17.10.2006 | Autor / Redakteur: Von Searchstorage.com / Rainer Graefen
Seit einigen Jahren sorgt SATA in der Storagewelt für Aufsehen. Zwar können SATA-Laufwerke nicht mit der Leistung von FC-Geräten mithalten, doch haben sie nicht nur beim Preis-/Leistungsverhältnis, also beim Preis pro Gigabyte, die Nase vorn sondern auch der Speicherplatzdichte.
Storage-Experten ereifern sich immer wieder über die Vor- und Nachteile dieser Technik und begutachten ein ums andere Mal inwieweit diese Technik konkurrenzfähig ist. Fibre-Channel-Laufwerke (FC) bieten zweifellos die beste Performance für erfolgskritische Storage-Aufgaben mit hohem Zugriffsaufkommen. Andere Speicheraufgaben, wie das Sichern von Dokumenten, PDFs oder Bildern, benötigen die Leistungsmerkmale der schnellen und teuren FC-Laufwerke nicht.
In diesem Artikel wird die SATA-Technik mit den Festplatteneigenschaften und Schnittstellen anderer Laufwerkstechniken verglichen. Außerdem werden wichtige Einsatzgebiete der SATA-Technik im Unternehmenseinsatz vorgestellt.
SATA ist eine Festplattenschnittstelle - ein Weg, um Daten zwischen dem Laufwerk und dem Hostrechner oder dem Storage-Array hin- und her zu bewegen. Bei den klassischen parallelen ATA-Laufwerken (PATA) wurden neben dem Stromanschluss, in der Regel Flachbandkabel mit 40 und 80 Adern für ATA/100 respektive ATA/133 verwendet, um 16 Datenbits gleichzeitig zu bewegen.
Diese Parallelschnittstelle funktioniert eigentlich recht gut, doch die elektrischen Übertragungskonflikte der vielen beteiligten Adern limitierten die Kabellänge auf kurze 45 cm und die Höchstgeschwindigkeit beim Datentransfer auf 133 Megabit pro Sekunde (MBit/s). Daher der Name ATA/133.
Da es außerordentlich schwierig ist, die Datentransferrate herkömmlicher Flachbandkabel weiter zu erhöhen, gab es nur noch die Möglichkeit serielle Transportlösungen zu entwickeln, die mit hohen Geschwindigkeiten ein Bit nach dem anderen zwischen Laufwerk und Host bzw. Array transportieren können.
Darüber hinaus kann die serielle Anschlusstechnik deutlich größere Distanzen überbrücken und bietet zudem eine höhere Datentransfergeschwindigkeit. Möglich wird das durch besseres Kabelmaterial, Differenzsignalisierung und geringere Übertragungsspannungen.
Schmalere Kabel mit einer Länge von etwa einem Meter erlauben Festplattenverbindungen innerhalb größerer Computergehäuse und sogar darüber hinaus. Verwendet wird ein SAT-Stecker mit 7 Kontakten, der erstmals im Jahr 2003 auf den Markt kam und 2005 in den Standard NCITS 397-2005 aufgenommen wurde. Auch die Stromversorgung änderte sich! Die älteren 4 Pin-Molex-Stromstecker wurden durch 15-Pin-Stromstecker ersetzt, die über 3,3-Volt-, 5-Volt- oder 12-Volt-Anschlüsse verfügen. Der neue Stecker ist an seiner schwarzen Farbe zu erkennen.
Für externe Laufwerke und Raid-Gehäuse gibt es seit 2004 einen Standard für externe SATA-Verbindungen. Ohne Übertragungsgeschwindigkeit einzubüßen, überbrückt heute ein externes SATA-Kabel bis zu 2 Meter.
Obwohl es zweckmäßiger wäre, Geschwindigkeiten bei SATA in Bits pro Sekunde (Bit/s) zu messen, werden weiterhin alle Angaben in Bytes pro Sekunde gemacht, um den Anwendern den Vergleich mit den früheren Parallel-Versionen zu erleichtern. Daher wird die erste Version von SATA, die Daten mit 1,2 GBit/s überträgt, meistens in 150-MByte/s umgerechnet. Dementsprechend spricht man von SATA/150, manchmal auch von SATA I.
Leider gibt es, um den Begriffswirrwar zu vergrößern auch noch die Bezeichnung SATA 1,5 GBit/s. Diese Angabe bezieht sich auf die Taktrate der Schnittstelle, die durch den Overhead der Codierung der Bitübertragungsschicht etwas höher als die Nettotransferrate ausfällt. Die tatsächliche Datentransferrate beträgt auch hier 1,2 GBit/s.
Aktuell arbeitet SATA mit 150 MByte/s nicht viel schneller als ATA/133 – doch das ist nur der erste Schritt. Sehr schnell erhöhten die Hersteller zusammen mit den Normungsinstitutionen die Taktrate der SATA-Schnittstelle auf 3,0 GBit/s.
Der darin enthaltene Overhead reduziert diesen theoretischen Wert auf praktisch nutzbare 2,4 GBit/s bzw. 300 MByte/s. Spätestens mit diesem als SATA/300 bezeichneten Standard wird der Performance-Gewinn gegenüber der klassischen parallelen Verkabelung deutlich. Trotz der doppelt so hohen Geschwindigkeit waren an der Verkabelung keine Änderungen notwendig.
Die meisten SATA-Laufwerke und Controller verwenden inzwischen den Standard SATA/300, doch überprüfen Sie sicherheitshalber, ob ihr neu erworbener SATA/300-Controller auch rückwärtskompatibel zum Standard SATA/150 ist. Manche Controller kommen mit dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Laufwerkstypen nicht klar.
Oft werden SATA/300 Laufwerke als SATA II bezeichnet, was jedoch technisch gesehen falsch ist, da SATA II tatsächlich der Name der Normungsinstitution ist, die die Spezifikationen des SATA/300 entwickelt hat.
Noch höhere SATA-Geschwindigkeiten sind schon am Horizont sichtbar. Bis 2007 soll die Taktrate auf 6 GBit/s verdoppelt werden. Das entspricht einer Datentransferrate von 4,8 GBit/s respektive 600 MByte/s. Obwohl Zukunftsmusik steht die Standardbezeichnung schon heute fest: SATA/600. Doch es bleibt abzuwarten, wie bedeutsam dieser Fortschritt sein wird, da noch keine Festplatte diese Bandbreite ausnutzen kann.
Die SATA-Technik bringt neben der neuen Schnittstelle noch weitere Features mit sich, die besonders für das Enterprise-Segment interessant sind, da sie die Performance des Gesamtsystems erhöhen. Bei SATA hat jedes Laufwerk einen ihm eigens zugeteilten Controller mit zugesicherter Bandbreite, so dass alle Laufwerke gleichzeitig Daten mit ihren Hostcontrollern austauschen können. Das ist besonders wichtig für RAID-Systeme mit vielen Ein-/Ausgabeoperationen.
Auch Hot-Swapping wird von der SATA-Schnittstelle unterstützt. Dadurch kann die Verbindung zwischen den SATA-Laufwerken und den Controllern während des Betriebs getrennt und wieder hergestellt werden. Eine wichtige Eigenschaft für Enterprise-Systeme.
Eine weitere Funktion der SATA-Technologie ist NCQ (Native Command Queuing). Bisher wurden bei PATA alle Ein-/Ausgabe-Anforderungen in der Reihenfolge ihres Eintreffens abgearbeitet. Das ist oft ineffizient, da die Schreib-/Leseköpfe weite Wegstrecken auf der Plattenoberfläche zurücklegen müssen. Mittels NCQ werden nun diese Zugriffe umsortiert, so dass sich der Datendurchsatz durch die optimierten Kopfbewegungen verbessert.
Das SATA-Protokoll ist kompatibel zu Serial Attached SCSI (SAS), so dass zwei unterschiedliche Laufwerkstypen ohne Änderungen an einem SAS-Controller betrieben werden können. Umgekehrt funktioniert das nicht. SAS-Festplatten sind nicht an SATA-Controller anschließbar. Für die Kooperation mit FC, PATA oder SCSI wären Softwareanpassungen oder Änderungen im Protokollierungsverfahren erforderlich.
Hersteller Seagate ist für seine Enterprise Festplatten bekannt und bietet für das Nearline-Speichern die NL35- und die Barracuda- Baureihe an. Die NL35-Familie wird mit SATA/300-Schnittstelle ausgeliefert, hat Speicherkapazitäten von 250, 500 und 750 GByte und beherrscht die NCQ-Funktion. Zusätzliche Eigenschaften wie die hohe Toleranz bei Vibrationen erlauben es die Packungsdichte der 3,5-Zoll-Festplatten in Festplattenarrays zu erhöhen. Ein Workload-Manager kontrolliert die Festplattentemperatur und drosselt im Bedarfsfalle die Kopfbewegungen, um vorzeitige Ausfälle zu verhindern. SATA-Festplatten wie die NL35 und die Baracuda sind auf Grund dieser Features inzwischen häufig in Enterprise-Storage-Systemen zu finden.
• Disk-to-Disk: Für die Replikation von Dateien und auch Offline-Datenbanken eignen sich SATA-Festplatten, da sie hohe Drehzahlen und Speicherkapazitäten bieten. Als Beispiel soll hier das Axion-Array von Avamar Technologies dienen. Die Kopie zwischen Festplatten ist schneller durchgeführt als dies beim herkömmliches Backup auf Band der Fall wäre. Mit zusätzlicher Replikations-Software kann die Festplattenkopie sogar über Weitverkehrsnetz (WAN) an einen entfernten Datentresor oder ein zweites Rechenzentrum Orten durchgeführt werden.
• Virtual Tape Library: SATA-Laufwerke sind heute ebenfalls Standard in virtuellen Bandbibliotheken (VTL). Im Wesentlichen ist das ein Storage-Array, das eine Bandbibliothek emuliert. Eine VTL ist in sofern eine Variante eines D2D-Systems. Der Unterschied besteht darin, dass hier alle existierenden Backup-Prozesse und Verfahren beibehalten werden. VTL-Plattformen gibt es von Hewlett-Packard, HDS, IBM, Netapp und auch von einer Reihe kleinerer Anbieter.
• Content Adressed Storage: Speicherhersteller EMC hat diese Variante der Datenspeicherung entwickelt. Hierbei erstellt ein Algorithmus aus dem Dokumentinhalt und einigen anderen Parametern einen einzigartigen Schlüssel, der auch gleichzeitig den Lagerort beschreibt. Beim Content Adressed Storage (CAS) werden Formulare, Produkt- und Archivinformationen abgelegt, also feststehende Inhalte, die letztlich viel Speicherplatz beanspruchen. CAS-Speichersysteme verfügen über Funktionen wie Datenduplikation, Sicherheitsschutzvorkehrungen und Retention/Deletion-Steuerung. Ein Beispiel für ein solches Archivierungssysteme ist die Centera von EMC.
Zwar haben die Vorzüge von SATA die Storage-Experten lange fasziniert, aber die Zuverlässigkeit warf einige Fragen auf. Auch wenn SATA-Laufwerke wie die der NL35- und der Barracuda-Baureihe mit einer Garantie von fünf Jahren ausgeliefert werden, ergeben sich daraus hochgerechnet nur 43.800 Stunden, und das ist meilenweit entfernt von der im Enterprise-Segment garantierten eine Million und mehr Stunden. So verspricht beispielsweise Seagate bei ihrer Cheetah 15K.5-Baureihe einen MAA von 1,4 Millionen Stunden (das entspricht einem Dauerbetrieb von fast 160 Jahren).
RAID kann definitiv eine große Hilfe sein, um SATA-Laufwerke vor Ausfällen zu bewahren, doch führen die riesigen Kapazitäten der SATA Festplatten heutzutage im Schadensfall zu Wiederherstellungszeiten, die schnell sechs Stunden erreichen und überschreiten können. Leider ist es nicht von der Hand zu weisen, dass ausgerechnet beim Rebuild einer RAID-Gruppe noch eine weitere Festplatte ausfallen könnte. Das würde einen kompletten Datenverlust nach sich ziehen. Diese Bedenken haben die Einführung von SATA-Laufwerken verlangsamt. Inzwischen wurde jedoch der RAID-6-Level freigegeben, der bei erhöhten Sicherheitsanforderungen eingesetzt werden kann.
RAID-6 ist ein Dual-Paritätssicherungsschema, dass auch bei zwei gleichzeitigen SATA-Festplattenausfällen Datenschutz bietet. Dabei werden zwei voneinander unabhängige Paritätsdatenblöcke über die RAID-6-Gruppe verteilt. Damit richtet auch ein doppelter Ausfall keinen Schaden an. RAID-6 hat jedoch auch Nachteile, da nun zwei Festplatten nur für Paritätsinformationen benötigt werden. Das bedeutet allerdings auch eine verglichen mit RAID-5 verminderte Schreibleistung, da nun bei jedem Schreibzugriff zwei Paritätsdaten zu berechnen und wieder auf die Platten zu schreiben.
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