Die Zeit der parallelen Anschlüsse scheint vorbei. Mit den Schnittstellen Serial Advanced Technology Attachment, kurz SATA, und Serial Attached SCSI, SAS, verbreiten sich leistungsfähige Interfaces in allen Computerbereichen. Sie versprechen nicht nur gute Leistungswerte, sondern auch noch Luft nach oben in kommenden Generationen.
SATA: Serial Advanced Technology Attachment
Als der Serial-ATA-Standard um das Jahr 2000 herum als Nachfolger der ausgereizten ATA-Schnittstelle etabliert wurde, entschied man sich im Gegensatz zum Vorgänger für eine serialisierte Übertragung der Daten in einzelnen Bits und nicht wie vorher in 8- oder 16-Bit-Worten. Diese Vorgehensweise resultiert vor allem in der Fähigkeit, wesentlich größere Datenmengen zu transportieren, aber auch in einer einfacheren Verkabelung mit Hot-Plug-Möglichkeit. SATA wird heute nicht nur für interne Festplatten oder DVD-Laufwerke genutzt, sondern bietet mit eSATA auch eine externe Schnittstelle zum Anschluss von Speichermedien an. Damit hat sich SATA auf diesem Gebiet als dritter Standard neben FireWire und USB etabliert.
Einfache Verkabelung bei SATA
Die Verkabelung stellt den größten sichtbaren Unterschied zwischen herkömmlichen ATA- und SATA-Systemen dar. Wurden ATA-Laufwerke durch einen Standard-5+12-Volt-Stecker mit Strom versorgt und die Daten über ein 40-adriges Kabel mit maximal zwei Steckverbindern transportiert, so geschieht dies für SATA über Flachverbinder mit sieben Adern zur Datenübertragung und 15 Adern zur Stromversorgung. Während für ATA-Festplatten unterschiedliche Verkabelung für 2,5-Zoll-HDDs und 3,5-Zoll-Laufwerke genutzt wurden, gilt für SATA-Laufwerke ein einheitlicher Standard, was den gemischten Einsatz von kleinen und großen Platten vor allem in Arrays wesentlich vereinfacht.
Auch die von ATA bekannte Einstellung von "Master" und "Slave" am Bus entfällt bei SATA, da es sich um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit jeweils nur einem Gerät pro Kabel handelt. Ein großer Vorteil der neuen Verkabelung und Logik ist es, dass SATA-Geräte sich ohne weitere Maßnahmen an SAS-Controller anschließen lassen. Hierfür wird der "SCSI/ATA Translation Layer" (SAT) genutzt. Er setzt die auf SAS genutzten SCSI-Befehle in ATA-Kommandos um und umgekehrt. Hierdurch können SAS- und SATA-Laufwerke ohne größeren Aufwand in denselben Arrays gemischt betrieben werden.
SATA: Bandbreiten und Array-Features
Während die erste SATA-Version mit 1,5 Gbit pro Sekunde nur unwesentlich schneller war als das alteingesessene ATA mit seinen 133 MByte pro Sekunde, nutzen längst fast alle internen und externen Geräte mindestens den zweiten Standard mit einem möglichen Maximaldurchsatz von 3 Gbit/s. Allerdings werden pro 10 bit nur 8 bit Daten übertragen, so dass hier lediglich 2,4 Gbit netto zur Verfügung stehen, also 300 MByte/s.
Mit SATA 2.0 wurden vor allem für Arrays wichtige Funktionalitäten eingeführt. Platten können nun zeitlich versetzt eingeschaltet werden, um Spannungsspitzen durch zu viele Abnehmer zu verhindern. Laufwerke lassen sich im laufenden Betrieb ausschalten, austauschen und wieder anfahren. Über eSATA können nun über ein maximal zwei Meter langes Kabel externe Geräte angeschlossen werden, über xSATA mit speziellen Kabeln und Verbindungen sogar bis zu acht Meter entfernt. eSATA- und xSATA-Kabel sind nicht kompatibel zum internen SATA-Standard, um Verwechslungen zu verhindern.
Seit 2009 existiert die dritte Definition von SATA mit wiederum doppelter Übertragungsrate, also 6 Gbit/s oder 600 MByte/s. Allerdings findet dieser Standard bei Festplatten noch wenig Verwendung, da die Bandbreite nicht ausgenutzt wird - hier genügt SATA 2.0 noch. Lediglich SSDs kratzen an der Leistungsgrenze von SATA 3.0, weshalb diese schon überwiegend mit dem aktuellen Standard ausgestattet sind.
Über einen Port Multiplier, einer Art Hub, lassen sich bis zu 15 Geräte an einen einzigen SATA-Port anschließen. Allerdings nutzen diese dann gemeinsam die maximale Bandbreite von 6 Gbit pro Sekunde. Mit einem Port Selector schließlich können zwei unabhängige Datenkabel redundant genutzt werden, so dass sich ein möglicher Single Point of Failure bis auf Laufwerksebene ausschließen lässt. Allerdings fehlt hierfür ein Automatismus, so dass extern bestimmt werden muss, welche Leitung gerade genutzt wird.
SATA: Varianten und Roadmap
Momentan noch Exoten-Status besitzen Anschlüsse nach der mini-SATA- und der external Power over SATA (eSATAp) Definition. Während mit mSATA die Möglichkeit des Einsatzes auf Geräten unterhalb des 2,5-Zoll-Standards und mit einer Höhe von weniger als 7 mm geschaffen wurde, ermöglicht eSATAp den Entwurf von Geräten, deren Schnittstelle gleichzeitig USB- und eSATA-kompatibel sind.
Allerdings wird für den Betrieb an eSATA eine Stromversorgung benötigt, beispielsweise über ein zusätzliches USB-Kabel. Beide Standards haben sich bisher nicht weit verbreiten können.
Foto: SATA-IO
In Zukunft noch mehr Leistung
In den letzten Zügen befindet sich derzeit die Definition von SATA-Standards mit 8 beziehungsweise 16 Gbit pro Sekunde. Diese auch als SATA-Express gehandelten Schnittstellen zielen vor allem auf SSD-Laufwerke, von denen bereits heute viele Typen die Bandbreite von SATA 3.0 voll ausnutzen. Mit Übertragungsraten von dann 800 MByte beziehungsweise 1,6 GByte pro Sekunde und Kanal und einer entsprechenden Anzahl von Laufwerken lassen sich damit leicht Durchsätze erreichen, die um ein vielfaches höher sind als bei heutigen ATA-Arrays. SATA Express soll laut der SATA-IO bis Ende 2012 verabschiedet werden.
SAS - Serial Attached SCSI
Zwischen 2001 und 2004 suchten verschiedene Hersteller nach einem Nachfolger für das technisch ausgereizte SCSI (Small Computer System Interface), welches in seiner letzten Version Ultra-320 bis zu 320 MByte pro Sekunde transportieren konnte. Immer größer werdende Timing-Probleme des parallelen Ansatzes verhinderten eine weitere Leistungssteigerung dieses Standards. Wie auch im ATA-Umfeld entschied man sich schließlich für eine Serialisierung des Datentransportes. Des Weiteren beschloss man eine Anschluss- und Protokoll-seitige Kompatibilität zum bereits existierenden SATA-Standard, um in Zukunft preiswerte und Hochleistungs-Geräte zusammen und ohne großen Entwicklungsaufwand verwenden zu können.
Verkabelung, Profi-Stecker und Expander
Die für interne Anschlüsse verwendeten SAS-Kabel entsprechen bis auf kleine Stege zwischen Daten- und Spannungsversorgung den für SATA verwendeten. Damit lassen sich SATA-Geräte zwar an SAS-Controller, umgekehrt aber keine SAS-Geräte an SATA-Controller anschließen. Neben diesen Standardkabeln haben sich vor allem für den Betrieb im professionellen Umfeld weitere, mechanisch weniger anfällige Metallstecker etabliert (SFF-8088 "Extern Mini-SAS" und SFF-8470 "Infiniband").
Für kleinere Festplatten mit einer Bauhöhe unterhalb von 7 mm wurde außerdem der SFF-8087 "Intern Mini-SAS" definiert. Die Kabellängen entsprechen denen des SATA-Standards, also entweder zwei Meter ohne und acht Meter mit geeigneten Expandern. Da im Gegensatz zu SATA annähernd die doppelte Spannung verwendet wird, sollte für die Verkabelung von SAS-Geräten auf jeden Fall auf geeignete Verbinder zurückgegriffen werden.
Bei der alten Ultra-320-Verkabelung waren auf einem Kabel alle Geräte eines Controllers angeschlossen, am Ende des Kabels ein Widerstand aufgesteckt und alle Geräte einzeln mit ihrer jeweiligen ID versehen. Dieses Verfahren war komplex, nicht flexibel und vor allem fehleranfällig. Deswegen entschied man sich für SAS für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, jedes Gerät wird also über ein separates Kabel an den Controller angeschlossen. Wenn die Anzahl der Anschlüsse am Controller nicht ausreicht, kann auf Expander zurückgegriffen werden. Kleinere "Edge-Expander" bieten bis zu 128 Anschlüsse, "Fanout-Expander" weitere 128 Kanäle. Theoretisch lassen sich also an einen SAS-Controller 128²=16.384 Geräte anschließen.
Als Protokoll verwendet SAS das sogenannte SSP (SAS SCSI Protocol), welches weitestgehend dem Befehlssatz von Ultra-SCSI entspricht. Über das STP (SATA Tunneling Protocol) lassen sich SATA-Geräte direkt vom SAS-Controller steuern. Mit dem SMP (SAS Management Protocol) schließlich kommuniziert der SAS-Controller mit Edge- und Fanout-Expandern.
SAS: Bandbreiten und FC-Alternative
Der erste SAS-Standard wurde mit 3 Gbit pro Sekunde definiert. Da auch SAS 8 bit Daten pro 10 bit transportiert, resultierte dies in einer Bandbreite von 300 MByte pro Sekunde. Diese werden allerdings im Vergleich zu SATA nicht halb-, sondern Vollduplex übertragen. Darüber hinaus verfügen SAS-Festplatten in vielen Fällen über zwei Schnittstellen, können im Dual-Channel-Betrieb also bis zu 600 MByte pro Sekunde transportieren. Momentan am weitesten verbreitet ist der SAS-2.0-Standard mit 6 Gbit/s, also 600 MByte pro Sekunde. Mit zwei Kanälen stehen also aktuell bereits 1,2 GByte/s zur Verfügung.
Foto: SCSITA
SAS verdrängt Fibre Channel
Für Anfang 2013 sollen die ersten Storage-Geräte mit SAS 12 Gb/s auf den Markt kommen. Hersteller wie LSI demonstrieren bereits Ende 2011 SAS Expander mit dem SAS-3.0-Standard. Während SAS 2.0 (6 Gb/s) bereits heute wesentlich mehr Daten zu transportieren vermag als der FC-Standard mit 4 Gbit pro Sekunde, werden Geräte nach dem SAS 3.0-Standard mit Dual-Channel-Anschluss die fünffache Leistung, also 24 Gbit/s bieten können.
Vor allem die in den Markt kommenden SSD-Laufwerke der "dritten Generation" werden damit wesentlich höhere Leistungen zeigen können als in den herkömmlichen FC- oder SAS-2.0-Arrays. Die Zeiten von Fibre Channel als Backend von Enterprise-Systemen dürften damit endgültig vorbei sein - haben sich die Plattenhersteller doch entschieden, keine schnellere als die 4-Gbit-Schnittstelle für Laufwerke zu entwickeln.
Auch die entwicklungsseitig wesentlich einfachere Integration von SAS- und SATA-Laufwerken in einem Array dürfte dieser Entwicklung Anschub geben. Speichersysteme werden hiermit weniger komplex, verwenden wesentlich weniger Teile und erreichen noch höhere Zuverlässigkeitsraten als heute.
SATA vs. SAS
War dieser Vergleich zu Zeiten von ATA, FC und SCSI geradezu verpönt, drängt sich heute eine konkurrierende Betrachtung von SATA und SAS auf. Vor allem im aktuellen 6- und den kommenden 8- und 16-Gbit-Standards wird SATA, zumindest in kleineren und mittleren Installationen mit weniger Leistungshunger, zur echten Alternative.
Zwar bietet SATA wesentlich geringere Ausbaumöglichkeiten als SAS und verzichtet auch auf die duale Anbindung von Laufwerken, transportiert aber schon heute mit 600 MByte pro Sekunde deutlich mehr Daten als die bisherigen Hochleistungs-Festplatten der Fibre-Channel-Familie. Allerdings haben die Hersteller größtenteils keine schnellen Spindeln mit 10.000 oder gar 15.000 Umdrehungen pro Minute im Portfolio, wohl einerseits aus preislichen Gründen, andererseits aber auch, um den technischen Abstand zu den teureren SAS-Laufwerken gebührend aufrecht zu erhalten.
Und so werden wir in Zukunft wohl vier Hauptlinien bei Datenträgern sehen: SATA-Festplatten für den Standard-Home- und KMU-Bereich und Multi-Cell-SSDs mit SATA-Schnittstelle für dortige Hochleistungs-Anwendungen sowie SAS-Festplatten für den Enterprise-Bereich und Single-Cell-SSDs für das absolute Maximum an Leistung.
Immer preiswertere SSDs, aber auch - nach dem Überwinden der Folgen der Überschwemmungen in Südost-Asien - wieder fallende Plattenpreise werden nochmals für ein Verrücken der Prioritäten im Datenspeichermarkt sorgen. In nicht allzu ferner Zukunft werden wir auch Enterprise-Arrays zunehmend nur noch mit SSDs für den aktiven und SATA-Platten für den passiven Datenbereich sehen. (cvi)