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各种硬盘接口协议的分析

Watchstor.com  佚名丨2009-09-12 14:38 标签:HBA 硬盘/SSD 硬盘 

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件,作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口类型决定着硬盘与控制器之间的连接速度,在整个系统中,硬盘接口的性能高低对磁盘阵列整体性能有直接的影响,因此了解一款磁盘阵列的硬盘接口往往是衡量这款产品的关键指标之一。存储系统中目前普遍应用的硬盘接口协议主要包括SATA、SCSI、SAS和FC等,此外ATA硬盘在SATA硬盘出现前也在一些低端存储系统里被广泛使用。

每种硬盘接口协议拥有不同的技术规范,具备不同的传输速度,其存取效能的差异较大,所面对的实际应用和目标市场也各不相同。同时,各硬盘接口协议所处 于的技术生命阶段也各不相同,有些已经没落并面临淘汰,有些则前景光明,但发展尚未成熟。那么经常困扰客户的则是如何选择合适类型阵列,既可以满足应用的 性能要求,又可以降低整体投资成本。现在,我们将带您了解目前常见的硬盘接口技术的差异与特点,从而帮助您选择适合自身需求的最佳方案。

ATA,在并行中没落

ATA (AT Attachment)硬盘接口协议标准是IDE(Integrated Drive Electronics)硬盘的特定接口标准。自问世以来,一直以其价廉、稳定性好、标准化程度高等特点,深得广大中低端用户的青睐,甚至在某些高端应用 领域,如服务器应用中也有一定的市场。ATA规格包括了 ATA/ATAPI-6 其中Ultra ATA 100兼容以前的ATA版本,在40-pin的连接器中使用标准的16位并行数据总线和16个控制信号。

最早的硬盘接口协议都是并行ATA(Paralle ATA)硬盘接口协议。PATA接口一般使用16-bit数据总线, 每次总线处理时传送2个字节。PATA接口一般是100Mbytes/sec带宽,数据总线必须锁定在50MHz,为了减小滤波设计的复杂性,PATA使 用Ultra总线,通过“双倍数据比率”或者2个边缘(上升沿和下降沿)时钟机制用来进行DMA传输。这样在数据滤波的上升沿和下降沿都采集数据,就降低 一半所需要的滤波频率。这样带宽就是:25MHz 时钟频率x 2 双倍时钟频率x 16 位/每一个边缘/ 8 位/每个字节= 100 Mbytes/sec。

在过去的20年中,PATA成为ATA硬盘接口的主流技术。但随着CPU时钟频率和内存带宽的不断提升,PATA逐渐显现出不足来。一方面,硬 盘制造技术的成熟使ATA硬盘的单位价格逐渐降低,另一方面,由于采用并行总线接口,传输数据和信号的总线是复用的,因此传输速率会受到一定的限制。如果 要提高传输的速率,那么传输的数据和信号往往会产生干扰,从而导致错误。

PATA的技术潜力似乎已经走到尽头,在当今的许多大型企业中,PATA现有的传输速率已经逐渐不能满足用户的需求。人们迫切期待一种更可靠、 更高效的硬盘接口协议来替代PATA,在这种需求的驱使下,串行(Serial)ATA总线接口技术应运而生,直接导致了传统PATA技术的没落。

FC,高端应用的基石

光纤通道标准已经被美国国家标准协会(ANSI)采用,是业界标准接口。通常人们认为它是系统与系统或者系统与子系统之间的互连架构,它以点对 点(或是交换)的配置方式在系统之间采用了光缆连接。当然,当初人们就是这样设想的,在众多为它制订的硬盘接口协议中,只有IPI(智能外设接口)和IP(网际协 议)在这些配置里是理想的。

后来光纤通道的发展囊括了电子(非光学)实现,并且可以用成本相对较低的方法将包括硬盘在内的许多设备连接到主机端口。对这个较大的光纤通道标 准集有一个补充称为光纤通道仲裁环(FC-AL)。FC-AL使光纤通道能够直接作为硬盘连接接口,为高吞吐量性能密集型系统的设计者开辟了一条提高 I/O性能水平的途径。目前高端存储产品使用的都是FC硬盘接口协议的硬盘。

FC硬盘名称由于通过光学物理通道进行工作,因此起名为光纤硬盘,现在也支持铜线物理通道。就像是IEEE-1394, Fibre Channel 实际上定义为SCSI-3硬盘接口协议标准一类,属于SCSI的同胞兄弟。作为串行接口FC-AL峰值可以达到2Gbits/s甚至是4Gbits/s。而且通过光学 连接设备最大传输距离可以达到10KM。通过FC-loop可以连接127个设备,也就是为什么基于FC硬盘的存储设备通常可以连接几百颗甚至千颗硬盘提 供大容量存储空间。

关于光纤硬盘接口协议以其的优越的性能、稳定的传输,在企业存储高端应用中担当重要角色。业界普遍关注的焦点在于光纤接口的带宽。最早普及使用的光纤接 口带宽为1Gb,随后2Gb带宽光纤产品统治市场已经长达三年时间。现在最新的带宽标准是4Gb,目前普遍厂商都已经推出4Gb相关新品,Gartner 则预言4Gb光纤产品在未来2年将以300%的年复合成长率快速增长,并在2007年取代2Gb光纤成为市场主流。

对于这份报告提出的观点,业界的看法不一。有的人认为,2Gb光纤信道正式取代1Gb也不过才不到3年的时间,供货商又紧接着推出4Gb的产 品,企业的接受度令人存疑。另一方面,磁盘接口端SAS技术的兴起,和主机接口端iSCSI技术的发展,也给光纤存储的发展带来不小的压力。

事实上,4Gb光纤信道传输协议早在2002年就已经通过美国国家标准协会(ANSI)的光纤信道实体接口(Fibre Channel-Physical Interfaces,简称FC-PI)硬盘接口协议规范,而与此同时,10Gb光纤标准也在同一年发表,但由于10Gb光纤并不具备向下兼容的能力,用户如果希望升 级到10Gb光纤平台,则必须更换所有基础设施,成本过于昂贵,一直无人问津。

相较之下,4Gb是以2Gb为基础延伸的传输协议,可以向下兼容1Gb和2Gb,所使用的光纤线材、连接端口也都相同,意味着使用者在导入 4Gb设备时,不需为了兼容性问题更换旧有的设备,不但可以保护既有的投资,也可以采取渐进式升级的方式,逐步淘汰旧有的2Gb设备。而目前,各存储厂商 推出的4Gb光纤新品与2Gb光纤产品已无价格差距,用户可在相差不多的情况下购买到4 Gb光纤产品,从这个意义来说,4Gb光纤产品的普及也是指日可待。

硬盘接口协议随需而变 灵活选择

网络存储设备目前大致可分为3类,即高端、中端和近线(Near-Line)。目前,高端存储产品主要应用的是光纤通道硬盘,应用于关键数据的 大容量实时存储。中端存储设备则主要采用SCSI硬盘接口协议,应用于商业级的关键数据的大容量存储。近线是近年来新出现的存储领域,一般采用SATA硬盘存储,应用 于非关键数据的大容量存储,目的是替代以前使用磁带的数据备份。

今后几年,光纤通道和SAS将成为存储上的首选接口,这两种技术在实际性能上的表现几乎相同。但是,从发展前景来看,在大约一年以后,SAS硬盘接口协议的 传输带宽还有可能将增加一倍,而光纤通道下一步是发展到8Gbps还是10Gbps目前还无定论,且发展到8Gb或者10Gb后,向下兼容的问题还没有有 效解决。

目前,哪种技术更好一些,光纤还是SAS,仍然很难定夺。但是由于并行SCSI占据着80%左右的企业硬盘市场,并且SAS兼容低端的SATA 硬盘。这样当用户预算紧张的时候,可以选择搭配SATA硬盘;当性能为重时,则可以更换为高性能的SAS硬盘。因此,根据富士通公司的预测:在未来几年 内,SAS将有可能占据绝大多数的中高端存储市场。

FC、SCSI和SAS硬盘接口协议的市场比例预测

对于用户来说:单纯比较硬盘并不一定是越贵的越好,关键是看是否适合自己的应用。另外单纯硬盘的硬盘接口协议也不是衡量一个存储系统性能指标的 唯一要素,除了硬盘性能指标以外,存储系统的硬件设计,前端主机接口等性能指标也同样对存储系统的整体性能影响巨大。如果需要应用于I/O负载较轻的应用 比如文件共享、FTP、音频存储、数据备份等可以考虑基于SATA硬盘的阵列。如果I/O负载较重的FTP、VOD、EMAIL、Web、数据库应用,那 么可以考虑基于SCSI/SAS硬盘的存储系统;如果是较大规模的数据中心,硬盘数量需求巨大,考虑到目前SAS技术的不成熟,我们仍然推荐选用基于光纤 硬盘的存储系统。

SATA,在低端徘徊

PATA曾经在低端的存储应用中有过光辉的岁月,但由于自身的技术局限性,逐步被串行总线硬盘接口协议(Serial ATA,SATA)所替代。SATA以它串行的数据发送方式得名。在数据传输的过程中,数据线和信号线独立使用,并且传输的时钟频率保持独立,因此同以往 的PATA相比,SATA的传输速率可以达到并行的30倍。可以说:SATA技术并不是简单意义上的PATA技术的改进,而是一种全新的总线架构。

从总线结构上,SATA硬盘接口协议使用单个路径来传输数据序列或者按照bit来传输,第二条路径返回响应。控制信息用预先定义的位来传输,并且分散在数据中间,以打包的格式用开/关信号脉 冲发送,这样就不需要另外的传输线。SATA带宽为16-bit。并行Ultra ATA总线每个时钟频率传输16bit数据,而SATA仅传输1bit,但是串行总线可以更高传输速度来弥补串行传输的损失。SATA将会引入 1500Mbits/sec带宽或者1.5Gbits/sec带宽。由于数据用8b/10b编码,有效的最大传输峰值是150Mbytes/sec。

目前能够见到的有SATA-1和SATA-2两种标准,对应的传输速度分别是150MB/s和300MB/s。从速度这一点上,SATA已经远 远把PATA硬盘甩到了后面。其次,从数据传输角度上,SATA比PATA抗干扰能力更强。从SATA委员会公布的资料来看,到2007年,在第三代串行 ATA技术中,个人电脑存储系统将具有最高达600MB/s的数据带宽。此外,串口的数据线由于只采用了四针结构,因此相比较起并口安装起来更加便捷,更 有利于缩减机箱内的线缆,有利散热。

并行ATA与SATA硬盘接口协议的比较

虽然厂商普遍宣称SATA支持热插拔,但实际上,SATA在硬盘损坏的时候,不能像SCSI/SAS和FC硬盘一样,显示具体损坏的硬盘,这样 热插拔功能实际上形同虚设。同时,尽管SATA在诸多性能上远远优越于PATA,甚至在某些单线程任务的测试中,表现出了不输于SCSI的性能,然而它的 机械底盘仍然为低端应用设计的,在面对大数据吞吐量或者多线程的传输任务时,相比SCSI硬盘,仍然显得力不从心。除了速度之外,在多线程数据读取时,硬盘磁头频繁地来回摆动,使硬盘过热是SATA需要克服的缺陷。正是因为这些技术上致命的缺陷,导致目前为止,SATA还只能在低端的存储应用中徘徊。

SCSI硬盘接口协议,中端存储的主流之选

SCSI(Small Computer System Interface)是一种专门为小型计算机系统设计的存储单元硬盘接口协议模式,通常用于服务器承担关键业务的较大的存储负载,价格也较贵。SCSI计算机可以 发送命令到一个SCSI设备,磁盘可以移动驱动臂定位磁头,在磁盘介质和缓存中传递数据,整个过程在后台执行。这样可以同时发送多个命令同时操作,适合大 负载的I/O应用。在磁盘阵列上的整体性能也大大高于基于ATA硬盘的阵列。

SCSI硬盘接口协议规范发展到今天,已经是第六代技术了,从刚创建时候的SCSI(8bit)到今天的Ultra 320 SCSI,速度从1.2MB/s到现在的320MB/s有了质的飞跃。目前的主流SCSI硬盘都采用了Ultra 320 SCSI接口,能提供320MB/s的接口传输速度。SCSI硬盘也有专门支持热拔插技术的SCA2接口(80-pin),与SCSI背板配合使用,就可 以轻松实现硬盘的热拔插。目前在工作组和部门级服务器中,热插拔功能几乎是必备的。

相比ATA硬盘,SCSI硬盘接口协议体现出了更适合中、高端存储应用的技术优势:

首先SCSI相对于ATA硬盘的接口支持数量更多。一般而言,ATA硬盘采用IDE插槽与系统连接,而每IDE插槽即占用一个IRQ(中断 号),而每两个IDE设备就要占用一个IDE能道,虽然附加IDE控制卡等方式可以增加所支持的IDE设备数量,但总共可连接的IDE设备数最多不能超过 15个。而SCSI的所有设备只占用一个中断号(IRQ),因此它支持的磁盘扩容量要比ATA更为巨大。这个优点对于普通用户而言并不具备太大的吸引力, 但对于企业存储应用则显得意义非凡,某些企业需要近乎无节制地扩充磁盘系统容量,以满足网络存储用户的需求。

其次:SCSI的带宽很宽,Ultra 320 SCSI能支持的最大总线速度为320MB/s,虽然这只是理论值而已,但在实际数据传输率方面,最快 ATA/SATA的硬盘相比SCSI硬盘无论在稳定性和传输速率上,都有一定的差距。不过如果单纯从速度的角度来看,用户未必需要选择SCSI硬 盘,RAID技术可以更加有效地提高磁盘的传输速度。

最后、SCSI硬盘CPU占用率低、并行处理能力强。在ATA和SATA硬盘虽然也能实现多用户同时存取,但当并行处理人数超过一定数量 后,ATA/SATA硬盘就会暴露出很大的I/O缺陷,传输速率有大幅下降。同时,硬盘磁头的来回摆动,也造成硬盘发热不稳定的现象。

对于SCSI硬盘接口协议而言,它有独立的芯片负责数据处理,当CPU将指令传输给SCSI后,随即去处理后续指令,其它的相关工作就交给SCSI控制芯片 来处理;当SCSI“处理器”处理完毕后,再次发送控制信息给CPU,CPU再接着进行后续工作,因此不难想像SCSI系统对CPU的占用率很低,而且 SCSI硬盘允许一个用户对其进行数据传输的同时,另一位用户同时对其进行数据查找,这就是SCSI硬盘并行处理能力的体现。

SCSI硬盘较贵,但是品质性能更高,其独特的技术优势保障SCSI硬盘接口协议一直在中端存储市场占据中流砥柱的地位。普通的ATA硬盘转速是5400或 者7200 RPM;SCSI 硬盘是10000或者15000 RPM,SCSI硬盘的质保期可以达到5年,平均无故障时间达到1,200,000小时。然而对于企业来说,尽管SCSI在传输速率和容错性上有极好的表 现,但是它昂贵的价格使得用户望而却步。而下一代SCSI技术SAS的诞生,则更好的兼容了性能和价格双重优势。

SAS,硬盘接口协议的明日帝国

SAS 是Serial Attached SCSI的缩写,即串行连接SCSI。和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同,都是采用串行技术以获得更高的传输速度,并通过缩短连结线改善内部空间等。

SAS硬盘接口协议是新一代的SCSI技术,同SATA之于PATA的革命意义一样,SAS 也是对SCSI技术的一项变革性发展。它既利用了已经在实践中验证的 SCSI 功能与特性,又以此为基础引入了SAS扩展器。SAS可以连接更多的设备,同时由于它的连接器较小,SAS 可以在3.5 英寸或更小的 2.5 英寸硬盘驱动器上实现全双端口,这种功能以前只在较大的 3.5 英寸光纤通道硬盘驱动器上能够实现。这项功能对于高密度服务器如刀片服务器等需要冗余驱动器的应用非常重要。

为保护用户投资,SAS硬盘接口协议的接口技术可以向下兼容SATA。SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动 器,也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。过去由于SCSI、ATA分别占领不同的市场段,且设备间共享带宽,在接口、驱动、线缆等方面都互不兼 容,造成用户资源的分散和孤立,增加了总体拥有成本。而现在,用户即使使用不同类型的硬盘,也不需要再重新投资,对于企业用户投资保护来说,实在意义非 常。但需要注意的是,SATA系统并不兼容SAS,所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。

SAS硬盘接口协议使用的扩展器可以让一个或多个 SAS 主控制器连接较多的驱动器。每个扩展器可以最多连接 128 个物理连接,其中包括其它主控连接,其它 SAS 扩展器或硬盘驱动器。这种高度可扩展的连接机制实现了企业级的海量存储空间需求,同时可以方便地支持多点集群,用于自动故障恢复功能或负载平衡。目 前,SAS接口速率为3Gbps,其SAS扩展器多为12端口。不久,将会有6Gbps甚至12Gbps的高速接口出现,并且会有28或36端口的SAS 扩展器出现以适应不同的应用需求。其实际使用性能足于光纤媲美。

SAS虽然脱胎于SCSI,但由于其突出的适于高端应用的性能优势,更普遍把SAS与光纤技术进行比较。由于SAS由SCSI发展而来,在主机 端会有众多的厂商兼容。SAS采用了点到点的连接方式,每个SAS端口提供3Gb带宽,传输能力与4Gb光纤相差无几,这种传输方式不仅提高了高可靠性和 容错能力,同时也增加了系统的整体性能。在磁盘端,SAS硬盘接口协议的交换域能够提供16384个节点,而光纤环路最多提供126个节点。而兼容SATA磁盘所 体现的扩展性是SAS的另一个显著优点,针对不同的业务应用范围,在磁盘端用户可灵活选择不同的存储介质,按需降低了用户成本。

在SAS接口享有种种得天独厚的优势的同时,SAS产品的成本从芯片级开始,都远远低于FC,而正是因为SAS突出的性价比优势,使SAS在磁 盘接口领域,给光纤存储带来极大的威胁。目前已经有众多的厂商推出支持SAS硬盘接口协议的产品,虽然目前尚未在用户层面普及,但SAS产品部落已经初具 规模。SAS成为下一代存储的主流接口标准,成就硬盘接口协议的明日辉煌已经可以预见。

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