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8. Disques durs SCSI et SAS, technologie RAID

1. Technologie SCSI - 2. Connexion de périphériques SCSI - 3. SAS (Serial SSCI) - 4. RAID (Redundant Array of Independant Disk)- 5. Raid Hardware et software - 6. Solutions RAID hardware

Les données (et son support principal, le disque dur) sont primordiales dans toute application informatique. Dans le cas d'un serveur réseau, deux directions sont utilisées pour augmenter la vitesse et garantir la fiabilité en cas de panne d'un disque dur: l'utilisation de solutions SCSI et SAS pour le stockage (plus performantes) et l'implantation du RAID. Les deux sont généralement implantés en même temps.

1. Technologie SCSI.

En première année, nous n'avons vus que le disque dur IDE et SATA. Cette année, avec les serveurs, intéressons nous aux disques durs et périphériques de type SCSI (Small Computer System Interface). Par rapport aux périphériques IDE, elles ont plusieurs avantages. 

  1. Le nombre de périphériques connectés sur la même nappe est supérieur: jusque 15. L'adresse se fait par pontage ou sélecteur rotatif
  2. multi-session. En clair, le disque peut exécuter plusieurs applications en même temps (ou presque) et l'écriture (ou la lecture) d'un fichier ne doit pas attendre la fin de l'opération précédente. Ceci est le cas par exemple lorsque l'on écrit un gros fichier sur le disque dur, la lecture suivante ne doit pas attendre pour démarrer. SCSI est capable de gérer simultanément plusieurs requêtes de lecture /écriture en parallèle (jusque 255), l'IDE qui ne peut effectuer qu'une opération (complètement) à la fois. Ceci ne fonctionne qu'avec un système d'exploitation compatible (Win 2000 ou XP Pro, Vista et Seven Pro (+ les versions serveurs), Novell), à l'exclusion des versions home et familiales de XP, Vista ou Seven.
  3. Les connexions SCSI peuvent être internes ou externes, les connecteurs actuels sont d'ailleurs les mêmes. Le transfert de données entre deux périphériques se fait directement par DMA.
  4. Ce mode de connexion inclut automatiquement un contrôle d'erreur.

Tout ceci explique que les vitesses de transfert soient plus élevées qu'en IDE ou SATA (même à taux de transfert théorique équivalent), avec des prix qui augmentent en même temps. 

Les normes ont évolué, mais on rencontre encore quasiment toutes. NARROW se réfère à un bus 8 bits, WIDE se réfère à un bus 16 bits.

Normes SCSI Taux transfert MO/s max. Largeur bus (en bits) Longueur maximum câble SCSI Nb. de fils Nb. max. connexion: non compris la carte contrôleur
SE LVD HVD
ARROW SCSI 1 5 8 6 m - - 25 7
FAST NARROW SCSI 10 8 3 m - - 50 7
Fast Wide SCSI
SCSI 2		 20 16 3 m 12 m 25 m 68 ou 80 15
Ultra SCSI Narrow 20 8 3 m - - 50 3
Ultra SCSI Narrow 20 8 1,5 m - - 50 7
Wide Ultra SCSI 3 40 16 3 m - - 68 ou 80 3
Wide Ultra SCSI 40 16 1,50 - - 68 ou 80 7
Wide Ultra SCSI SCSI 3 différentiel 40 16 - 12 m 25 m 68 ou 80 15
Ultra 2 SCSI (Narrow) 40 8 6 m - - 50 7
Wide Ultra 2 SCSI 80 16 - 12 m 25 m 68 ou 80 15
Wide Ultra 160
Ultra 3 SCSI ou SCSI 5 		160 16 - 12 m - 68 ou 80 15
Wide Ultra 320 SCSI 320 16 - 12 m - 68 ou 80 15
Par comparaison
E-IDE ATA 133 133 16 bits 80 fils (connecteur 40) - 2 mètres    

Le taux de transfert, la longueur des cordons, le nombre de fils et de périphériques diffèrent selon la norme.

Ce qu'il est important de connaître pour commander un cordon ou un terminateur :

  1. Le nombre de fils et le modèle des connecteurs.
  2. La norme SE, LVD ou HVD.

Tous les autres renseignements sont superflus sur le plan des connecteurs.

SCSI 1 (NARROW SCSI): Il est codé sur 8 bits seulement
SCSI 2 (WIDE SCSI) : Codé sur 16 bits il autorise un taux de transfert jusqu'à 20 MB/s 

Carte SCSI 2 Adaptec AH 3940. Cette carte est identique à une AH2940 mais possède 2 canaux internes distincts (RAID).

Connecteur SCSI2 interne

SCSI 3 (ULTRAWIDE SCSI) : permet des taux de transfert de 40 MB/s

Le connecteur est spécifique à chacune des 3 normes Ultra Wide, HVD et LVD:l'impédance des cordons et les nappes internes sont également différentes. Les résistances de terminaison aussi sont différentes. Le mélange des cordons et terminateurs sont déconseillés (principalement en HVD). Par contre, la norme LVD accepte la connexion de périphériques non LVD sur la carte contrôleur mais aussi de connecter des périphériques LVD sur une carte contrôleur non LVD mais avec un débit plus faible.

L'Ultra 2 SCSI LVD est une extension du SCSI 3. De nouveau, cette norme utilise deux fils pour transmettre le signal en différentiel Cette méthode est également utilisée en liaison Ethernet (entre autre). Les cordons LVD doivent de haute qualité et à la bonne impédance. La vitesse maximum théorique est de 80 MB/s.

La norme Ultra 3 SCSI ou Ultra 160/m ou SCSI 5 (SCSI PARALLEL INTERFACE SPI-3):

L’Ultra 160/m est une implantation spécifique de la norme Ultra 3 SCSI et ne retient que 3 caractéristiques:
  1. Taux de transfert de 160 MB/s au lieu de 80 par rapport à l’Ultra 2 SCSI.
  2. Au démarrage, test du bus par le contrôleur qui permet de déterminer la vitesse de transfert en fonction des différents périphériques connectés sur la chaîne. Ici aussi, la qualité des cordons et terminateurs est déterminante pour les vitesses de transferts.
  3. Contrôle de redondance cyclique (CRC) pour le contrôle d’erreurs de transmission. Le "160/m" indique que la norme est manageable - administrable (test physique et CRC).

L’Ultra 3 SCSI est uniquement LVD et utilise les mêmes connecteurs, cordons et résistances de terminaisons que l'Ultra 2 mais de mùeilleure qualité pour permettre une vitesse supérieure. 

Manageable, l'Ultra 160/m permet la gestion de périphériques de vitesse inférieures mélangés, par exemple des périphériques à 80 MB/s pour l’Ultra 2 SCSI et 160 MB/s pour le 160/m, le bus adaptant sa vitesse en fonction du périphérique de transfert. Un contrôleur Ultra 2 SCSI accepte également un mélange de périphériques des deux normes mais la transmission est uniquement de 80 MB/s. Ces deux normes sont donc compatibles.

La norme Ultra 320 SCSI (SCSI PARALLEL INTERFACE SPI-4) :

Gardant les spécifications de l'Ultra 160/m, elle permet en plus:

DB 25

Centronix 50 mâle externe (plus de pin que le connecteur centronix imprimante standard)

SUB 50 mâle

Connecteur DB68HD

3. Connexion de périphériques SCSI

Les types de périphériques qui sont connectés en SCSI sont

Le choix du numéro de périphérique se fait soit par pontage, soit par un sélecteur rotatif. L'adresse doit être unique sur un même câble ou plutôt sur un même contrôleur. En effet, les périphériques internes et externes partagent généralement le même contrôleur.

La fin de la liaison des périphériques externes doit se terminer par une résistance de terminaison spécifique au type de connexion SCSI. En effet, pour les périphériques externes, la connexion est chaînées. On débute du contrôleur vers le périphérique. Le câble suivant passe du périphérique au périphérique suivant. Dans certains périphériques, la terminaison est inclue dans le périphériques (pontage à insérer pour l'activer).

Les câbles standards internes reprennent généralement seulement 3 connecteurs mais des modèles reprenant plus de périphériques se trouvent dans le commerce.

Généralement, on ne mélange pas les périphériques SCSI de différents types, néanmoins des terminaisons spéciales permettent de chaîner des périphériques NARROW (50 pin) avec des ULTRA WIDE (68 pin), tant en interne qu'en externe.

4. SAS (SERIAL SCSI)

Cette solution d'interface de disque dur et périphériques de sauvegarde réseau date de 2004. C'est l'implantation d'une connexion série pour les disques durs SCSI. Première chose, un contrôleur SAS peut gérer des périphériques SAS et SATA via le connecteur ci contre. En revanche, un contrôleur SATA implanté dans les ordinateurs standards ne peut pas utiliser de périphériques SAS puisqu'ils ne gèrent pas le protocole SCSI (les connecteurs sont aussi différents).

De nouveau, on retrouve les caractéristiques SCSI avec des possibilités de connexions internes et externes et des possibilités de contrôle supérieures. Ca s'arrête là puisque le nouveau standard ne relie plus jusque 15 périphériques sur la même nappe mais bien une nappe par périphérique. Avec une transmission série, le nombre de fils a aussi diminué mais quelques surprises puisque les contrôleurs permettent de débuter avec 1 câble 4 canaux pour connecter 2, 4 ou plus disques durs. Certains disques acceptent également d'être commandés par deux contrôleurs simultanément (mais ce n'est pas le plus courant) via des cartes additionnelles installées dans des rack et via un numéro SID (comme pour les anciens SCSI). La majorité de ces disques sont livrés dans des racks permettant de les déconnecter directement d'une armoire. En effet, comme pour les SATA, ils sont hot-plug (déconnectables à chaud).

La vitesse de transfert est de 300 MB/s actuellement (comme le SATA) mais pourrait sembler inférieure à celle des Ultra SCSI (320 MB/s), pourtant, dans cette technologie, la bande passante est réservée à un seul périphérique et non plus à un groupe (15 maximum pour les anciens standards). Elles devraient suivre les évolutions du SATA pour passer à 600 MB/s (même si les disques durs ne suivent pas ces vitesses de transfert. De nouveau, les vitesses de rotations sont équivalentes à celles des équipements professionnels puisqu'elles varient de 10.000 à 15.000 tours par minutes (contre 5400 pour les PC portables de bas de gamme en 2,5" et 7200 en standards pour les disques durs utilisés dans les tours standards). En externe, la longueur du câble est de 5 mètres, 2 mètres en interne. La dernière norme en cours de finalisation permet des transferts à 600 Mb/s mais augmente aussi la distance (jusqu'à 20 mètres avec des fils de cuivre mais aussi 100 mètres en fibre optique).

D'autres équipements acceptent également cette interface comme les sauvegardes sur bande, remplaçant les anciennes interfaces. 

4. RAID (Redundant Array of Independant Disk).

Le RAID permet de regrouper plusieurs de disques durs de même type ensemble. En cas de panne d'un disque, Le RAID (sauf le 0) permet de reconstruire les données en utilisant les informations des autres disques. La solution peut être hardware ou software, éventuellement un mélange des deux.

Le RAID utilise un contrôleur de disque dur particulier et un système d'exploitation compatible (ce qui en pratique est le cas via un pilote pour tous les systèmes d'exploitation actuels). Cette technique est majoritairement implantée en SATA sur les cartes mères actuelles mais avec des contrôleurs spécifiques pour le SCSI et SAS. Les systèmes d'exploitation réseau gèrent également un RAID logiciel qui utilise le processeur pour simuler le Raid, donc plus lent.

Avant de débuter, le RAID n'est pas une sauvegarde de données, c'est (à part le 1) une sécurité si un disque dur tombe subitement en panne.

4.1. RAID 0 (striping)

Le RAID 0 couple deux disques durs (ou plus) en ligne le schéma ci-dessous e reprend 4, mais ce n'est pas la solution la plus courante. Les données sont découpées à la suite les unes des autres pour être inscrite sur les disques à la suite des autres sont écrites. L'avantage est le taux de transfert amélioré. Par contre, la panne d'un seul disque dur entraîne la pertes de toutes les données

Le transfert est réparti sur tous les disques, ce qui permet d'additionner les débits de chacun. Chaque accès en lecture ou en écriture s'effectue en parallèle. Cette solution est aussi utilisée pour les mémoires Ram en Dual Chanel

La capacité globale est égale à la somme de celles de tous les disques durs (la capacité de chacun doit être égale).

4.2. RAID 1 (Mirroring)

En écriture, les données sont copiées intégralement sur deux disques durs. Les données sont donc parfaitement identiques.

En lecture, un seul des deux disques est utilisé. C'est la méthode la plus sécurisée mais au prix d'une perte de capacité de stockage. Il correspond au Mode logiciel "Miroir" de Windows 2000/2003/2008 Server.;

raid 1

4.3. RAID 2

RAID 2 repose sur une grappe avec plusieurs disques de parité et une synchronisation des accès. Cette technologie complexe est peu utilisée. C'est finalement un RAID 0 avec un contrôle des données intégré (technique ECC) sur des disques durs supplémentaires (généralement trois disques de contrôle pour quatre disques de données). Cette technologie n'as pas été réellement commercialisée.

raid 2

8.5.4. RAID 3

Le RAID 3 est identique à un RAID 0 mais avec un disque qui sauve la parité. En cas de panne du disque de parité, l'ensemble est strictement un mode 0. Par contre, en cas de panne d'un autre disque, les données sont reconstruites, le disque parité reprenant la place du défectueux. Désavantage, le disque de parité est deux fois plus sollicité que les autres.

Gestion raid 3

4.5. Le RAID 4

RAID 4 est similaire au RAID 3 mais gère la parité différemment, par blocs de données. De nouveau, c'est le disque de partité qui travaille le plus.

gestion raid 4

En écriture, les données sont découpées en petits blocs et répartis sur les différents disques de données. Simultanément, le contrôle de parité est inscrit sur le disque spécifiques. Comme avantages: une bonne tolérance des pannes, un raport capacité / prix / performances intéressant.

En lecture, les disques sont tous utilisés sauf le disque de parité avec des performances similaires au RAID 0.

L'inconvénient du RAID 4 est lié à des pertes de performances lors des mises à jours des bits de parités, réduites avec le RAID 5.

 

4.6. Le RAID 5

RAID 5 est similaire au RAID 4, sauf que la parité est distribué sur l'ensemble des disques, supprimant ainsi la perte de performante liée à l'écriture continuelle sur un même disque dur. Ce mode est équivalent à l'agrégat par bandes avec parité sous Windows 2000 ou 2003 Server. Lors d'un échange à chaud (hot plug) ou d'une panne d'un disque dur, les données sont recréées à partir des autres disques durs.

Avantages: Inconvénients:
. Bonne tolérance aux erreurs
. Beaucoup d'implantations commerciales
. Hot-spare et Hot-plug (en SCSI, SATA ET SAS) 		. 3 disques durs minimum
. En cas de problème, remise en ordre assez lente
. En cas de panne d'un disque dur, on revient en mode 0.

Applications:

Le RAID 5, la solution idéale? Oui et non. D'abord, si un disque dur tombe en panne, le système va reconstruire les données mais ce n'est pas immédiat. Il va commencer par les parties demandées via le réseau ou l'ordinateur. Ceci va fortement réduire les performances du serveur pour les utilisateurs puis le serveur va durant son "temps libre" reconstruire le reste des données. Ca peut prendre suivant les capacités de disques durs et les performances du processeur des heures.  De toute façon, la perte d'un disque dur entraîne automatiquement le système en MODE 0. Pensez à changer le disque défectueux le plus tôt possible.

4.7. Orthogonal RAID 5

L'Orthogonal RAID 5, développé par IBM, est similaire au précédant mais utilise un contrôleur par disque. Il est généralement assimilé au RAID 5.

4.8. Les autres RAID

Les autres système RAID ne sont que des évolutions du RAID 5 et sont peu utilisés: coûts élevés et difficile à implanter:

5. RAID hardware et software.

Les systèmes d'exploitation "professionnels" de Microsoft gèrent le RAID logiciel: Windows NT, 2000, 2003 et 2008 en version serveur gèrent le RAID 0, 1, 5

Cette méthode permet au système d'exploitation de gérer le RAID sans contrôleur dédié, mais la partition d'installation de OS est d'office seule (pas couplée), ce qui fait perdre de l'espace mais oblige en plus à travailler avec des partitions.

8.7. Solutions RAID hardware.

Diverses cartes sont proposées sur le marché de solutions RAID pour disques durs SCSI et SAS (notamment ADAPTEC). Actuellement les cartes mères standards incluent directement des solutions RAID en IDE ou S-ATA. Cette dernière possibilité permet d'installer les RAID 0 et RAID 1, éventuellement du 5.

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