Андрей Борзенко

Как для обычных персональных компьютеров, так и для серверов масштаба предприятия узким местом, ограничивающим их производительность, может быть интерфейс системы хранения данных. Впрочем, такие параметры, как надежность, количество подключаемых устройств, возможность “горячей” замены, общая длина кабеля и т. п., часто бывают не менее значимыми. В настоящее время для систем хранения данных обычно используются следующие интерфейсы: SCSI (Small Computer System Interface), SSA (Serial Storage Architecture) и FC-AL (Fibre Channel - Arbitrated Loop).

SCSI - наиболее распространенный

Самым старым из рассматриваемых интерфейсов является SCSI, который был разработан организацией Shugart Associates еще в конце 70-х годов (первоначальное названиее SASI - Shugart Associates System Interface). Напомним, что Алан Шугарт - основатель корпорации Seagate Technology (www.seagate.com). После стандартизации этого интерфейса американским национальным институтом стандартов ANSI (American National Standard Institute) в 1986 г. уже под именем SCSI он стал одним из важнейших промышленных стандартов для подключения периферийных устройств: винчестеров, стримеров, сменных жестких и оптических дисков и т. п. Стандарт SCSI определял, в частности, два способа передачи сигналов - синфазный и дифференциальный. В первом случае сигналы на восьми информационных линиях имели ТТЛ-уровни (транзисторно-транзисторной логики), причем длина кабеля ограничивалась 6 м. Версия шины SCSI с дифференциальной передачей сигнала позволила увеличить длину шины до 25 м. К магистрали SCSI можно было подключить до семи устройств. Скорость передачи информации по шине не превышала 4 - 5 Мб/с.

Набор стандартов SAM (SCSI-3)

В результате дальнейшего развития SCSI появился стандарт SCSI-2. В спецификацию были включены дополнительные команды, поддерживающие такие устройства, как приводы CD-ROM, сканеры, коммуникационные устройства, оптические накопители. Для повышения производительности интерфейса в SCSI-2 был введен так называемый “широкий” (Wide) вариант шины данных, предусматривающий наличие дополнительных 24 информационных линий. Появилась возможность передавать данные не только байтами, но и 16- и 32-разрядными словами. Для повышения пропускной способности магистрали SCSI тактовая частота обмена была увеличена примерно в два раза за счет сокращения критических временны/х параметров шины, применения новейших микросхем, высококачественных кабелей и технологии активного согласования линий. В результате реализации всех этих усовершенствований в скоростном Fast SCSI-2 производительность магистрали повышена до 10 Мб/с. Совместное использование Fast и Wide (32-разряда) SCSI-2 теоретически позволяло достичь быстродействия до 40 Мб/с.

Параллельно с внедрением SCSI-2 комитет ХТ310 ANSI предложил набор стандартов - SCSI Architecture Model (SAM), получивший название SCSI-3. В нем были регламентированы не только первичные и расширенные наборы команд для различных устройств, но и ряд протоколов, предусматривающих как параллельную, так и последовательную передачу данных. Кроме того, появилась возможность увеличения числа устройств, подключаемых к магистрали.

Благодаря использованию ряда схемотехнических приемов, в частности низкоуровневых дифференциальных сигналов, вариант интерфейса Ultra SCSI для 8-разрядной передачи данных обеспечивает скорость 20 Мб/с, а для 16-разрядной - 40 Мб/с. Интерфейс Ultra 2 SCSI с частотой синхронизации шины данных 40 МГц позволяет обмениваться 16-разрядными словами со скоростью 80 Мб/с.

Основные ожидания в будущем ряд экспертов связывает с внедрением стандарта Ultra 3 SCSI (Ultra 160/m SCSI). При той же тактовой частоте, как и в Ultra 2 SCSI, скорость передачи данных по 16-разрядной магистрали удвоится и достигнет 160 Мб/с. Длина кабеля ограничивается 12 м. Надежность передачи повысится за счет использования циклического контроля по четности CRC (Cyclical Redundancy Check). По-видимому, данный интерфейс найдет широкое применение в недорогих системах, где не требуется высокая производительность и масштабируемость.

SSA - всем хорош, но...

В отличие от SCSI два других интерфейса передают информацию не параллельно, а последовательно. Интерфейс SSA был предложен и разработан корпорацией IBM (www.ibm.com), сейчас он уже имеет статус стандарта (ANSI X3T10.1). Базовый вариант интерфейса обеспечивает скорость до 20 Мб/с. В случае применения двух портов и дуплексной схемы обмена скорость можно повысить до 80 Мб/с. В качестве среды для передачи информации используется тонкий экранированный кабель, в котором заключены две витые пары. Это, разумеется, менее дорогое и более гибкое решение, нежели 50- или 68-проводниковые SCSI-кабели.

50-гигабайтный накопитель Barracuda с интерфейсом FC-AL

Наиболее распространенной топологией интерфейса SSA является “петля” (loop), допускающая объединение до 126 устройств, причем длина каждого кабеля между устройствами может достигать 25 м. Напомним, что в случае интерфейса SCSI речь идет об общей длине кабеля. Все SSA-устройства имеют возможность “горячей” замены. Протоколы SSA делятся на два уровня: физический - SSA-PH и отображаемый (mapping). На последнем уровне возможно применение SCSI-команд, что позволяет сэкономить средства на ПО при переходе от SCSI- к SSA-устройствам. Несмотря на очевидные преимущества данного интерфейса, некоторые специалисты склонны считать, что по ряду субъективных причин SSA так и не станет в индустрии стандартом де-факто.

FC-AL - он себя еще покажет

Наиболее перспективным для наращиваемых и производительных систем хранения данных считается сегодня интерфейс FC-AL. Предыстория его появления такова. В 1992 г. три крупнейшие компьютерные компании IBM, Sun (www.sun.com) и Hewlett-Packard (www.hp.com) создали инициативную группу FSCI (Fiber Channel Sytems Inintiative), перед которой была поставлена задача: разработать метод быстрой передачи цифровых данных. Группой был предложен ряд предварительных спецификаций - профилей. Поскольку физической средой для обмена информацией должны были стать волоконно-оптические кабели, то и в названии технологии фигурировало слово fiber. Однако несколько лет спустя в соответствующие рекомендации была добавлена возможность использования и медных проводов. Тогда комитет ISO (International Standard Organization) предложил заменить английское написание fiber французским fibre, чтобы как-то уменьшить ассоциацию с волоконно-оптической средой, сохранив при этом практически первоначальное написание.

Технология Fibre Channel обладает рядом преимуществ, которые делают этот стандарт удобным при организации обмена данными в группах компьютеров, а также при использовании в качестве интерфейса устройств массовой памяти, в локальных сетях и при выборе средств доступа к глобальным сетям. Основное достоинство этой технологии заключается в высокой скорости передачи данных.

Когда предварительная работа по профилям была завершена, дальнейшую поддержку и развитие новой технологии взяла на себя ассоциация разработчиков волоконно-оптического канала FCA (Fibre Channel Association), организационно вошедшая в комитет ANSI. Помимо FCA существует также независимая группа FCLC (Fibre Channel Loop Community), которая занимается продвижением одного из вариантов технологии Fibre Channel - FC-AL. В данную группу входят такие компании, как Adaptec, Compaq, Data General, EMC, Fujitsu, Hewlett-Packard, Intel, IBM, Lucent, Motorola, Seagate Technology, Sun, Texas Instruments.

Сравнительные характеристики интерфейсов

Дело в том, что на самом деле FC-AL является только одной из трех имеющихся топологий Fibre Channel, которая, в частности, применяется для систем хранения данных. Подобно SSA в “петлю” FC-AL можно включить до 126 устройств с возможностью “горячей” замены. При использовании коаксиального кабеля расстояние между ними может достигать 30 м, в случае же волоконно-оптического кабеля оно увеличивается до 10 км.

Fibre Channel предусматривает пять уровней протоколов, причем на высшем уровне определяются такие, как SCSI, IP, IEEE 802.2 и др. Интересно, что все поддерживаемые протоколы в данном случае могут быть задействованы одновременно. Например, интерфейс FC-AL, работающий с IP- и SCSI-протоколами, пригоден как для обмена “система - система”, так и “система - периферия”. Это исключает потребность в дополнительных контроллерах ввода-вывода, существенно уменьшает сложность кабельной системы и, разумеется, общую стоимость.

Высокая надежность обмена при использовании FC-AL обусловлена двухпортовой архитектурой дисковых устройств и циклическим контролем передаваемой информации.

Стандарт предусматривает несколько полос пропускания: 133, 266, 532 Мбит/с и 1,0625 Гбит/с. Это позволяет достичь скорости обмена при полном дуплексе - 200 Мб/с (соответственно 100 Мб/с при односторонней передаче). В ноябре 1998 г. компании Seagate Technology и Hewlett-Packard объявили планы по созданию устройств, работающих с 2- и 4-гигабитным интерфейсом FC-AL. Эффективная скорость передачи данных в этом случае может превысить 800 Мб/с. Такие параметры необходимы, например, для работы с производительными накопителями типа Cheetah и Barracuda, емкость которых достигает 36 и 50 Мб соответственно.

По оценкам корпорации IDC, рынок Fibre Channel к 2002 г. достигнет 15 млрд. долл., причем 50% внешних систем хранения данных будут использовать именно эту технологию. Дело в том, что технология Fibre Channel идеально подходит для реализации стратегии централизованной системы хранения данных SAN (Storage Area Network), когда дисковые и ленточные накопители “живут” в своей отдельной сети (“банк данных”), которая может быть территориально довольно далеко удалена от основных серверов компании.

Пока, по данным IDC, самым крупным поставщиком устройств хранения с интерфейсом FC-AL является компания Seagate Technology. Однако ожидается, что в самое ближайшее время такие крупнейшие производители жестких дисков, как IBM, Quantum и Fujitsu, активизируют свои усилия в этом секторе рынка.

В таблице приведены технические характеристики интерфейсов Ultra 3 SCSI, SSA и FC-AL.

Дополнительную информацию о технологии FC-AL можно получить на Web-узле рабочей группы FCLC: www.fcloop.org.