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Professionell, Büro oder privat: Werden Festplatten bzw. Laufwerke auf Flash-Basis angeschafft, gilt es einiges zu beachten. Nur mit der richtigen Schnittstelle werden die sehr viel höheren Durchsatzraten (IOPS) von SSDs ermöglicht. Wir erklären, wann SAS oder SATA passt bzw. künftig NVMe. 👉 Neues Update
Von Hermann Strass und Karl Fröhlich
Die Entscheider im ITK-Bereich haben sich in der Vergangenheit sehr intensiv mit den Gegebenheiten der Festplattentechnik befasst. Einige dieser Themen – wie Anpassungsfähigkeit, Einbindung in bestehende Systeme, Redundanz, Verwaltungsprobleme oder Zuverlässigkeit – gelten auch für SSD-Systeme. Allerdings sind die Einzelheiten oft erheblich anders.
Richtig eingesetzt beschleunigen SSDs wichtige Anwendungen wie Dialogverarbeitung in Echtzeit, elektronischer Geschäftsverkehr, Geschäftsanalyse, Hochleistungs-Computer, virtuelle PC-Infrastrukturen oder Web 2.0 erheblich. Erster Auswahlfaktor ist das Interface: SAS oder SATA.
SAS und SATA sind die beiden wichtigsten Schnittstellen für die Verbindung des Computersystems mit magnetischen Festplatten-Laufwerken (HDD). Im Bereich der SDD spielten beide Schnittstellen eine wichtige Rolle als Schnittstelle. Durch das Aufkommen des NVMe-Protokolls, das schneller ist als SATA, könnte es allerdings durchaus sein, dass künftig mehr Flash-Speicher mit NVMe ausgestattet werden als mit SATA.
Aus Leistungs- und Kostengründen wird SAS in professionellen Anwendungen (Server-, Speicher, Rechenzentrum) und SATA in alltäglichen Anwendungen (Büro, Heim) eingesetzt. Es gibt erhebliche Unterschiede bei den Anforderungen in diesen Anwendungsbereichen wie Gebrauchsfähigkeit, Verfügbarkeit oder Zuverlässigkeit, was sich auf den Preis auswirkt. Diese Unterschiede sollten vor der Festlegung auf eine Technik sorgfältig untersucht und berücksichtigt werden.
SAS und SATA in der richtigen Kombination nutzen
Es gibt Angebote, bei denen die professionelle SAS-Schnittstelle zusammen mit preisgünstigen SATA-Laufwerken verwendet wird. Aus technischen Gründen bleiben die meisten Merkmale der SAS-Technik in dieser Kombination allerdings ungenutzt. Die Leistungs- und Sicherheitsmerkmale von SAS müssen durchgängig (End-to-End) angewendet werden, damit sie auch wirksam sind.
Flash-SSD hat sich auch in im Bereich der Endanwender längst etabliert. Viele Anwendungen profitieren von den schnelleren Medien, sei es in Laptops, PCs, Video- und Fotokameras oder kleineren Speichergeräten. Günstigere Produkte sind mit einer SATA-Schnittstelle ausgestattet, während Nutzer für ein SAS-Interface etwas tiefer in die Tasche greifen müssen.
Schnittstellen und mögliche Störquellen
Nicht vernachlässigen: Zu den Dingen, die von Anfängern häufig unberücksichtigt bleiben, gehören die elektromagnetischen Störungen in beide Richtungen, der Empfang von außen (Anfälligkeit) und die Aussendung in die unmittelbare Umgebung (Störstrahlung). Es gibt auch Regeln für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Signalen auf einer Übertragungsstrecke. Der Wellenwiderstand (Impedanz) muss über die ganze Strecke vom Sender zum Empfänger – also über Leiterbahnen, Kabel und Steckverbinder hinweg – gleich sein, um Signalverzerrungen zu vermeiden. Dazu sollten auch die beiden Leitungen eines Signalpaares elektrisch über die ganze Länge identisch gleich lang sein.
Auf einer Leiterplatte dürfen Signalleitungen nicht im rechten Winkel verlegt werden. Es sind mindestens zwei 45-Grad-Winkel erforderlich. Die Leiterbahnen eines Signalpaares müssen über die ganze Länge so nah wie möglich zueinander verlegt werden, weil die Fläche zwischen den Leiterbahnen eine Antenne bildet, die empfindlicher wird, wenn die Zwischenfläche größer wird. Erfahrene Entwickler kennen noch viele weitere Regeln dieser Art, die zum Teil in unterschiedlicher Weise für beide Schnittstellen von Bedeutung sind. Solche Regeln werden in Unternehmen mit langjähriger Erfahrung professionell genutzt.
SCSI-Protokoll stellt die Basis für SAS
Für die SAS-Schnittstelle wird das erprobte, weit verbreitete SCSI-Protokoll genutzt. Drei Protokollvarianten werden für einfache oder erweiterte SAS-Konfigurationen eingesetzt. Das serielle SCSI-Protokoll (SSP) steuert die Kommunikation zwischen der Steuerlogik im Rechner und dem Laufwerk. Das SCSI-Management-Protokoll (SMP) wird für den Betrieb von mehreren Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und für Erweiterungseinheiten (Expander) benötigt, mit deren Systeme mit mehreren tausend Laufwerken steuerbar sind. Zusätzlich gibt es noch das SATA-Tunneling-Protokoll (STP), mit dem SATA-Laufwerke direkt an einem SAS-System nutzbar sind.
SAS: Einige Merkmale für geschäftsentscheidende Anwendungen:
- Übertragungsrate: 22,5 Gbit/s, bis zu 48 Gbit/s mit zwei Vollduplex-Ports
- Vollduplex-Übertragung (bidirektional oder zweimal unidirektional)
- zwei gleichzeitig nutzbare Kanäle (Ports)
- breite Ports (x2 und x4)
- mehrstufige Expander für große Topologien
- Reichweite bis zu 100 m
- durchgängige Datensicherheit (end-to-end)
- Fehlerkorrekturmöglichkeit (input/output error correction = IOECC)
- Modultausch bei laufendem Betrieb (hot-plug)
- professionelle Befehlsverkettungstiefe: 128 bis 256
- uneingeschränkter SCSI-Befehlssatz
- variable Sektorgröße
- hohe Signalpegel (1,2 V)
Mit den hohen Signalpegeln (1,2 V) wird eine bessere Fehlerresistenz erreicht und die aktive Signalentzerrung sowie das Einpegeln der Signalübertragung bei längeren Kabeln ermöglicht. Eine Steuerschnittstelle (nicht in Mini-SAS-Steckverbindern) unterstützt die Portkonfigurierung und Anpassungen zur Qualitätssteuerung der Signale. SAS erlaubt die Zusammenlegung von mehreren Ports, womit die Durchsatzraten verbessert werden. Dabei werden mehrere, simultan genutzte Datenströme zwischen einem oder mehreren Rechnern und/oder Laufwerken logisch zusammengefasst (typisch x2 oder x4), um redundante Hochverfügbarkeitsverbindungen oder höhere Übertragungsraten zu erreichen.
An einer SAS-Schnittstelle können SATA-Laufwerke direkt betrieben werden. Dazu wird nur das STP-Protokoll im Rechner benötigt. Wird der Betrieb mit mehreren Rechnern oder Dualport-Betrieb mit SATA-Laufwerken an der SAS-Schnittstelle benötigt, dann ist zusätzlich ein Interposer erforderlich.
SAS bietet eine Reihe von besonderen Merkmalen, wie beispielsweise Dualport (zwei Datenkanäle) als Standard. Wenn ein Port ausfällt, dann kann über den anderen als Alternativkanal ein anderer Rechner genutzt werden. Außerdem können damit redundante Datenkanäle zu weiteren Rechnern genutzt werden, um einen Ausfall durch eine zentrale Schwachstelle auszuschließen.
Für die Bereitstellung einer durchgängigen Datensicherheit zwischen dem Computersystem, dem Laufwerk (Datendurchlauf) und dem Speichermedium (Daten in Ruhe) hat SAS mehrere Methoden zur Verfügung. Das sind DIF, IOECC, IOEDC sowie Vermeidung von schleichender Datenkorruption und andere. Mit diesen Verfahren werden die Daten nahtlos auf ihrer Rundreise – vom Rechner über SAS zum Speicher und zurück – geschützt. Insgesamt verbessern diese Verfahren die Datensicherheit in einem SAS-System um mehrere Größenordnungen. In einem SATA-System gibt es diese technischen Verfahren nicht.
Die maximale Übertragungsrate von SAS hängt von der spezifischen Version des SAS-Standards ab. Der aktuelle Standard, SAS-4 oder 24G-SAS, bietet eine maximale Übertragungsrate von 24 Gbit/s pro Lane. Technisch beträgt die tatsächliche Betriebsgeschwindigkeit jedoch 22,5 Gbit/s pro Lane. Dies ist der höchste Wert, der derzeit für SAS verfügbar ist. Zukünftige Entwicklungen wie der angekündigte 24G+ Standard werden die physikalische Schnittstellengeschwindigkeit von 24 Gbit/s beibehalten, jedoch ohne eine Erhöhung dieser Maximalgeschwindigkeit.
Eigenschaften von SATA
SATA unterstützt derzeit Übertragungsraten von 6 Gbit/s, 3 Gbit/s und 1,5 Gbit/s. Die einfache Befehlsverkettung (NCQ) auf bis zu 32 Stufen verbessert die Leistung dieser Schnittstelle für alltägliche Anwendungen. Wenn zusätzlich die erweiterte Energieverwaltung und die Reduzierung von Störstrahlung berücksichtigt werden, dann wird daraus eine alltagstaugliche Schnittstelle. Wahlweise können eine einfache Art von Modultausch im laufenden Betrieb und der versetzte Start von Laufwerken genutzt werden. Bei dem Sonderfall »external SATA« (eSATA) kann die Kabellänge auf zwei Meter verlängert werden, allerdings nur bis zu einer Übertragungsrate von 3 Gbit/s.
SATA Express erreichte zwar Durchsatzraten von 8 Gbit/s pro Lane und nutzte PCIe, konnte sich aber am Markt nicht durchsetzen und ist nicht mehr im Umlauf.
SATA: Einige Merkmale für Anwendungen im Büro und zu Hause:
- Übertragungsrate: 6 Gbit/s
- halb-duplex-Übertragung
- ein nutzbarer Kanal (Port)
- Reichweite bis zu 1 m (2 m bei eSATA, nur bis zu 3 Gbit/s)
- Befehlsverkettungstiefe: bis 32
- ATA/AHCI-Befehlssatz
- niedrige Signalpegel (0,6 V bis 0,9 V je nach Datenrate)
SATA gibt es in drei Varianten. Die übliche Variante bietet hier Anschlüsse auf der internen Basisplatine des Rechners. Dann gibt es eSATA, die Kabelverlängerung auf 2 m über das Rechnergehäuse hinaus ermöglicht. In gemischten SAS-SATA-Schranksystemen gibt es in die Rückwand gesteckte SATA Laufwerke, die von einem SAS-Controller gesteuert werden. Der Spannungshub der Differenzialsignale ist mit 600 mV bis 900 mV (je nach Übertragungsrate) niedriger als bei der SAS-Schnittstelle.
Aktive Signalentzerrung und Einpegeln der Signalübertragung, die bessere Ergebnisse bringen als höhere Spannungspegel, gibt es nicht für die SATA-Schnittstelle. SATA kann keine SAS-Laufwerke steuern. Auf den niedrigeren Ebenen der Speicherhierarchie ist hohe Speicherkapazität wichtiger als hohe Leistung. Deshalb ist SATA dafür eine gute Lösung, solange die Sicherheit der Daten über zusätzliche Verfahren gesichert werden kann. Im SATA-Standard gibt es keine Verfahren für die durchgängige Datenabsicherung.
Mit der zusätzlich genutzten Methode »Lesen-nach-Schreiben« können mögliche Fehler nur bei der Übertragung zum Speicher erkannt und manchmal auch korrigiert werden. Dadurch wird aber die Übertragungsleistung verringert, insbesondere wenn dazu preisgünstige HDD-Laufwerke auf den unteren Speicherebenen genutzt werden. Datenschutz ist auch auf Betriebssystemebene möglich. Dazu wird aber vorausgesetzt, dass die Betriebssysteme einwandfrei arbeiten. Auch wenn der Cache-Betrieb (Pufferspeicherung) abgeschaltet ist und die sofortige Speicherung befohlen wird, ist nicht unbedingt sichergestellt, dass die Daten sicher auf dem Medium gespeichert sind, wenn die Befehlsausführung vom SATA-Laufwerk quittiert wurde.
Unterschiede zwischen SAS und SATA
SATA wurde als preisgünstige Schnittstelle für alltägliche Anwendungen auf PCs und mobile Computer entwickelt. SAS wurde als serieller Nachfolger für die professionelle SCSI-Schnittstelle entwickelt. Heute installieren Datacenter und Speicherzentren SSDs, um die Leistung von SAS gegenüber SATA bei geschäftsentscheidenden Anwendungen deutlich zu erhöhen. SAS bietet die Methoden zur Erzielung der geforderten höheren Leistung, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, allerdings zu einem etwas höheren Preis. Ein SAS-System kann sehr einfach auf tausende Laufwerke ausgebaut werden. SATA hingegen ist beschränkt auf einige Anschlüsse auf der Basisplatine eines Rechners.
SAS arbeitet vollduplex. Üblicherweise wird das zur gleichzeitigen Datenübertragung in beide Richtungen genutzt. Es kann aber auch über beide Kanäle in die gleiche Richtung übertragen werden. In professionellen Anwendungen werden die beiden Kanäle zur Redundanzbildung oder in Mehrrechneranwendungen zur Verbindung mit unterschiedlichen Rechnern genutzt. Mit diesen Bündelungsmöglichkeiten können bis zu 48 Gbit/s (2 x 2 x 12) mit 12-Gbit/s-Schnittstellen und -Laufwerken gleichzeitig übertragen werden.
In SATA-Systemen gibt es keine Vollduplex-Übertragung und keine Dualports. So bleibt es in typischen SATA-Systemen bei einer einfachen Datenrate von 6 Gbit/s auf einem einfachen Simplexkanal. So können die hohen Datenraten und die geringen Latenzzeiten von SATA-SSDs auf Flash-Basis nicht voll genutzt werden.
Durchgängiger Datenschutz
In vielen Systemanwendungen werden zusätzliche Datenschutzmechanismen genutzt, deshalb haben SAS-Systeme um Größenordnungen bessere Möglichkeiten, Datenfehler zu korrigieren. SAS- und FC-Festplatten haben eine ähnliche »mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen« (MTBF, Mean Time Between Failure), während SATA-HDD-Laufwerke etwas geringere Werte aufweisen. Ihnen fehlt auch die Möglichkeit, durchgängig vom Sender zum Empfänger die Unversehrtheit der Daten für die gesamte Verbindung zu überwachen. Bei den SSD-Laufwerken werden für SAS und SATA ähnliche Spezifikationen angegeben. Insgesamt liefern aber SAS-SSD-Laufwerke aufgrund der unterschiedlichen Schnittstellen und Funktionen eine höhere Zuverlässigkeit.
Eine dieser Funktionen ist das in einem ANSI-T10-Standard festgelegte DIF-Verfahren (Data Integrity Field), bei dem die Unversehrtheit der Daten – auf dem ganzen Weg vom Rechner zum Speichermedium und später zurück – durchgängig überprüfbar ist. Vor Beginn des Schreibvorgangs wird in der rechnerseitigen Steuerelektronik ein DIF-Code erzeugt, an das Ende des Datenblocks angehängt, durch den ganzen Datenkanal übertragen und auf dem Medium mit gespeichert. Beim späteren Lesevorgang werden Daten und DIF an die Rechnerelektronik zurückgegeben und überprüft.
Zusätzliche Schnittstellenfunktionen
Hierarchische Dateisysteme sind eine mögliche Ursache für schleichende Datenkorruption. Die Datenträgerverwaltung oder die Speicherverwaltung für die RAID-Steuerung sind eigenständige Programmeinheiten. In jedem dieser Bereiche gibt es eigene Regeln, und es werden unterschiedliche Arten der Datenverarbeitung und des Datenschutzes ausgeführt
Die Teile eines Übertragungskanals arbeiten ebenfalls alle nach eigenen Regeln. Alle diese Schnittstellen, sogar innerhalb eines Schnittstellensystems (hier SAS oder SATA), sind entscheidend, wie sie gesicherte Daten in dieser Kette weitergeben. Deshalb werden zusätzliche Merkmale und Funktionen benötigt, wenn durchgängige Absicherung benötigt wird.
Es genügt nicht einfach nur, jede Teilstrecke für sich mit einer Prüfsumme abzusichern. Daraus wird »Unsinn rein« – »Unsinn raus«. Es gibt weitere Fehlermöglichkeiten, wie Phantomschreiben, Adressfehler, Paritätsfehler, Treiberfehler oder ungewolltes Schreiben, die in einem professionellen System bereinigt werden müssen. Funktionen, wie das oben erwähnte DIF, wurden von Fachexperten für professionelle Systeme standardisiert.
Der »Federal Information Processing Standard« (FIPS 140-2) ist in dieser Umgebung ebenfalls relevant. Dort werden die Verschlüsselung für schützenswerte, aber nicht geheime Daten und damit zusammenhängende Sicherheitsfragen beschrieben. Der Standard legt fest, dass erprobte Sicherheits- und Verschlüsselungsverfahren angewendet werden. (Diese und weitere Funktionen werden in einem zukünftigen Artikel beschrieben.)
Keine zusätzlichen Zwischenelemente
Die Signalleitungen sollen nicht nur physisch kurz sein, sondern auch ohne zusätzliche Adapter, Interposer oder Konverter auskommen. Jede Funktionsschaltung erzeugt Verzögerungen und möglicherweise Fehler bei der Protokoll- oder Signalumwandlung. Das fällt insbesondere in Flash-Systemen auf, weil dabei ein großer Teil der Geschwindigkeits- und Latenzgewinne wieder verloren gehen.
Zukünftige Weiterentwicklungen von SAS und SATA
SAS ist ausgereift und ist im professionellen Bereich weit verbreitet. Die neueste Version ist 24G SAS, definiert zwischen 2019 und 2020, und unterstützt eine Bandbreite von 24 Gbit/s pro Lane, obwohl sie technisch mit 22,5 Gbit/s betrieben wird. Der nächste Schritt für SAS ist der 24G+-Standard, der etwa um 2025 oder 2026 erwartet wird. Dieser Standard wird die Geschwindigkeit nicht über die aktuellen 24 Gbit/s hinaus erhöhen, sondern soll sich auf andere Verbesserungen wie Begrenzungen der Befehlsdauer und die Erweiterung des Schutzinformationsfeldes konzentrieren.
Trotz der Dominanz von NVMe im Markt für Hochgeschwindigkeits-SSD-Schnittstellen erwartet die STA (SCSI Trade Association), dass SAS mindestens bis 2027 als primäre Schnittstelle für HDDs im Unternehmensbereich weiterbestehen wird.
SATA ist in alltäglichen Computeranwendungen sehr weit verbreitet. Allerdings wird diese Schnittstelle nicht mehr direkt weiterentwickelt.
NVMe liegt im Trend
Die Zukunft gehört NVMe(Non-Volatile Memory Express): NVMe setzt üblicherweise auf der Hardware-Schnittstelle PCIe auf. NVMe-Systeme benötigen keinen Treiber, HBA oder Controller. In PCs und im Rechenzentrum haben Varianten der PCIe-Schnittstelle SATA bereits weitgehend abgelöst.
Bei SAS geht die Wachablösung etwas langsamer von statten. Allerdings gibt es keine 24G-SAS-Festplatten und nur wenige SAS-SSDs, wie die Kioxia PM6/PM7 und Samsungs PM1653. Daher hat NVMe den SSD-Schnittstellenbereich schon übernommen und Hochgeschwindigkeits-HDDs, die mit 10.000 U/min arbeiten, wurden durch SSDs ersetzt. Das bedeutet, dass der Großteil der Unternehmens-Festplatten, mit 7.200 U/min arbeiten und sich mit 12G-SAS zufriedengeben.
Zum NVMe-Standard gehört zudem NVMe-oF (NVMe over Fabric), womit sich Daten mittels NVMe über jede Fabric senden lassen, beispielsweise über Ethernet oder Fibre-Channel.
Fazit: SAS ist die richtige Wahl für die professionelle Verarbeitung großer Mengen von wichtigen Daten, also richtigen Workloads. SATA ist die richtige Wahl für die Verarbeitung kleiner oder mittlerer Mengen von persönlichen Daten, wo die Übernahme der Daten von einem externen Gerät oder aus der Cloud akzeptabel ist. Im Business-Umfeld werden wir aber künftig NVMe sehen, die Wachablösung ist bereits im vollem Gange.
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