Kanal zu den Festplatten verwendet, dann wird diese MUX-Platine auch nicht benötigt. Die Konfiguration unterscheidet sich also von Controller zu Controller und von Hersteller zu Hersteller.

Hinweis: Einige Festplatten-Hersteller bieten SATA-Festplatten auch schon mit SAS-Schnittstellen an, damit ist das MUX-Board mit auf der Festplatte integriert. Der geringe Aufpreis kann die Konfiguration von gemischt bestückten redundanten SAS-Umgebungen stark vereinfachen.

Einsatzbereiche von SAS

SAS löst viele Probleme der SCSI-Technologie. Die Geschwindigkeit kann leicht gesteigert werden, pro Domain können bis zu 16.000 Festplatten angeschlossen werden. Die Entfernung der Geräte untereinander liegt bei maximal 1 Meter (wie bei SATA), jedoch sind Kabellängen bis zu 10 Meter in den Spezifikationen vorgesehen.
Weiterhin unterstützen SAS-Festplatten einen Dual-Channel-Anschluss. Es kann also eine einzelne Festplatte an zwei unterschiedlichen Hostbusadaptern angeschlossen werden. Eine sehr einfache und elegante Lösung, um Cluster zu realisieren bzw. die Verfügbarkeit innerhalb des Systems weiter zu erhöhen. RAID-Systeme mit redundantem Controller sind so einfach und sicher zu realisieren, da eine Kanaltrennung zwischen den Controllern erreicht werden kann. Sollen in diesem Fall dann SATA-Platten (sie haben nur einen Kanal) mit eingesetzt werden, so müssen diese eine Vorschaltelektronik (MUX Board) bekommen (siehe oben).
Neben dem direkten Anschluss von Festplatten wird SAS auch für die Verbindung von Server und RAID-Systemen eingesetzt. Auch dort sind viele Vorteile gegenüber von SCSI zu sehen. Ein "normaler" externer SAS-Anschluss eines Servers bzw. eines RAID-Systems nutzt 4 einzelne SAS-Kanäle (x4), also 4 mal 12 Gbit/s (bei SAS-2 sind es 4 mal 6 Gbit/s). In einem Kabel sind also bis zu 48 Gbit/s (bzw. 24 Gbit/s bei SAS-2) möglich. Eine redundante Anbindung von Storage-Systemen kann einfach realisiert werden und Hot Plug ist dann auch alles.
Durch die Expander-Hardware können auch sehr einfach JBODs mit hoher Festplattenanzahl an einen Server bzw. RAID-Controller angeschlossen werden. Zwischen JBOD und RAID-Controller sind z.B. 4 SAS-Kanäle vorhanden, im JBOD sitzt ein Expander, der dann z.B. 16 Festplatten (SAS und SATA gemischt) ansteuern kann.

Sind die SAS Geräte der einzelnen Hersteller immer kompatibel zueinander? Die Antwort ist ein Jein. Die meisten Hersteller pflegen Kompatibilitätslisten, zum Beispiel zwischen RAID-Controller und Festplatten, oder zwischen Systemen und einem HBA. Diese Listen sollte man beachten und bei Abweichungen vorher genau prüfen. Wichtig ist dies auch bei Abwärtskompatibilitäten, gerade im Bereich von Festplatten.

SAS Kabel und SAS Steckverbinder

Für die Verbindungen mussten eigene SAS Stecker und SAS Kabel entwickelt werden. Neben der hohen zulässigen Geschwindigkeit mussten auch Anforderungen an die Signalmenge erfüllt werden. Bei SAS entwickeln sich die x4 Verbindungen zum Standard. Dies bedeutet, 4 einzelne Verbindungen sind in einen SAS Kabel bzw. SAS Stecker zusammen gefasst. Die Stecker für interne und externe Verbindungen unterscheiden sich.

Ein internes Kabel von einem Multilane Stecker (SFF-8484) auf die SATA Stecker. Auf der Multilane-Seite sind die 4 Kanäle zusammengefasst. Dieses Kabel wird bei internen RAID-Controllern eingesetzt, wenn Festplatten direkt oder ohne Expander Backplane angeschlossen werden sollen. Hat der RAID-Controller vier Ports (SAS x4), so können direkt 4 Festplatten eingesetzt werden.
Ein internes Kabel von einem Multilane Stecker (SFF-8484) auf einen Mini Multilane Stecker. Auf beiden Seiten sind die 4 Kanäle zusammengefasst. Dieses Kabel wird zum Beispiel in Servern verwendet, um einen 4 Kanal SAS Controller (SAS x4) mit einer Expander Backplane zu verbinden. Über diese Expander Backplane können dann bis zu 16 Festplatten (in Einzelfällen auch 24) angeschlossen werden.
Veraltet: Ein externes Kabel mit zwei Mini Multilane Stecker (SFF-8470). Auf beiden Seiten sind die 4 Kanäle zusammengefasst. Es ist auch möglich, von einem SFF-8470 auf einen SFF-8088-Stecker zu wechseln. Dieses Kabel wurden für den Anschluss von externen RAID-Systemen oder Bandlaufwerken verwendet. Auch zur Anbindung von JBOD-Gehäusen an den RAID-Controller bzw. zwischen JBODs fand es Verwendung. Heute ist SFF-8470 vollständig von SFF-8088 und SFF-8644 abgelöst.
Ein externes Kabel mit zwei Mini Multilane Stecker (SFF-8088). Auf beiden Seiten sind die 4 Kanäle zusammengefasst. Es ist auch möglich, von einem SFF-8088 auf einen SFF-8470-Stecker zu wechseln. Der SFF-8088 wird in LTO-Bandlaufwerken verwendet, wie auch in vielen RAID-Systemen. Auch JBODs sind mit diesem Stecker ausgestattet. Als Besonderheit könne diese Stecker kodiert werden, so kann zwischen Aus- und Eingang sicher unterschieden werden. Diese SFF-8088 SAS Stecker bzw. SAS Kabel sind bis 6 Gbit/s zugelassen.
Ein externes Kabel mit einem Mini Multilane Stecker (SFF-8644 oder auch SFF-8088) und 4 Stück Single Lane SFF-8088 oder SFF-8644 Stecker, ein sogenanntes Fanout Kabel. Auf der einen Seiten sind die 4 Kanäle zusammengefasst, hier wird das Kabel mit x4 an den SAS-Controller angeschlossen. Auf der anderen Seite werden die 4 SAS Kanäle auf die 4 einzelnen Stecker verteilt (egal ob SFF-8088 oder SFF-8644). Jeder dieser Stecker nutzt also nur x1 SAS. Dieses Kabel wird zum Beispiel zum Anschluss von Tape-Libraries verwendet. Jedes Laufwerk in der Library hat einen eigenen SAS Anschluss, aber nur einen Kanal. Somit können an einen SAS x4 Kanal des Controllers bis zu 4 Tape-Laufwerke angeschlossen werden. Bei der Kombination SFF8088 auf SFF8644 bestimmt der SFF-8088 SAS Stecker die maximale Geschwindigkeit von 6 Gbit/s.
Dieser Stecker ist von der Bauform her kleiner als der übliche SFF-8088 Stecker. Daher wird er bei neueren Systemen verwendet, gerade dort, wo es auf Platzersparnis ankommt. Dieser Stecker-Typ ist immer häufiger anzutreffen, die offizielle Bezeichnung ist SFF-8644 bzw. SFF8644, aber auch e-HDmSAS, also ein externen HD mini SAS Stecker. Wie immer sind bei diesem Typ auch die x4 Kanäle beschaltet (außer beim Fanout Kabel), also ein Kabel SFF-8644 auf SFF-8088 ist durchaus üblich. Bei diesem Stecker werden meist zwei getrennte Kabel zur Verbindung von Stecker zu Stecker genutzt. Er ist für SAS-3 mit 12 Gbit/s pro Lane zugelassen. Die anderen SAS Stecker (bzw. SAS Kabel) nur bis zu 6 Gbit/s oder SAS-2.

Roadmap

Eine der wichtigsten Entwicklungspunkte ist die Übertragungsrate. Sie soll schrittweise bis auf 4.800 MB/s pro Kanal gesteigert werden. Eine erste Stufe ist Anfang 2010 mit 600 MB/s erreicht worden (SAS-2). Kurz danach folgte SAS-3 mit 1200 MB/s. Fast alle Serverhersteller setzen SAS-Festplatten bzw. SSDs mit SAS-Anschluss in ihren Servern ein. Jeder RAID-System-Hersteller bietet auch Fibre Channel - to - SAS RAID-Controller an, oder sogar SAS - to - SAS RAID-Controller. Im zweiten Fall bekommt der Server einen externen SAS-Controller (wichtig, in diesem Fall einen Host Bus Adapter (HBA) und keinen RAID-Controller). Wird jetzt eine höhere Übertragungsrate gebraucht, so können einzelne Kanäle zusammengeschaltet werden. Mit dem SAS der Version 1 wird extern meist mit x4 Übertragungen gearbeitet, also stehen 4 mal 300 MB/s zur Verfügung. Selbst beim Anschluss von einem JBOD mit 16 Festplatten bleiben pro Festplatte dann noch 75 MB/s Übertragungsrate übrig. Mit SAS-2 hat sich der Durchsatz verdoppelt, also können selbst bei 32 Festplatten in einem JBOD die 75 MB/s erreicht werden. Und SAS-3 bietet nochmal eine Verdoppelung auf 12 Gbit/s an.