兼收并蓄 SATA与SAS技术分析

兼收并蓄 SATA与SAS技术分析

串行时代

　　串行技术的先驱者USB和IEEE 1394已经先后取得了极大的成功，更进一步的无线USB、无线IEEE 1394的标准也在制定当中，而和USB这些外设串行技术相对应的PCI Express内部串行总线也正如日中天，雄心勃勃的Intel正打算推行速度更快、更强的PCI Express 2.0规格，这真是一个串行的时代。

 

Hi-SPEED USB可以达到每控制器480Mbps的传输速率，中央的为Wireless USB，离实用仍有些距离

 

FireWire，或者IEEE1394，目前最高可以提供800Mbps的速率，主要用于高速数码设备，IEEE1394的无线后继UWB技术目前尚不明朗

 

当前显卡的主流串行接口技术：PCI Express，最常见的PCIE x16可以提供8GB/s的双向带宽

　　潮流不可阻挡，DAS（Direct Attached Storage，直接附加存储）的串行华也不能避免，低端的PATA向SATA的 转变早已经修成正果，要不是光存储方面还有不少遗留，现下的人可能已经不怎么记得PATA是个什么东西了，而面向高端的SCSI向Serial Attached SCSI转变虽然起步略慢，但是通过和Serial ATA工作组的紧密合作，Serial Attached SCSI的发展却也不慢，2007年，SAS市场已经初具规模。

 

SATA 3Gbps已经是时下的标准配置，最新的SATA规范版本是2.6

　　SAS和SATA技术上有着很深的联系，关于并行技术的劣势和串行技术的优势，以及SAS技术的各方面技术细节、相关产品的实际性能测试，我们IT168已经有了一个很大的专题《串行SCSI深入技术分析和专题评测》，本篇文章试图从SAS和SATA之间的技术联系以及互相兼容方面入手，期望对SAS架构兼容SATA的灵活性做出一些描述，这对规划中小型企业的存储结构无疑是不无裨益的。

 

SAS呢？

Parallel ATA（并行ATA）在达到PATA 100之后已经差不多达到了极限，Intel早已经意识到了，因此并没有加入之后的PATA 133的行列，而是在2000年2月15日的春季IDF上公布了Serial ATA接口的开发计划，这种新型接口采用串行的点对点连接，细而长的串行线缆可以有效地改善系统布线，传输速率从比PATA更高的1.5Gbps（8bit/10bit编码，合150MB/s）起步，保持先进的架构和强劲的发展潜力的同时，还跟PATA保持着软件级别的兼容，是一个非常理想的替代方案。

　　随后Serial ATA工作组成立了，包括控制卡（APT Technologies）、硬盘（Maxtor、Quantum及Seagate）及系统（Dell、IBM）方面的多个主要厂商。时至今日，其中一些厂商到现在已经成为它人旗下了。

 

　　在2001年8月29日，Intel如约在IDF上发表了SATA 1.0规范，随后各大硬盘厂商开始推出SATA产品，其中以2002年6月24日宣布的首款量产产品——Seagate Barracuda VS为首。第一代SATA硬盘采用了将PATA硬盘通过转接芯片转换为SATA硬盘的方法。

　　之后SATA变开始茁壮成长，时至今日，SATA已经发展到了3Gbps的接口速率，市面上SATA 1.5Gbps界面的产品已经很稀少了。

　　很多人会将SATA 3Gbps和SATA II两个名称相混淆，尽管SATA-IO（Serial ATA International Organization，SATA国际组织，原SATA工作组）一再声称“SATA II并不意味着3Gb/s”，却无法阻止SATA设备提供商在市场宣传中滥用“SATA II”——如“SATA II硬盘”——的现象愈演愈烈。随着SATA 3Gb/s硬盘的逐渐普及，SATA-IO终于下定决心，决定把“SATA II”和“SATA 2.0”都抛到一边，于2006年8月23日在美国旧金山举行的IDF（Intel开发者论坛）上宣布完成了SATA 2.5版本规范。

　　SATA II不是某个单一的规范，而是一组规范的集合——NCQ和 3Gb/s等都包括在内，这也是SATA-IO不希望以“SATA II”来给具体的产品冠名的主要原因。随着SATA 3Gb/s逐渐深入民心，SATA-IO终于将大多数当前关于SATA架构的可用信息都整理进一个单一的文档，形成了SATA 2.5规范，希望能以正视听。

　　SATA 2.5规范收录了原先SATA II所辖的大部分功能——从3Gb/s和NCQ到交错启动（Staggered Spin-up）、热插拔（Hot Plug）、端口复用器（Port Multiplier）以及比较新的外部SATA接口（eSATA）。在www.sata-io.org，用户可以很方便地获得SATA 2.5规范的PDF文档。

最新的消息：

　　SATA-IO（SATA国际组织）于2007年3月6日公布了最新的Serial ATA 2.6规范，这个比SATA 2.5规范更新了1个子步进的规范主要是加入了新的功能定义以及和增强，比较主要的改进包括：

　　1。增强了的连接功能，包括内部细线电缆和连接器，以及用于1.8英寸硬盘的内部微型SATA连接器，以及用于高带宽背板设计的小型SATA内部/外部多路线缆和连接器；

　　2。强化的NCQ（Native Command Queuing，本地命令排队），包括NCQ优先级增强和NCQ卸载增强。

　　按照SATA-IO的传统，SATA 2.6规范可以在SATA-IO的网站上获取，SATA-IO会员可以直接得到，非会员的免费下载则仍需要再经过一段时间。

　服务器行业的SCSI总线疲态已露，虽然SCSI U640的规格可解燃眉之急，然而看到先行者SATA的潜力，未雨绸缪另寻道路无疑是更为明智的，2001年11月26日，Compaq、IBM、LSI Logic、Maxtor和Seagate宣布成立了Serial Attached SCSI工作组，目的是克服并行SCSI技术的缺点，将并行SCSI与Serial ATA的优点相结合，定义一个新型的串行点对点的企业级存储设备接口。

　　紧接着的12月，STA（The SCSI Trade Association，SCSI商业协会）的董事会一致决定接纳Serial Attached SCSI并全力支持SAS的发展和推广。并在稍后的时间内（2002年初）决定了由STA负责SAS规格的市场需求和工业推广。同时SAS工作组的成员还加入了如Dell等这样的大公司。

 

SAS的最终Logo，样式与老版本不太一样

　　2002年4月25日，SAS的第一个草案问世了，5月6日ANSI T10技术委员会就同意接受该草案并立即展开SAS标准的制订工作。SAS工作组和T10技术委员会的工作速度确实非常之快。

　　2002年10月23日，SATA市场初露端倪的时候，Intel向 T10委员会递交了让SAS支持Serial ATA II : Extensions to Serial ATA 1.0的提议（Serial ATA II : Extensions to Serial ATA 1.0的1.0修订版本在过几天，即10月26日正式发布），这直接地导致了本文的出现。

　　到了2003年1月20日，STA在Server I/O 2003上正式宣布与SATA II工作组达成合作，共同致力于SAS与SATA硬盘的系统级兼容。SAS的设计上使用了Serial ATA II : Extensions to Serial ATA 1.0定义的增强型的物理接口设计，并在其基础上运行SCSI指令集，因此SAS的起步速率就从3Gbps开始（SATA II属于SATA 1.0规范的扩展，原始的SATA 1.0设计时就考虑到了3Gbps的传输速率）。

　　2003年7月10日，T10技术委员会公布了SAS 1.1工作草案的第一个修订本，主要增加了4宽度的内部连接器（对应SATA II的Ganged Connector，后面会介绍一下其应用），并增加了链路/传输层重试特性以加速流式磁带驱动器等的性能。SAS 1.1出现之后，SAS进入产品设计阶段。

　　1.1也是现在主流的SAS版本，其下一代——单向传输速率达到6Gb/s的SAS 2.0出现的时间还不是很清楚。

SAS要兼容SATA驱动器，假如接口方面需要互相转换的话，那这样的兼容意义就不大，因此，它们的接口就必须要有一定的物理兼容性。

　　上面是SATA插头/插座示意图，我们都很了解了。SATA插座并不多见，通常我们都是使用分离的SATA数据线和SATA电源线联接。

 

　　SAS的插头/插座跟SATA的很相似，不过SAS天生就具有双端口操作能力，在插头上这么细小的空间内如何多设计出一个端口呢？

　　仔细看看就很清楚了，SAS采用了很巧妙的设计：SAS的插头是一整条的横梁，数据端口跟电源端口是连在一起，第二个SAS端口就在之间的Notch的背后，而在SATA插头上，数据端口跟电源端口是分开的。

 

　　SAS采用了整条横梁的设计，不仅仅多出了一个安放第二个端口的空间，还可以保证SAS驱动器无法插入SATA背板插座（Notch部分会被顶住而无法插入），而相应地SATA驱动器则可以安全地插入SAS背板插座，真是非常巧妙！

为了提升在入门SATA企业应用，提升SATA的背板工作能力，较新版本的SATA增加了多宽度连接器的概念，用于同时提供多个SATA端口带宽。

 

　　Ganged Plug就是这么个东西，不过，SATA并不支持多个端口组成一个端口这样的特性。

 

　　实际上，SAS和SATA的4宽度接口都是一样的，毕竟这个不是直接用于连接驱动器端的接口，然而SATA只能获得4个SATA链路，而SAS则能获得4、2+2、3+1等非常自由的组合。

 

　　eSATA（External SATA，外部SATA）是时下比较热门的概念，eSATA主要用于连接外部SATA设备，eSATA的物理层、协议等都和通常所用的iSATA无二致， 不过电气参数不太一样：eSATA的信号电压范围要高出iSATA一倍，和SAS的信号电压很相似，因此eSATA的传输距离能比iSATA高出一倍，即 达到了2米。

 

　　虽然SAS也能兼容eSATA的插头/线缆，不过eSATA只具有1个宽度的设计，而SAS能提供4个宽度的设计，这可以大大提升带宽，基本上SAS外置端口都是4宽度的。

 

　　4宽度SAS外置接口实物。

SAS使用了SATA的物理层，因此线缆等的实质是很相似的，不过电气上有所不同，通常的内置SATA信号电压是SAS信号电压的一半还少，因此点对点的SAS可以达到8米的距离（当前SAS版本要求的最低距离），而SATA则只能达到1米（eSATA是两米）。

 

　　SAS和SATA在相同的两对LVD传输线中，SAS同时使用两对数据线，一路上行一路下行，而虽然SATA也同时使用了两对数据线，然而在其中一路传输数据的时候，另一路传送的是控制信号，因此实质上SATA是一个半双工的结构，而每一路都包含数据和控制信号的SAS则是真正的全双工结构，这样单个端口上SAS的吞吐量就天生达到SATA的两倍。

　　基本上SATA不存在什么拓扑结构的概念，不过我们可以考虑SATA的Port Multiplier（端口复用器）这样的东西：

 

　　SATA的Port Multiplier允许单个SATA端口连接最多15个SATA设备，然而Port Multiplier的上行和下行速率都是单个SATA端口的速率，当然当前3Gbps的速率联接4、5个SATA硬盘是没有问题的。Port Multiplier不允许级联，只允许一个主机。

 

　　这种外置的SATA价格不菲，可以提供4个SATA的背板联接，提供热插拔等功能。这种设备通常使用内置的Port Multiplier实现功能。

　　假如SATA Port Multiplier可以看作是一个简单的Hub集线器的话，SAS的Expander扩展器则相对于更高级的网络设备，如图所示，Expander分为Edge Expander边缘扩展器和Fanout Expander扇出扩展器（也称为输出扩展器），边缘扩展器相当于一个交换机，扇出扩展器相当于路由器。

 

　　使用了Expander之后，SAS就相当于一个网络了。每一个Expander扩展器可以连接128个SAS或者SATA Phy端口，每个Edge Expander只允许联接一个数量的Expander，只有Fanout Expander允许联接最大数量（128个）的Edge Expander。可见Fanout Expander处于很核心的地位，生产难度也是挺高的。

　　一个SAS域中只允许存在一个Fanout Expander扇出扩展器，这样一个SAS支持的端口数量为128x128=16384个设备，这个数量已经很大了，而且具有不同Phy端口的设备可以建立多个SAS域，形成一个庞大的点对点交换式SAS网络。实际上，现在的Expander产品还带有类似VLAN这样的功能。

　　为了让一个可能多达16384个Phy端口的SAS域顺利地运作，必须有一个足够大的地址分配空间以区分Phy端口。SAS使用WWN（World Wide Name，全局名）作为SAS设备地址来解决这一个问题。每一个SAS端口都存在一个8字节的WWN，WWN由24位的IEEE公司ID和40位制造商标识符组成，因此任意两个设备的WWN都是不同的，这一点上跟每个以太网卡的MAC地址都不同的做法一样。

对SATA的点对点连接而言，并没有什么Initiator（发起者）和Target（目标）的概念，控制器联接存储设备，就这么简单，SATA是单主机架构，控制器是固定的发起者，外围设备则是目标。

　　SAS则不同，发起者和目标都是对等的，每一个设备都可以成为发起者，每一个设备也都可以成为目标，如硬盘可以发起指令，RAID卡可以被动接受数据。SAS中还可以同时存在多个发起者和多个目标，并行工作，SAS的交换式网络结构保证了大规模并行传输的效率。

　　这种结构可以实现很多有趣及有用的功能，如SAS允许一块硬盘直接与其他硬盘建立连接（好吧，不仅仅是硬盘，光存储也是可能的），在没有主机控制器参与的情况下发送SCSI命令，并传输数据。这在备份等工作上显得很有用。

　　此外，两个RAID卡之间也可以直接传输数据，一个不存在硬盘等的真正SAS网络理论上也是可行的！相应地就可以实现RAID卡之间的端口聚合/负载均衡这样奥妙的应用，虽然更为常见的应用应该是容错备份，即两块SAS RAID卡同时连接到同一SAS域中，使用SAS路径互相通信，实现冗余操作。

　　相比之下，多发起者这样的功能是ATA协议这样的单主机结构上无法实现的，因此SAS环境中的SATA硬盘不能实现上述的这些功能。甚至在这样的游戏中参与担当目标的角色也很困难，虽然SAS规范并没有限制SAS硬盘担当发起者控制SATA硬盘并与其进行通信的能力，不过这样SAS硬盘就要内置STP、SATA发起者协议的支持，从当前看来是可行性和必要性都不高的。

　　如前面所述，SAS环境是支持多发起者、多目标的，而SATA只支持单发起者/单目标，除了硬件上的兼容之外，还要在软件层次上转化这个发起者、目标的差别。

 

　　在提供SCSI和ATA/ATAPI命令运行的基础之上，SAS定义了SSP、STP、SMP（上图并没有显示出来）这3个协议：

　　1。SSP（Serial SCSI Protocol，串行SCSI协议），让SCSI运行在增强的SATA物理层上。

　　2。STP（Serial ATA Tunneling Protocol，SATA隧道协议），封装SATA命令，让SAS发起者能通过扩展器与SATA设备通信，并为SATA增加多目标寻址和多发起者访问功能。

　　3。SMP（Serial Management Protocol，串行管理协议），用于发现和管理Expander扩展器以及背板设备。

　　在这三个协议中，对SAS/SATA兼容性之中其关键作用的自然是STP（SATA隧道协议），它的任务就是让多发起者能够直接地，或者通过扩展器访问SATA目标。STP在发起者及与连接SATA设备的扩展器端口（STP目标端口）之间建立起一条隧道，传输标准的SATA 1.0帧，当SAS控制器直接连接SATA设备的时候，控制器发起者可以直接使用SATA协议。

　　在建立STP隧道之后，在 SATA设备看来，自己连接的就是一个SATA主机适配器，STP隧道相关设备并不关心传输的SATA帧的内部内容，只需要知道STP目标端口的WWN即 可。为了支持多发起者，STP目标端口就需要保存多个STP发起者/SAS WWN地址，以便将SATA设备发来的数据返回到正确的STP发起者。

　　为了知道连接的设备是SATA还是SAS，在连接初始化的时候，SAS发起者（SAS控制器或者扩展器，当然一个SAS硬盘也是可能的）发送一个OOB（Out of band）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，因此能否生成COMSAS脉冲就是判断SAS还是SATA的依据。在SAS协议中任何设备都可以作为发起者，主动送出COMSAS脉冲，向目标（主机适配器）表明身份，SATA硬盘不支持COMSAS脉冲，当然，也不支持作为发起者。

　　在整个系统中，与SATA设备连接的SAS主机适配器或者SAS扩展器进行了SATA的隧道操作，SATA设备始终以为自己通过正常的流控机制直接连接到某个SATA主机适配器上，而主机的上层应用程序并无须理会自己使用的是SATA硬盘还是SAS硬盘，从而实现了无缝的集成。

　我们已经看到，SAS具有的多级交换架构十分优秀，具有的多种优点，让其成为了并行SCSI成功的继任者，在近距离的DAS内，可以顺利替代并行SCSI和高端的FC（Fibre Channel，光纤），兼容SATA的特性也让其可以延伸到几乎接近桌面系统的程度，这给企业存储带来了一种新的前景。

　　由于FC仍然具有稳定高速、传输距离大（10公里）的优势，因此在高端存储市场上，将会有SAS和FC并存的现象，在中低端市场，SAS可以获得很广泛的应用范围。

 

SAS与SATA在企业级市场共存前景

　　机会来自于一些低端的存储系统其实对性能的要求并不高，和一些系统对备份参考数据应用的需求。所谓参考数据，是指重要但不频繁访问的归档/备份 等数据，这种应用强调每兆字节最低购置成本以及可扩展性，如一些国家法律要求的企业需要保存数年的数据来备查。随着近年Near Line系列SATA硬盘的产生（WD的Caiver RE/RE2系列以及Seagate的NL系列），SATA硬盘的可靠性也得到了提升，应付一部分的企业需求不成问题。

　　还有一种情形是，一些刚具雏形的企业，初期并不需要昂贵、快速的SAS RAID存储系统，这时，通过先考虑在SAS环境中部署入门级的SATA，并可以根据需要随时扩展、过渡至SAS。SAS良好的扩展性、可伸缩性使得存储系统可能随着企业的增长而发展。

　　当前业界也反映出在同一阵列中混合高性能SAS和低成本SATA的趋势，这从2007年第一季度，SAS领先者LSI科技收购SiliconStor可见一斑。SiliconStor提供SAS和SATA联接的多路复用芯片。

 

　　从应用上来看，SAS硬盘的性能和功能更强，而SATA硬盘的容量和性价比更优，在SAS环境中可以同时使用SATA硬盘，而SATA环境中则不然，因此部署SAS环境，并同时使用SAS和SATA设备，建立分层存储，依靠着SAS灵活、强大的扩展能力（16384个设备），对各种层次的企业应用都是一个很好的解决方案。