Open Source im professionellen Einsatz
Linux-Magazin 09/2006
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Hotplug-Fähigkeit von SATA-Raids

Kalte Platte

Der Serial-ATA-Bus ist von Haus aus Hotplug-fähig. Wer aber glaubt, dass jeder SATA-Controller diese Eigenschaft erbt und man im laufenden Betrieb Platten entfernen und einstecken darf, hat weit gefehlt.

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Serial ATA (SATA) ist der natürliche Nachfolge-Standard des seit über einem Jahrzehnt bewährten, 16 Bit breit übertragenden ATA, der zur besseren Unterscheidung heute gern Parallel ATA (PATA) genannt wird. Auf nahezu allen Motherboards neueren Typs prangen serienmäßig zwei bis acht SATA-Anschlüsse. SATA erreicht höhere Datentransferraten als PATA, seine Kabelführung ist praktischer [1] und er gestattet es, Geräte im laufenden Betrieb auszutauschen (siehe Kasten "SATA vs. PATA").

SATA vs. PATA

Da der Bus seriell organisiert ist, reicht für SATA ein flexibles Kabel mit sieben Leitungen, an deren Enden flache, 8 Millimeter breite, verpolungssichere Stecker sitzen (siehe Abbildung 1). Seit SATA 2.0 besitzen die Stecker einen Verriegelungsclip. Interne SATA-Kabel dürfen bis zu 1 Meter lang sein, externe 2 Meter. Die schlanken Kabel behindern im PC- oder Server-Gehäuse im Vergleich zu dem P-ATA-Flachbandkabeln den kühlenden Luftfluss ungleich weniger. Auch lassen sich Laufwerke zeitverzögert einschalten, um das Netzteil zu entlasten (Staggered Spinup).

SATA benutzt statt des Master-Slave-Konzepts von Parallel-ATA die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: Jedes Gerät hat sein eigenes Kabel. Der Vorteil gegenüber dem parallelen ATA-Bus ist, dass Laufwerke Daten übertragen, ohne einander am Bus zu blockieren. Engpässe entstehen allenfalls beim Host-Adapter oder dem Datenbus der Hauptplatine. (Außer man setzt einen Port-Multiplier ein, um viele Geräte an einem Kabel anzuschließen. Die Laufwerke teilen sich die verfügbare Übertragungsbandbreite.)

Abbildung 1: Die Serial-ATA-Spezifikation definiert zwei neue Anschlüsse für Daten (links) und Stromversorgung (rechts); hier die Aufnahme einer Seagate Barracuda SATA V, die auf dem Kopf liegt.

Heiß her

Die Spezifikation umfasst auch Hotplugging, also das Anschließen und Abziehen aller Kabel beim Betrieb. Dazu sieht die Spezifikation vor, dass beim Einstecken des Stromkabels zuerst die Masseleitungen an Pin 4 und 12 Verbindung erhalten, danach die so genannten Pre-Charge-Leitungen der drei Spannungen (Pins 3, 7 und 13) zusammen mit den restlichen Masseleitungen, schließlich die übrigen Pins. Beim Datenkabel werden erst alle Masseleitungen und danach die Datenleitungen verbunden.

Ein anderes Hochverfügbarkeits-Feature ist der so genannte Port-Selector, der zwei Rechnern das Schalten zwischen redundanten Übertragungsstrecken auf eine Festplatte erlaubt. Die beiden Rechner müssen allerdings selbst bestimmen, wer aktiv ist.

Im Jahr 2002 einigten sich mehrere Firmen auf die Spezifikation Serial ATA 1.0 mit einem Datendurchsatz bis 150 MByte/s. SATA 2.0, das seit Anfang 2005 auf dem Markt ist, schafft maximal 300 MByte/s (auch als "SATA 3.0 Gbps" vermarktet). SATA 2.0 gestattet es Controllern und Massenspeichern, Schreib- und Lesevorgänge durch so genanntes Native Command Queuing zu optimieren (NCQ).

Unabhängig von SATA 1.0 oder 2.0 können die gleichen Kabel verwendet werden. Auch müssen nicht alle 2.0-Geräte alle Features und Geschwindigkeiten der offiziellen Spezifikation zwingend implementieren.

Dass SATA von Haus aus Hotplug-fähig ist, versetzt die Besitzer von Geräten der externen Variante E-SATA in die Lage, ihre Geräte im laufendem Betrieb ein- und ausstöpseln zu dürfen. Noch mehr Bedeutung kommt Hotplug aber im Zusammenhang mit SATA-Raids zu. Denn natürlich liegt es im Interesse eines jeden Administrators, ausgefallene Platten schnell im laufenden Betrieb wechseln zu können, um die Verfügbarkeit hoch zu halten. Doch um es gleich vorweg zu sagen: Die Sache ist so einfach nicht, der Teufel steckt wie immer im Detail, und zwar im Treiber.

Um auf der sicheren und unkomplizierten Seite zu sein, lohnt es sich, über die Anschaffung einer industriell gefertigten Storage-Appliance mit SATA-Raid nachzudenken, wie sie beispielsweise Accusys, American Megatrends, EMC, Fujitsu Siemens, Starline Computer, Storcase, Topmedia, Transtec und viele andere anbieten.

Um ein internes, Hotplug-fähiges Raid aufzubauen, ist zunächst einiges an Recherche nötig. Dieser Artikel fasst die Ergebnisse einer solchen zusammen.

Falsche und echte

Zunächst sind unechte und echte Raidcontroller zu unterscheiden. Letztere sitzen auf separaten Controllerplatinen, besitzen ein eigenes Bios und verwalten den Plattenverbund autonom. Die unechten, auch Fake- oder Software-Raid genannt, bürden dem Betriebssystem große Teile der Verwaltungsarbeit auf. Oft gaukelt das Rechner-Bios die Existenz eines Onboard-Raidcontrollers vor - in 99 Prozent der Fälle handelt es sich aber um ein Software-Raid.

Eine besondere Tücke für den Admin (und den IT-Beschaffer) geht von den Einsteckkarten aus, die sich als echte Hardware-Raidcontroller ausgeben, in Wirklichkeit aber Linux ein Software-Raid abverlangen. Fatalerweise sind das keine Einzelfälle, die falschen Fuffziger bilden die Mehrheit am Markt. Hinweise zur korrekten Unterscheidung kommen selten von den Herstellern selbst, sondern von Testberichten wie [2] und [3] oder Spezialseiten wie [4] und [5].

Alte und neue

Der Linux-Kernel enthält zwei konkurrierende ATA-Treibersets: Zum einen das traditionelle in »drivers/ide«, das Bartlomiej Zolnierkiewicz pflegt. Sein Vorgänger war Andre Hedrick. Entgegen der landläufigen Auffassung enthält es Low-Level-Treiber für viele gängige SATA-Controllerchips (in der Kernelkonfiguration unter »Device Drivers | ATA/ATAPI/MFM/RLL support | Support for SATA«). Auf diesen Layer lässt sich ein herstellerspezifisches Software-Raid aufsetzen, das unter der Ägide des Bios steht. Im 2.4er Kernel braucht es dafür das Treiberset Ataraid, das für mehrere Hersteller das jeweils passende Raid-Schema arrangiert. Seit Kernel 2.4.23 funktioniert das Ganze recht gut.

Wer die »drivers/ide«-ATA-Treiber aus Kernel 2.6 benutzt und ein Software-Raid aufbaut, braucht das Treiberset Dmraid (Device Mapper Raid, [6]). In [7] sind übrigens Live-CDs erwähnt, die mit Dmraid-Support starten und Reparaturarbeiten oder Backups auch von Windows-Systemen gestatten, die mit Bios-gesteuerten Software-Raids arbeiten.

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