SCSI Anschlussmedium für Storage und Bandlaufwerke

SCSI Technologie - Einführung

SCSI (Small Computer System Interface) ist veraltet, es ist vor über 20 Jahre entwickelt worden und war lange Zeit das wichtigste Bussystem bzw. Schnittstelle für Massenspeicher im Server-Bereich. Der Nachfolger, das serielle SCSI (SAS) löste jedoch das veraltete SCSI als Anschlussmedium für Storage komplett ab.

Aber das SCSI Protokoll wird immer noch verwendet, es steckt in Fibre Channel, iSCSI, SAS und vielen anderen Protokollen.

Aber warum neue Hardware, wenn das Protokoll doch noch immer in Verwendung ist? Die SCSI-Hardware war ausgereizt. Es waren Übertragungsraten von bis zu 320 MB/s möglich. Mit dem Einsatz der LVD (Low Voltage Differential) Technik war der Anschluss von bis zu 15 Geräten mit einer Gesamtlänge des Busses von 16 Metern möglich.

Eine Weiterentwicklung des parallelen SCSI-Bus ist das serielle Fibre Channel. In diesem Fall wird das SCSI-Protokoll über Fibre Channel übertragen. Hierbei sind Entfernungen von mehr als 10 km möglich mit Übertragungsraten bis zu 1600 MB/s.

Der SCSI-Bus ist unabhängig vom Betriebssystem, sowie der verwendeten Hardware. In der Laufzeit von SCSI haben sich immer neue Varianten entwickelt. Begonnen wurde mit SCSI 1, einer 8 bit breiten Übertragung mit 5 MB/s. Es folgten Wide-SCSI mit 16 bzw. 32 bit Busbreite. Die Übertragungsrate wurde mit SCSI 3 auf bis zu 320 MB/s gesteigert. Bei 320 MB/s ist aber eine technische Grenze erreicht, die nur mit serieller Übertragung durchbrochen werden kann.

Das serielle Medium ist seit 2006 im weltweiten Einsatz in Server und RAID-Systemen und übernimmt immer mehr die Rolle von SCSI. Die Weiterentwicklung wurde passend "Serial Attached SCSI" oder kurz SAS genannt.
Auch eine weitere Technologie basiert auf dem SCSI Protokoll: Dies ist iSCSI, das SCSI Protokoll wird über Ethernet (TCP/IP) transportiert.

Aufbau und Signale

SCSI ist ein paralleler Bus, an dem die Teilnehmer per Kabel angeschlossen werden. Die beiden Enden dieses Busses müssen mit geeigneten Terminatoren abgeschlossen werden. Am SCSI-Bus werden zwei verschiedene Gerätearten angeschlossen. Dies ist einmal der "Initiator", ein Gerät, welches mit einer Kommunikation beginnen möchte. Einen Transfer initiieren kann nur ein Server. Er spricht ein Target an. Dieses Gerät kann von sich aus keine Kommunikation beginnen, es empfängt und sendet nur Daten wenn es aufgefordert wird. Dies sind Festplatten oder Bandlaufwerke. Ein Target in einem SCSI-Bus besitzt eine weitere Unterteilung, die LUN (logical unit number). Eine LUN kann eine Unterteilung der physikalischen Platte sein, so dass der Server die physikalische Platte als mehrere logische Platten ansieht. Ein Initiator kann zeitweise auch zu einem Target werden. Hiermit wird auch ein Datenaustausch zwischen Servern möglich.

SCSI besteht einmal aus den physikalischen Verbindungen, den Steckern und Kabeln und zum anderen aus dem Protokoll. Die elektrischen Signale unterscheiden sich je nach Art des SCSI-Bus. Beim "single ended" SCSI besitzt der logische Wert "wahr" eine elektrische 1, der Wert "falsch" eine elektrische 0. Bei "differential" SCSI, entweder LVD (low voltage differential) oder HVD (high voltage differential), ist der logische Wert "wahr" dann erfüllt, wenn das + Signal positiver als das - Signal ist.
Neuere Devices basieren auf dem LVD Standard und ermöglichen meist eine automatische Anpassung zwischen "single-ended" oder "differential". So wie ein "single ended" Gerät in einem Bus erkannt wird, dann werden immer alle Teilnehmer im "single-ended" Modus betrieben. Das kann aber auch zur Störung eines vorher störungsfrei laufenden Busses führen, da bei SE (single ended) andere Längenbegrenzungen gelten.
Für eine sichere und störungsfreie Signalübertragung ist die Terminierung des Buses auf beiden Seiten unerlässlich. Für schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten ist nur die aktive Terminierung erlaubt. Die aktive Terminierung ist in ihren Werten so definiert, so dass die Signalverläufe der Datenleitungen in allen Betriebsbereichen eine ausreichend gute Signalgüte aufweisen.
Anders als bei anderen Systemen, gibt es keine festgelegt Taktrate. Die Signalzeiten sind mit einer gewissen Toleranz definiert. Sie folgen aufeinander als logische Reihenfolge. Daher sind die Übertragungsraten (z.B. 320 MB/s) auch nur Richtwerte, bei optimal aufeinander abgestimmten Systemen in einem Bus.

SCSI 1: max. 8 Geräte, max. 5 MB/s, kein WideSCSI, keine serielle Übertragung, passive Terminierung

SCSI 2: max. 8 Geräte, max. 8 LUNs, max. 20 MB/s, WideSCSI, serielle Übertragung (SSA) wird nicht weiter entwickelt, aktive Terminierung

SCSI 3: max. 32 Geräte, max. 32 LUNs, max. 320 MB/s parallel, 400 MB/s seriell, serielle Übertragung, aktive Terminierung

Anmerkung: SCSI 1, 2 und 3 sind eigentlich nur Entwicklungsstufen der SCSI-Norm und nicht direkt mit Übertragungsgeschwindigkeiten verknüpft. Es gibt also beispielsweise keinen SCSI-2 Stecker und ein SCSI-3 Kabel.

Kabel und Steckverbindungen

In der SCSI-Verkabelung gibt es unterschiedliche Stecker. Alles begann mit 50 poligen Steckverbindern oder gar Centronics Steckern (bekannt von Druckern) und endet heute mit 68-poligen Steckern, als HD68 oder VHDCI (VHD68). Eine Besonderheit nehmen die SCA-Stecker an Festplatten ein. Sie dienen in Wechselrahmen als Verbindung zwischen der Festplatte und der Backplane des Einschubrahmens. Für die Umsetzung zwischen den einzelnen Steckverbindern gibt es Adapter, so zum Beispiel auch, um eine SCA-Festplatte an ein 68 poliges Kabel anzuschließen. Da über den SCA-Stecker auch die SCSI-ID eingestellt wird, enthalten die Adapter auch Schalter für die SCSI-ID.
Sollen gemischte SCSI und Wide-SCSI Geräte miteinander verbunden werden, dann müssen jeweils alle Leitungen terminiert werden. Sitzt am Ende des Busses nur ein SCSI-Gerät, dann muss das letzte Wide-SCSI-Gerät die restlichen Leitungen terminieren.

Ziele von SCSI

Die wichtigste Funktion ist die Verbindung von Servern mit ihren Festplatten (siehe DAS-Systemen), Bandgeräten (siehe Backup) und anderen Speichermedien. Dies wird unabhängig vom Betriebssystem und den jeweiligen Geräten aufgebaut. Um dies zu erreichen wurden in SCSI 2 verschiedene Geräteklassen definiert, die einen einheitlichen Befehlssatz verarbeiten können. Es wurden unter anderem "direct access devices" (Festplatten), "sequential access devices" (Bandlaufwerke) und "medium changer devices" (Bandwechsel-Roboter) definiert. Dies soll in einem gewissen Maße den Austausch der Geräte ermöglichen. Im Bereich Festplatten ist dies möglich, jedoch bestehen gerade bei Bandlaufwerken und Robotern gewisse Unterschiede. Beispiel-Anwendungen für SCSI-Geräte finden sich auch unter den Angeboten der Stor IT Back. Dies sind zum Beispiel DAS-Systeme oder Tape-Libraries.

Das SCSI Protokoll

Im SCSI-Protokoll stößt der Initiator eine Übertragung an. Das Zielsystem, das Traget übernimmt dann die weitere Kontrolle der Verbindung. Dies ist anders als bei anderen Verbindungstypen. Daher sind die Begriffe Master und Slave beim SCSI-Protokoll nicht verwendet worden. Die eindeutige Identifizierung eines Gerätes im Bus wird über die SCSI-ID festgelegt. Jede ID kann in einem Bus nur einmal vorkommen. Eine Unterteilung der SCSI-ID ist die LUN (logical unit number). Es wird also streng genommen zwischen den LUNs der einzelnen SCSI-IDs kommuniziert. Wird keine LUN angegeben, so wird die LUN 0 verwendet. Mit der SCSI-ID wird auch eine Priorität verknüpft. Die höchste Priorität besitzt die ID 7 und fällt bis zur 0 ab, danach folgen die IDs 15 bis 8, dann 23 bis 16 und zum Schluss die 31 bis 24. Sollten zwei Initiatoren zur gleichen Zeit eine Anfrage an den Bus stellen, so gewinnt die ID mit der höheren Priorität.