全面探索SAS技术

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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

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。

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。


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u2/66684/showart_712960.html