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51CTO存储专家:全面探索SAS技术

51CTO.com  feiry丨2006-04-21 16:04 标签:SAS SATA 

51CTO.com独家消息】背景:Parallel SCSI 和 Parallel ATA 二十多年前,Parallel SCSI 和 Parallel ATA标准问世时,兼容性根本不是问题。大家都以是非二元论来看这两种界面的角色,没有人预期,大家会需要它们在共同的应用上交互作业。SCSI主要是在企业级用户中应用; ATA主要应用在桌上型电脑。为了满足两种不同的应用要求,两种界面应用了截然不同的,而且完全不兼容的技术。前者自备指令集、CPU占用率低、稳定、多任务、带宽大,而后者简单、成本低

Parallel SCSI

运用一条并行结构的线缆,这条缆线最多可级连16个外围设备;另外还有一个定址架构,可让主机控制器选择级连设备中的任何一个,并与之通讯。缆线长度最多可以达到12米,让界面容纳内接式(在服务器机壳内)和外接式(JBOD或机架)硬盘。SCSI通讯协定支持的指令集适用于自订应用、进阶错误复原和效能最佳化等等复杂的企业硬盘管理作业。

Parallel ATA:

Parallel ATA适用于成本敏感的桌上型电脑任务,要求在两个外围设备之间具有点对点界面,这个界面既不支持也不要求定址架构(基本的master/slave排列就已足够)。它只处理内接式硬盘,因为它的缆线长度短(1米),与外接式存储设备不相容。ATA的通讯协定是以注册为主,因此既简单又便宜,其指令集也一样。

然而经过了二十年的科技发展,计算机硬件产业CPU速度与内存带宽的惊人成长,使得原本的parallel ATA,SCSI已渐渐无法满足计算机的需求,而另一方面网络的快速成长,刺激了市场对在线/移动式存储解决方案的爆炸性需求,这些存储解决方案以高可用性和可靠性提供资料。传统的“直连存储”(DAS)模型因存储区域网络(SAN)和网络附加存储(NAS)环境而扩大。SCSI不断获得速度上的提升,但就Parallel架构而言,传统数据和信号的总线共用,高传输速率必须克服信号的互相干扰,因此在效能和扩充性潜力上均受到限制。因此PATA到ATA133规格,Parallel SCSI到Ultra 320规格便不能再往上提升。

当光纤通道问世时,因其具有惊人的传输量和扩充性,在高端的在线应用很快就取代了Parallel SCSI,成为大型企业关键任务资料的主要存储解决方案。然而对于中型企业而言,光纤通道产品高得惊人的成本,让他们无力负担,所以许多中型企业一面继续使用SCSI来处理其关键任务,一面研究其它方法,将他们大量的非关键、不经常存取的资料从在线SCSI副系统移到成本较低的近线作业系统。磁盘密度继续快速成长之际,具备内接ATA硬盘的低廉服务器就成为可行的近线存储解决方案。等到低成本、高容量的Serial ATA硬盘问世,就表示近线存储的弹性和效能均已提高。SATA以低成本提供必备的高容量,而且不象Parallel界面在扩充性方面受到限制。现在,企业存储连续性在高端(光纤通道)和低端(SATA)应用上都有强大的解决方案,但是中型解决方案的进度则明显落后。Parallel SCSI已达到开发潜力的极限,这时显然需要新的解决方案。

SAS 的出現

Serial Attached SCSI(SAS)是取代Parallel SCSI的下一代企业级存储界面技术,与Parallel SCSI相比,利用Serial架构做资料传输的SAS,不论在扩充性、效能、可靠性和灵活性等方面,都比Parallel SCSI具有更优异的表现。同时SAS亦提供了SATA硬盘的兼容性,为需要的企业用户,提供了理想的解决方案。

Serial ATA (SATA)硬盘成本较低,相对于ATA来看,可提供更好的品质及优秀的效能,这些优点开始吸引IT管理者考虑以SATA解决方案用于非关键性的资料近线存储、备份及恢复,并且SATA硬盘提供的存取速度(在适当的容量下)远比磁带快得多。

SAS拥有Parallel SCSI经过验证的优点----稳定的可靠性、丰富和成熟的指令集,同时使用新的串连架构,取得了惊人的传输量(3.0Gbits/sec)和显著的扩充性(利用扩充设备,最多可扩充到16348项设备)。因为Serial Attached SCSI是在Serial ATA 1.0标准制定之后开始发展的,存储业界大都选择将是否兼容SATA作为SAS标准的一个关键要素。企业存储连续性现在已提供了多种解决方案,以满足每一个层次的存储需求。

Infortrend的SAS阵列系统(EonStor S12F-R/G1420)考虑了不同类型的用户需求,提供了高速的传输性能、稳定的冗余性及高可靠性的资料保护,来满足客户的需求。Infortrend的技术总监Michael Schnapp指出SAS提供的高效能、高扩展性及高稳定性将取代现阶段的SCSI技术,来满足未来数字环境下传输大量资料的需求。

解决方案

解决方案

 

应用

附注

Fibre Channel

在线、高可用性、随机读取

适用于大型企业中的关键任务资料的存储,例如SAN,最多支持1600万个位址,缆线最长可达10公里,相当昂贵。

Serial Attached SCSI(SAS)

在线、高可用性、随机读取

适用于中型企业关键任务资料的存储,效能高且在本端层次上的扩充性极高,比FC更便宜,与SATA兼容

SATA

近线作业,低可用性,循序读取

容量高、成本低,不适用于关键任务资料的存储,与SAS兼容

Tape

 

容量高,适合于保存和保证offsite资料安全

传统上资料储存只有两种类型,那就是在线(online)和离线(offline)储存,近来则引进了一个新的运用——近线(near line)作业,这个概念日益风行,原因是它意识到资料是有所谓的生命周期的,在这个生命周期中,企业对可存取性和安全性的需求不尽相同。企业存储不适于用是非简单二分法来管理资料,而是该有一个完整连续性的管理,让资料可以在其价值和关键性改变时被轻易地转移存储。

应用等级

应用环境

主要需求

在线

即时作业环境-系统运算时所需要之资料

高效能,高负载, 高可用性, 高存取速度

近线

硬盘对硬盘间备份

参考用资料

容量高、成本低,不适用于关键任务资料

离线

磁带机, 磁带柜

容量高,适合于保存和保证offsite资料安全

SAS 技术剖析

A) SAS 提供了改善的效能:

为何SAS能够提供更好的效能??因其技术改进方面有如下的特点:

1,直接支持3.0Gbps(300MB/s),后继的规格更定义至支持12.0Gbps,即所谓的1.2GB/s的通道带宽。

2,点对点的传输:避免共享总线常有的瓶颈效应,点对点的传输可提供端点间固定的带宽。

3,全双工的数据传输:并行的传输接口如PATA和Parallel SCSI都是发送和接收共用一组总线,因此发送和接收不能同时进行,即所谓的半双工。SATA数据传输线虽然由两条传送方向相反的差分信号对(LVDS,共4根)组成,发送(Tx)和接收(Rx)各走一路,但基于SATA协议规范采用ATA协议,ATA协议只是半双工的,但SAS所采用SCSI协议是全双工的,通过将一路数据所需的流控信息与反向传送的数据混合在一起,从而能在同样的数据线上实现全双工。

Wide Ports(宽端口) :是一项存储接口的新技术,物理链接是SAS中的一个基础概念,一条物理链接包括两对差分信号线(Tx和Rx,即一条SATA线缆),传输方向相反。两个SAS端口之间可以建立起由多个物理链接构成的wide link(宽链接),相应的端口也被称作wide port(宽端口),物理链接的数量最高可至四个链接。

B) SAS使传输的线路减少:

在IT设备有限的空间下,在狭小的机箱内,过多与过宽的缆线会造成机箱散热不良,但SAS的serial传输只需要较少的传送线路来传送讯号,缆线的安装配置与硬盘的背板的电路设计相对比较容易,系统因此会更为稳定。

C) SAS增加可用性:

SAS采用了SATA的物理层(包括连接器、线缆)设计,增加了第二端口,同时还具备FC的某些特征。与SATA相比,SAS在物理架构上的增强主要包括:
双端口

SAS的数据帧基于FCP(FC Protocol),并在外围设备端添加了第二端口支持,形成符合高可用性要求的双端口(dual port)——这一点也类似于FC。

可是第二端口怎么实现呢?通过将原本分离的SATA端口和电源插头相连,并将SAS第二端口设置在连接处的背侧(插座则是对侧,见图),就得到了SAS连接器。第二端口比这块跨接区域略宽,但也只有SATA端口(也即SAS第一端口)的2/3,因此其7个接脚及间距均明显变窄。与SAS插头的“铁板一块”相对应,SAS插座也“全线贯通”(SATA插座在SAS第二端口的位置有一突起),这样既可以保证SATA设备插入SAS插座,又能避免误将SAS设备插入SATA插座。

D) SAS的扩展性:

连接距离:SAS线缆的最大连接距离的已经提升到8米,甚至透过3个扩展器之后,SAS的最大连接距离能够超过32米,足以应付机内存储设备连接和近距离DAS的要求。

扩展器:SAS的扩展器就是交换机(Edge Expander,边沿扩展器)和路由器(Fanout Expander,扇出扩展器)。扩展器利用可多达128个的PHY(发送器和接收器各一、能够接受1个物理链接的最小单元,譬如1个4宽度端口即由4个PHY组成)连接主机/设备或其他扩展器,组成星形拓扑架构。

SAS“域”的概念:扇出扩展器是SAS域的核心,一个SAS域只能有一个扇出扩展器,它可以随意连接边沿扩展器;一个边沿扩展器只能连接到一个扇出扩展器上,而在没有扇出扩展器的情况下最多仅允许两个边沿扩展器互连;在不超过数目上限的前提下,扩展器可以随意连接发起者/目标设备。也就是说,在一个SAS域中,任意两点(主机或设备)之间最多可以有3个扩展器。

高达65535的设备数量:根据SAS每个扩展器能够寻址128个PHY,整个SAS域形成一个物理连接数目可达16K(128X128=16384)的点对点交换式拓扑架构。

扩展器强大的连接能力不仅可以为设备数量服务,它还可以用多达4个的物理连接组成(wide link)宽度链接来获得成倍的带宽。以4宽度内部串行附属(serial attached)连接器为例,SATA只能通过4根相互间没有逻辑联系的线缆获得4个独立的SATA链接,SAS却可以得到一个4宽度链接(在一个扩展器上)、两个2宽度链接(在两个扩展器上)、四个1宽度链接(在四个独立的扩展器或设备上),甚至还能够是一个3宽度链接和一个1宽度链接……性能与灵活度都远胜于SATA。

E)SATA 的兼容性:SAS支持3种协议,分别是

1. 串行SCSI协议(Serial SCSI Protocol,SSP):全双工,让SCSI运行在增强的SATA物理层上;

2. 串行ATA隧道协议(Serial ATA Tunneled Protocol,STP):为SATA增加多目标寻址和多发起者访问,以适应SAS环境的需要;

3. 串行管理协议(Serial Management Protocol,SMP):用于发现和管理扩展器。

扩展器把SATA的点对点连接扩展至SAS的多发起者/多目标,然而SATA协议仅支持单发起者/单目标,STP的任务就是让发起者能够通过扩展器访问SATA目标。STP在发起者与最远的、也就是连接SATA设备的扩展器端口(STP目标端口)之间建立起一条通路(隧道),传输标准的SATA 1.0帧,因此在SATA设备看来,自己连接的就是SATA主机适配器。如果发起者端口识别出与其直接相连的是一台SATA设备,则只使用SATA协议通信。

那么SAS主机控制器端口怎么知道自己连接的是SATA设备还是SAS设备呢?这就要借助于带外(Out of band,OOB)信号来识别了。在连接初始化时,主机控制器端口送出OOB慢速脉冲信号,检测目标对COMSAS脉冲的响应情况——如果目标也返回COMSAS脉冲,就是SAS设备,反之即为SATA设备。需要注意的是,由于在SAS协议中发起者和目标是对等的,外围设备也可以主动送出COMSAS脉冲,向主机适配器表明自己的身份。以硬盘为例,能否生成COMSAS脉冲即是辨别SAS与SATA的依据。

STP发起者端口经过OOB协商确认与自己相连的是SATA设备后即进入SATA模式,严格遵循SATA主机适配器的行为规范。STP并不关心SATA FIS(Frame Information Structure,帧信息结构)的内容,SATA命令排队可以在FIS中传输——前提当然是STP发起者端口和SATA设备必须支持命令排队功能。

传输完成后由SAS主机适配器或扩展器决定是否用STP断开与SATA设备的连接,以后需要时再重新连接。整个过程中该SATA设备始终以为自己通过正常的流控机制直接连在某个SATA主机适配器上,实际情况却是SAS主机适配器进行了SATA“翻译”工作。在Windows操作系统中,这个SAS主机适配器将与使用Miniport驱动程序的SATA主机适配器一样被归类为SCSI控制器。

总结

上述简单介绍了目前市场上的存储技术,每一种都有其优点与缺点,企业应用何种架构要看其所需要的应用为何,费用最高或速度最高并非就能达到最好的效果。


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