巨量資料時代,資料量的增長幾近無限,可用來安置儲存設備的機房空間卻是有限,寸土寸金的機房空間,不可能隨著儲存需求的提高,無止盡地為儲存設備提供安裝空間,因此如何在盡可能不占用更多空間的前提下,獲得更大的儲存容量——也就是提供更高的儲存容量密度,也就成了當前企業IT儲存發展,以及機房管理的目標之一。

而要提高儲存設備容量密度,有兩種作法,一是從提高磁碟本身的儲存密度入手,另一是從儲存設備機箱機構方面入手。

顯然的,只要改用容量更大的硬碟,如以2、3TB容量的新硬碟,取代低容量的舊硬碟,便能倍增整套設備的儲存密度。但無論改用容量多高的硬碟,整套儲存設備所能達到的容量上限,還是會受機箱機構設計約束。

機構設計影響機箱儲存密度

考慮到硬碟故障時迅速更換新硬碟的需要,便於抽換的磁碟槽機構,是企業級儲存設備不可或缺的功能,所以傳統磁碟儲存設備都把磁碟槽設置在機箱正面,以便從機箱正面抽換個別磁碟槽中的硬碟。不過為確保每臺硬碟都能從機箱正面直接抽換,這種機構只能在機箱前端配置一排磁碟槽——若配置2排以上磁碟槽,後排磁碟槽就會被前排檔住,以致無法從機箱正面抽換。

在這種抽換機構下,儲存設備機箱的正面面積,也就決定了可容納的磁碟槽數量——標準的19吋機架式機箱正面尺寸是固定的,因此能容納的磁碟數量也是固定的。

在19吋機箱規格下,1U的高度是1.75吋(44.45mm),寬度則理所當然是19吋(482.6mm,實際上通常略窄些)。在磁碟方面, 3.5吋硬碟的標準寬度是4吋(101.6mm),深度為5.787吋(146.99mm),典型厚度則在0.78~1.028吋(19.98~26.1mm)間。

所以每1U高度的機箱,可以提供1.75×19吋的正面面積,而1臺3.5吋硬碟橫置與豎立側置時的面積,則分別在1×4吋與1×5.8吋左右。從硬碟與機箱正面尺寸間的關係,便能清楚看出:

若採用機箱正面抽換機構,1U與2U高度的機箱,都只能採用水平橫置方式來配置磁碟槽,1U機箱能容納1層4個水平橫置磁碟槽,也就是4臺硬碟;2U機箱能配置2~3層4個水平橫置磁碟槽,容納8~12臺硬碟;3U機箱則能讓磁碟槽採用水平橫置或豎立側置方式布置,可容納14~16臺硬碟;4U機箱則最多可容納24臺硬碟。

頂部抽取機構突破傳統機箱局限

正面抽換磁碟機構與固定的機箱正面尺寸,限制了磁碟設備機箱能容納的硬碟數量,要在既定的機箱尺寸內提供更高的儲存密度,就只有改用更高容量的硬碟一途。

為突破傳統正面抽換磁碟機構所帶來的儲存密度限制,有些廠商提出了改由機箱頂部抽換磁碟(top-down swappable)的機構設計。由於硬碟改從機箱頂部抽取,即使在機箱內配置多排磁碟槽,後排硬碟的抽取仍與前排硬碟互不干擾,可擺脫機箱只能容納一排硬碟的桎梏,從而容納3排甚至4牌硬碟。

為充分運用機箱空間,這種機箱頂部抽取磁碟的機構,要求硬碟在機箱內以垂直豎立方式安裝,以3.5吋磁碟槽為基準時,這要求機箱高度至少需為4U(7吋)以上,才能容納垂直豎立起來將近6吋高的3.5吋硬碟。若採用這樣的機構,以標準機架機箱的19吋寬度,可容納每排14到16個垂直豎立的磁碟槽,所以在設置3排磁碟槽時,整個機箱就能容納42~48臺硬碟,若設置4排磁碟槽時,將能容量56~64臺硬碟。

相同空間提供加倍容量

在同樣的4U機箱高度下,採用頂部抽取磁碟機構的機箱,可提供的硬碟數量,將比傳統正面抽取式機箱多出75%到260%。換言之,同樣占用4U機櫃高度,頂部抽取機構的機箱可提供比傳統機箱高出75%到260%的儲存密度——占用空間不變,容量卻可加倍!

頂部抽取機構機箱的限制

頂部抽取機構雖有大幅提高機箱容納硬碟數量的優點,不過也連帶產生新的問題。

硬碟抽取較為不便

頂部抽取機構必須開啟機箱上蓋板才能抽出硬碟,對已上了機架的磁碟陣列來說,須將機箱從機架上向前拉出,才能開啟上蓋板抽換硬碟,抽換硬碟作業不像傳統正面抽取式那樣方便。而且由於容納硬碟數量更多,機箱整體重量遠高於傳統4U磁碟陣列,這對將機箱從機架上拉出的動作也會帶來更多困難。

為了改善抽換個別硬碟的便利性,一些廠商便為他們的頂部抽換式機箱導入了「抽屜」機構,也就是將硬碟槽分置在機箱內的多個抽屜中,若有硬碟需要更換時,只要拉出該硬碟所在的抽屜,然後即可從抽屜頂部抽換該硬碟,不再需要拉出整個機箱。

機箱深度更深,限制機櫃建置

頂部抽取機構機箱的機箱高度雖然仍是4U,但機箱內部前端容納了3或4排磁碟槽,占去了整個機箱一半以上的空間,連帶的,磁碟控制器與電源等元件的位置也須更往後挪,造成整個機箱的深度要比一般的機架式機箱更大上許多,給機櫃安裝帶來一些麻煩。

舉例來說,可容納24Bay容量的傳統正面抽取式4U機箱,深度大都在500mm左右,而可容納42Bay到60Bay的頂部抽取機構機箱,深度卻達到750mm~950mm之譜,比傳統機箱深了50%~80%。這樣的機箱深度已經超出一些深度較淺的機櫃允許範圍,所以安裝在機櫃上時,機箱將會有一截凸出在機櫃之外,這將造成兩項不便:

首先,如果用戶的機櫃是常見的30吋深度款式,則安裝頂部抽取機構磁碟機箱後,機箱將突出在機櫃外一大截,以致影響到機櫃本身的管理(無法封閉上鎖)。

其次,考慮到散熱的需要,機箱後方必須留下足夠的散熱空間,而不能太過緊靠牆壁,至少需留有數公分到十數公分間距。但頂部抽取機構機箱的深度要比傳統機箱深了很多,若要在機箱後方保留相同的散熱空間,將會給機櫃的佈置帶來麻煩,得選用特別加深的機櫃,或忍受機箱突出到機櫃之外一截的不便。

考慮到在機箱後方預留足夠散熱空間的需求,要部署頂部抽取機構磁碟機箱,最好是選擇加深型的機櫃(深度至少40~42吋以上)比較保險。

重量、散熱與振動問題

由於這種機箱容納的硬碟數量遠高於傳統機箱,無論機箱本體還是安裝硬碟後的總重量,以及運轉時所產生的振動與熱量,都超過傳統機箱許多,因此對於散熱與電源供應都產生了更高的要求,對大量硬碟同時運轉造成的振動,以及機房樓地板的承載力,都須有更充分的考量,以確保系統運作的穩定。

舉例來說,傳統4U/24Bay機箱磁碟陣列,滿載硬碟的總重量最多不過40多kg左右,而4U/42Bay到4U/64Bay的頂部抽取式機箱,滿載硬碟時的總重便會達到70~100kg以上,因此在機櫃上安裝頂部抽取式機箱產品後,樓地板將會承載大上許多的重量。

主要的頂部抽取式磁碟產品

採用頂部抽取式磁碟槽的磁碟陣列產品,出現的時間其實相當早,據我們所知,這類型產品最早的應是Nexsan在2002年底發表的ATABeast,在4U高度內以上抽式機構容納了42臺硬碟,不過當時採用的是ATA/133硬碟介面與2G FC或Ultra 160 SCSI主機介面。後來Nexsan陸續更新這款產品,先後推出採用SATA與SAS硬碟介面的新一代產品SATAbeast。

後來Sun在2006年中推出的Fire X4500伺服器,也採用了類似的上抽式磁碟槽,在4U高度機箱內容納了48臺硬碟。繼這兩家廠商後,接下來陸續又有其他廠商跟進,目前從外商大廠如EMC、NetApp、IBM、Dell、HDS,到國內的普安、商丞(Proware)、喬鼎與AIC等,旗下都擁有這種類型的磁碟儲存產品。

這些頂部抽取式磁碟儲存產品,又可概分為兩種類型,一為內含控制器的磁碟陣列產品,另一則為不含控制器、僅提供磁碟空間的JBOD磁碟櫃。

磁碟陣列產品

主要供應商包括Nexsan、NetApp、IBM、Dell、Actidata、SANS Digital,以及國內的普安與商丞等。除磁碟陣列外,這些供應商大都也會提供搭配磁碟陣列使用的JBOD擴充磁碟櫃。

Nexsan

剛在今年1月被Imation併購的Nexsan,可說是頂部抽取式磁碟儲存產品的鼻祖,早從10年前便率先推出這類型產品,繼最早的ATABeast與SATABeast、SASBeast等產品系列後,目前該公司旗下的頂部抽取式磁碟儲存產品都由新的E系列所承繼。

2011年3月推出的E系列,目前含有E18、E48、E60等三款SAN磁碟陣列產品,分別採用2U/18Bay、4U/48Bay與4U/60Bay機箱,以及搭配三款產品的E18X、E48X與E60X等三款擴充用JBOD磁碟櫃。

E系列三款磁碟陣列產品均為雙控制器型式,可支援8G FC、1G iSCSI與10G iSCSI三種主機介面。至於三款JBOD磁碟櫃則均採SAS介面,利用SAS埠與磁碟陣列控制器連接。

其中E48/E48X與E60/E60X都採用頂部抽取式機箱,並都導入了抽屜式機構,來改善抽換硬碟的便利性,4U機箱內含有3個橫列排放的抽屜,每個抽屜內含16臺或20臺硬碟,任一硬碟需要更換時,只需拉開該硬碟所在的抽屜即可。至於E18/E18X則採用一種抽屜式與側向抽換的機構,2U機箱內含有2組橫列的抽屜,每個抽屜各含9臺硬碟,拉開抽屜後便可從抽屜內側方以橫向方式抽換硬碟。

NetApp

藉由2011年初收購LSI的Engenio外接儲存產品線,NetApp旗下新增一條E系列產品線,其中沿續自LSI時期的E7900系列,以及新推出的E5400系列、E2600系列中的E2660與E5500系列中的E5560,都採用了4U/60Bay機箱,可在4U機箱內容納60臺硬碟。

NetApp E系列這種4U/60Bay機箱的機構設計十分特別,與以Nexsan為代表的典型頂部抽換機構大不相同,採用LSI獨創的5層抽屜式設計。

NetApp E系列的4U機箱含有上下排列的5層抽屜,每層抽屜各有12個以水平橫躺方式佈置的磁碟槽,若要更換某一硬碟,只需拉開該硬碟所在的抽屜、然後從抽屜頂部抽換該硬碟即可,抽屜的開閉不會影響到整個系統的運作,硬碟更換作業要比一般頂部抽換機構方便許多。

另外,NetApp也提供採用同為4U/60Bay抽屜式機箱的DE6600 JBOD擴充櫃,來搭配E5400系列與E2600使用(E5560沒有外接擴充櫃功能)。

除了NetApp原廠外,沿續LSI Engenio時代的OEM合作關係,Dell與IBM也都透過OEM方式銷售E2660這款機型(即Dell的PowerVault MD3x60與IBM的DCS 3700)。

Dell Equallogic

Dell在頂部抽換式機箱磁碟陣列領域也已有數年經驗,在2008年併購Equallogic後,Dell於2009年初為Equallogic PS iSCSI磁碟陣列產品線增添一個高密度的PS5500E系列,採用了頂部抽換式的4U/48Bay機箱,可容納48臺3.5吋SAS或SATA硬碟。稍後,Dell又推出改款的PS6500與PS6510系列,同樣基於4U/48Bay機箱。

目前PS6500/6510家族含有PS6500E、PS6500X、PS6500ES、PS6510E、PS6510X與PS6510EX等6款,均為雙控制器型式,PS6500系列提供1Gb iSCSI介面,PS6510系列則能提供10Gb iSCSI介面,6款機型中,後綴有E字樣的機型代表搭載7200轉SATA硬碟,後綴X字樣的機型則採用1萬轉SAS硬碟,後綴ES則代表採用7200轉SAS硬碟與SSD混搭架構。

SANS Digital

SANS Digital在其AccuRAID機架式磁碟陣列家族中,有4U/42Bay機箱的AR442系列與4U/64Bay機箱的AR464系列,一共兩個頂部抽換式磁碟陣列產品線,兩個產品線下各有採用單、雙控制器,與提供8G FC或6G SAS傳輸介面等不同組合的款式,總共8款機型。

除了磁碟陣列機型外,SANS Digital另外還提供AS442與AS464等JBOD型式產品,前者為4U/42Bay機箱,後者為4U/64Bay機箱,可搭配AR442/AR464系列磁碟陣列作為擴充磁碟櫃,或搭配RAID卡作為直接連接式儲存設備。

Actidata

Actidata旗下的actiRAID磁碟陣列產品家族,在2012年初時,新增一個採用4U/42Bay頂部抽換式機箱的actiRAID 4200系列。

這系列產品可分為740磁碟陣列與74J JBOD磁碟櫃兩條產品線,其中740磁碟陣列系列又有單控制器的740S與雙控制器得740D兩款,兩款又各自有採用8G FC或SAS介面兩種機型,所以一共有4款產品(單控制器+8G FC、單控制器+SAS、雙控制器+8G FC,以及雙控制器+SAS)。而74J JBOD磁碟櫃,則有單控制器的74JS與雙控制器的74JD兩款機型,均採用SAS介面來與前端的控制器連接。

普安(Infortrend)

普安亦是在2012年初,為旗下的EonStor DS磁碟陣列家族增加了採用頂部抽取4U/48Bay機箱的機型,包括S48F磁碟陣列與S48S JBOD擴充磁碟櫃兩個系列。

其中S48F有單、雙控制器兩種款式,均提供8G FC與1Gb iSCSI兩種傳輸介面。S48S亦有單、雙控制器(SAS I/O模組)兩種款式,均採用6G SAS介面作為連接前端控制器的傳輸通道。

特別值得一提的是,普安的S48F/S48S採用了抽屜式機構設計,48個硬碟槽分置於3個橫向排列的抽屜中,更換硬碟要比一般的頂部抽取式機箱更為方便——任何一臺硬碟需要更換時,只需拉開該硬碟所在的抽屜,然後再從抽屜頂部抽換該硬碟即可,而無須將整個機箱從機架上拉出。

商丞(Proware)

今年年初剛併入商承科技的國內老牌磁碟儲存供應商普樺(英文名稱仍維持Proware),在頂部抽換式機構儲存設備領域是十分重要的供應商,早在2007年便推出了採用頂部抽換機構的4U/42Bay產品,僅晚於Nexsan與Sun的產品,後來普樺又於2011與2012年陸續推出4U/60Bay與4U/64Bay的新機型。除了自有品牌產品外,普樺這幾款頂部抽換機構磁碟儲存產品,還透過OEM方式提供給多家廠商銷售。

目前普樺的頂部抽換機構磁碟儲存產品,屬於該公司EPICa磁碟陣列家族,按照機箱型式可分為4U/42Bay的EP-4423、4U/60Bay的EP-4604與4U/64Bay的EP-4643等三個磁碟陣列系列,以及對應這三個系列的JBOD擴充磁碟櫃——4U/42Bay的EP-4423J、4U/60Bay的EP-4604J與4U/64Bay的EP-4643J。

前述產品中,JBOD磁碟櫃均採用SAS介面,並有單、雙控制器款式可選。至於磁碟陣列產品中,EP-4423有4G FC、8G FC與SAS等三種主機傳輸介面、搭配單、雙控制器的款式,EP-4643亦有8G FC、SAS兩種主機介面,搭配單、雙控制器等款式,EP-4604則是專門的iSCSI機型,有GbE或10GbE iSCSI搭配單、雙控制器等款式。

JBOD磁碟櫃產品

一些廠商如EMC、HDS與國內的喬鼎與AIC等,雖然也有採用頂部抽取機構的磁碟儲存設備,但僅提供JBOD磁碟櫃型式的產品。JBOD磁碟櫃本身並不是可以獨立運作的完整儲存設備,必須搭配磁碟陣列控制器機箱,或是RAID介面卡。其中EMC與HDS的產品都是搭配特定儲存系統用的擴充櫃,而喬鼎與AIC的產品則是通用型JBOD磁碟櫃,可串接到不同廠牌的RAID卡或磁碟陣列控制器上。

EMC

EMC在其VNX儲存系統家族中,提供了一款4U/60Bay的DAE磁碟櫃供用戶選用。這款代號VNX6GSDAE60的磁碟櫃是供VNX家族中的VNX5500、VNX5700與VNX7500使用,可選擇搭載3.5吋的7200轉或1萬轉SAS硬碟,或是2.5吋的SSD,與前端控制器之間的連接,則是採用6G SAS介面。

HDS

HDS於2012年4月發表的HUS通用儲存系統,中、高階的HUS 130與HUS 150都可選用1種高密度磁碟櫃,採用頂部抽取式的4U/48Bay機箱。到2012年底時,HDS又發表一種超高密度磁碟櫃,可在5U機箱內容納多達84臺硬碟。

HDS先前那款4U/48Bay磁碟櫃在設計上,與其他的頂部抽取式磁碟櫃沒太大差異,而新的這款5U/84Bay磁碟櫃則採用創新的上下兩層抽屜式機構,搭配將硬碟以橫向方式安置在抽屜的磁碟槽中——當以垂直方式安置硬碟時,豎立起來約5.8吋高的3.5吋硬碟,得以7吋高的4U機箱才能容納;若將3.5吋改以側置方式安裝,則只會占用4吋高度,所以8.75吋高的5U機箱,便能容納上下兩排3.5吋硬碟而有餘。藉由這種兩層式抽屜機構,這款機箱只比4U/48Bay機箱多占用1U高度,卻能多容納36臺硬碟,單一機箱儲存密度應是當前之冠。

喬鼎(Promise)

喬鼎在2012年年中的Computex中,發表1款採用頂部抽換式磁碟的4U/60Bay擴充磁碟櫃VTrak J930,含有2組I/O控制模組,透過6G SAS介面與前端控制器連接,可相容於喬鼎VTrak x30系列磁碟陣列,或其他SAS控制器。

AIC

AIC(營邦)成立於1996年(早先的英文名稱是T-win System),主要產品涵蓋了機箱、儲存設備、伺服器與主機板等,除了OEM/ODM外,也有自有品牌的產品。

早在2009年7月,AIC便曾推出一款4U/48Bay的XJ-SA24-448R-B JBOD磁碟櫃,不過這款4U/48Bay機箱並非採用頂部抽取機構,而仍採用傳統的正面抽取機構,在機箱正面面積限制下,這款機型只能容納24個磁碟槽,但特別的是AIC為其採用了拉長2倍的磁碟托盤,每個托盤能以一前一後方式容納2臺硬碟,所以24個磁碟槽便能容納48臺硬碟。

XJ-SA24-448R-B這種由傳統4U/24Bay機箱變體而成的4U/48Bay設計,不過抽換一個硬碟槽時,將會同時抽出2臺硬碟,由於傳統的RAID 0/1/5等組態,都只能允許RAID群組同時間最多1臺硬碟失效,若同時抽出2臺硬碟,便會導致RAID群組發生無法回復的毀損。

為避免這種情況,在使用XJ-SA24-448R-B時,必須將磁碟機規畫為可容忍一次抽換2臺硬碟的RAID 6、或將每個硬碟槽的硬碟各自組成RAID 0,然後再組成跨多個RAID 0等,或將每個硬碟槽中前後兩臺硬碟分別分配在不同RAID群組內,對RAID組態有較多限制。優點則是機箱深度較短(僅601mm),也更容易抽換個別硬碟。

有鑒於此,AIC後來推出的新一代高密度JBOD磁碟櫃XJ3000-4603/4603S,便改用與其他廠商相同的頂部抽換式4U/60Bay設計。 

 

(看大圖)

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詳細內文請參考高密度磁碟陣列採購大特輯


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