计算机I/O技术汇总

 计算机I/O技术在高性能计算技术的发展中始终是一个十分重要的关键技术。其技术特性决定了计算机I/O的处理能力，进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。近年来随着高端计算市场的日益活跃，看似平静的高性能I/O技术之争也愈演愈烈。尤其是当计算机主机速率与总线速率的矛盾日益突出时，新的总线技术便应运而生，计算机I/O技术的发展开始让我们眼花缭乱。如PCI Express、InfiniBand、HyperTransport、RapidIO等高性能I/O技术的发展令人注目。而广泛应用于网络存储、高性能集群及并行计算系统的I/O技术，如Fibre Channel、SCSI Parallel Interface（SPI）、Serial Attached SCSI（SAS）、iSCSI等，更使计算机总线技术远远超出“连接功能部件”的范畴。

（1）PCI Express

    PCI Express（3GIO）是一种新型串行Point-to-Point I/O总线体系。其基本目标有两个：一是提供chip-to-chip级互联的局部总线，二是以较低的开销升级现有的PCI架构性能。这一串行总线的根本动机就是通过少许引脚来实现高带宽数据传输，而不是像并行PCI或PCI-X那样。据PCI-SIG（Special Interest Group）最新公布的数据，PCI Express目前可以达到的单路单向速率是2.5Gb/s。也就是说可提供高达200MB/s的带宽，近乎是典型PCI2.2速率的2倍。今后随着硅片技术的不断发展，单路单向的数据传输速率可望突破10Gb/s，几乎达到铜介质数据传输率的极限值。此外，PCI Express通过增加信号线对还可组成X1、X2、X4、X8、X16、X32等多路I/O总线，这样一来其所能达到的峰值带宽简直是无法想像的。在提供了更高带宽的同时，PCI Express还提供了对PCI和PCI-X软件的兼容支持， 和对chip-to-chip级、I/O适配器之间以及对IEEE 1394、USB 2.0等附属接口的支持。PCI Express的兼容特性在很大程度上维护了投资者的利益，其高性能又大大刺激了投资者的热情。由此可见，PCI Express技术必将有着更为广阔的发展空间。

（2）InfiniBand 

    InfiniBand是一种致力于服务器端而不是PC端的高性能I/O技术。随着对称多处理器（SMP）、集群计算、网格计算以及远程备份的广泛应用，基于PCI架构（主要指PCI、PCI-X）的I/O技术的缺陷日益突出，而一旦InfiniBand完全建立起来，它将会使大规模水平伸缩性和集群节点之间I/O的透明共享成为可能。

    InfiniBand 从根本上区别于PCI-X的原因在于，后者是严格意义上的局部总线互连技术，而InfiniBand则是一种把网络技术引入I/O体系之中的高级互连技术，它主要用于连接服务器、网络设备和存储设备。InfiniBand用高带宽的交换式网络布局取代基于总线的PCI，并把I/O控制的责任从处理器移到了智能的I/O引擎。其目标不是用来升级现有的PCI总线结构，而是要充分发掘现有PCI-X或PCI Express总线的带宽性能。 

    InfiniBand所支持的关键特性决定了这种I/O技术远胜过基于局部互连的PCI-X或PCI Express等技术。InfiniBand在硬件中提供了高可靠的传输层级别的数据传输，在导线上支持消息传递和主存语义，且基于I/O通路共享机制的InfiniBand从根本上提供了一种连接计算机的新途径。通过InfiniBand连接大量的服务器可以达到各种存储设备的共享。InfiniBand必将成为服务器领域的首选I/O架构。也正因为InfiniBand的卓越性能，使它得到了Dell、HP、IBM、Intel、Microsoft和Sun等世界著名计算机公司的大力支持。  

（3）Fibre Channel 

    Fibre Channel（光纤通道，FC）是一种高速度、高可靠、低延迟、高吞吐量的串行数据传输接口，它可广泛应用于高性能存储、大规模数据库、存储备份与恢复、集群系统、网络存储系统和数字视频网络等领域。Fibre Channel被称为多种高层数据协议的传输载体，其中尤以传输SCSI和IP数据为主。它作为载体传输高层数据协议的过程，实际上就是一个把高层数据协议映射到FC物理层传输服务的过程。Fibre Channel仅定义了连接外部设备和传输数据信号的物理方面，实现了数据分发与数据内容的有效分离。也就是说，它只关心数据的传输，这就为其传输多种数据类型提供了便利。 

（4）HyperTransport

    HyperTransport是一种为主板上集成电路互联而设计的高性能总线，它主要定位于硅器件的连接技术，用于在离散的硅器件之间提高可靠性和连接速度，以便为内存控制器、硬盘控制器以及PCI总线控制器之间开拓出更大的带宽。HyperTransport最初由AMD公司研制，主要是面向IT业和电信行业，但对任何需要速度快、响应时间短的应用都适用。它的设计目标是提供比目前的技术更高的带宽和更短的反应时间，并与标准的PCI总线相兼容。HyperTransport的峰值带宽可以达到51.2GB/s，这种速度极快的总线技术与现有的PCI和正在兴起的InfiniBand形成很好的互补关系。有人认为，HyperTransport必将在下一代服务器和一些通信设备内部互连方面占有一席之地。

（5）RapidIO 

    RapidIO是基于数据包交换结构的下一代互连技术，它能在同一协议下同时进行一般情况下的多进程I/O处理和分布式I/O处理，主要定位于超高性能系统中的芯片之间和模块之间的互连。RapidIO将软件透明度、可升级性和芯片尺寸最小化放在优先考虑的位置。RapidIO支持所有的微处理器和I/O配置，其所用的低电压差分信号传输（LVDS）技术能够达到几千兆Hz的速度，并且总线宽度高达16位乃至更多。由于RapidIO协议是由硬件实现的，因此实现了高带宽、低延迟，它可在8位字宽的数据通道上提供10Gb/s的总带宽。RapidIO 在向单板子系统之间的内部通信提供高速机制方面与HyperTransport技术相似，只是HyperTransport技术能提供更大范围的灵活性和更大的总线带宽。

（6）SPI 

    我们通常所说的SPI（SCSI Parallel Interface）是指并行SCSI，它是SCSI-3协议族中的一员。目前已投入应用的最高版本是SPI的第四代（SPI-4），即商业领域统称的Ultra320 SCSI。目前，SPI的第五代也在不断完善之中。

    SPI标准是从最初的SPI-1不断发展起来的。最初的SPI-1只定义了20MHz的总线信号，可提供40MB/s的速率，它在1996年就被SPI-2替代了。SPI-2除了将信号频率由20MHz提升到40MHz外，还定义了一些新的特性，包括低电压差分信号传输、多模式操作和高密度连接器等。1998年推出的SPI-3又在SPI-2的基础上，将信号频率由40MHz提升到80MHz，并定义了循环冗余校验（CRC）、域确认机制、快速仲裁选择（QAS）和包封装SCSI机制。

    2001年问世的SPI-4进一步将SPI-3的信号频率由80MHz提升到160MHz，同时增加了读写数据流和流控制机制。 

    20多年来，SCSI应用的广度和深度都在不断拓展，被誉为总线界的长青树。目前，无论是SPI-4还是SPI-5，在充分继承SCSI传统优势和不断提高信号频率的同时，广泛采用了CRC、包封装SCSI、QAS和流控制等一系列新技术，使并行SCSI的整体性能得到大幅度提高，且更加安全可靠，为并行SCSI更好的应用奠定了坚实的基础。

（7）SAS

    SAS（Serial Attached SCSI）是新近问世的一种备受业界关注的高性能串行存储接口技术，它将SATA高效的串行电气接口、光纤通道快速的交换架构和并行SCSI完善的指令系统集于一身。近年来，随着并行存储接口的复杂性不断增加、可扩展性有限、速率很难提高等问题的不断加剧，存储接口的串行化已成为未来高性能I/O技术的大趋势。事实上SAS的多级交换架构也明显地优于并行SCSI、SATA和FC-AL。

    基于串行接口的SAS实现了对现有并行SCSI的有效逻辑兼容，其域、设备及端口完全继承了SCSI的相应概念，但将点对点连接的距离延长至10米，而连接对象也不再局限于启动设备或目标设备。在一个SAS域中，任意两个设备之间最多可以有3个扩展器, 每个扩展器可连接64台设备，一个SAS域最多可连接4096台（64×64）设备。同时SAS还允许两个设备间建立基于多条物理连接的所谓宽物理连接，为服务器和网络存储等领域提供了大数量设备、高带宽和可扩展性支持。

（8）iSCSI 

    iSCSI是随着因特网技术不断发展应运而生的一种，可利用TCP/IP网络传送SCSI命令和数据的，基于网络结构的I/O技术。iSCSI既因特网SCSI可帮助用户无需花费FC那样的高代价就能构建高速存储网络。iSCSI规定了软件在互联网上传送SCSI包和在长距离上管理存储时，如何处理SCSI数据包以及如何在TCP/IP命令中封装它们。由于IP网络的灵活性，iSCSI可以在局域网、广域网或Internet上传输数据。 

    iSCSI的工作原理与SCSI大体类似，只是在使用iSCSI协议时，要用iSCSI启动器对文件系统解析出的SCSI命令进行封装，再打上TCP/IP报头，然后通过以太网传输到iSCSI目标器。iSCSI目标器在收到数据包后按照相反的方向进行解包，拆分出SCSI命令，并通过iSCSI主机总线适配器访问SCSI磁盘。iSCSI协议对数据的封装与TCP/IP协议对数据的封装区别不大，惟一的区别只是在数据域之前增加了一层封装，这种封装就是iSCSI封装。  

    此外，为了保证iSCSI协议在IP网络上的可靠传输，iSCSI还定义了命名机制、会话管理、差错处理和安全保证等功能组件。其中命名机制用于规定iSCSI节点的命名方法，以便地将IP地址与TCP端口进行绑定；会话管理用于通过登录过程来建立或中断TCP连接；差错处理用于在发生数据传输错误时可以恢复原来的数据；安全保证用于定义一些安全传输方法，如iSCSI登录阶段就提供了终端设备之间都支持的握手协议的文本域。如果握手成功，iSCSI设备之间的PDUs交换将按照适当的安全要求格式实现。

（9）SATA  

    SATA（Serial ATA）是一种完全不同于并行ATA的新型接口，由Intel和希捷公司共同研发推出，已于2001年8月29日，正式发布了SATA 1.0规范，目前SATA规范正在迈向更进步的Serial ATAⅡ标准。SATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，而下一代SATA 标准的数据传输率将达到300MB/s，其最终将实现600MB/s的最高数据传输率。这种新型接口采用串行点对点连接，并采用了一种新的星形拓扑结构，使每个设备可独享全部带宽，从而避免了总线仲裁/冲突的开销，大大提高了传输速率。SATA的最大特点在于其信号线和引脚的数量极少，仅有2对数据线和3根地线共7个引脚。此外，SATA还具备热插拔能力，成本也比并行ATA更低。  

    为了加速SATA标准的开发，2002年Intel成立了SATA Ⅱ工作组。其主要任务是开发SATA Ⅱ规范，以增强SATA在服务器和网络存储市场的竞争力并提供更高的信号传输率。SATA Ⅱ在SATA 1.0基础上进行的诸多扩展中，除本机命令队列和识别设备/设置功能外，都是专门为子系统服务的。同时通过对智能输入/输出和智能平台管理总线技术的支持，进一步完善了SATA的可管理性。SATA Ⅱ规范的制定分两个阶段实施，第一阶段（2002年6月至2003年6月）主要是改进SATA 1.0以适应服务器和网络存储的要求；第二阶段（2003年6月至2004年）主要是针对更高端网络存储市场需求定义第二代信号传输率，最终实现传输速率翻番，达到3Gbps。