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用SAS构建高性能存储
LSI公司王岳忠

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随着智能手机与平板电脑的热销，一个新的移动时代已经进入到我们的生活。与此同时，移动应用与服务的模式也正向云计算发展，即将大量的存储与运算工作交给远程的数据中心来完成，让移动终端既能随身携带又不会感到任何负担。让云存储浮上台面的另一个驱动力，就是数字娱乐需求的兴起。越来越多的人喜欢通过网络看影片或是玩在线游戏，这些内容都相当庞大，也使得云存储的数据量与日俱增。预计到2016年，对存储容量的需求会激增60%。除了个人应用，企业应用也具有同样的发展模式。这些用户都不希望局限于对数据进行个别存储，而是将数据存放在云端，同时还能满足备份、版本控制和数据加密等功能需求。然而，在将数据大举转移到云端之前，有一些问题还是必须先弄清楚，例如，建立云数据中心或使用云服务的成本高低、是否安全、容量大小、效能高低以及是否真的可靠等等。就整体而言，不论对个人还是企业，用来存储数据的方式都增加了，除了传统的硬盘和光盘外，还有闪存和SSD可供选择；对于存储架构，则可选择DAS直接存储来提高存储性能，或采用SAN/NAS网络存储来获得更好的存储灵活性。随着选择的增加，大家开始有分级存储的概念，也就是将不同性质的内容放在不同的存储媒介中，以降低存储成本、提高安全性或者提升性能。数据分层的判断标准包括数据的安全等级、性能需求、读取速度要求、云环境和网络服务器应用等等。本文将通过介绍PCIe、SATA及SAS三项技术的发展现状，发掘存储应用的未来趋势。 PCI Express技术发展 PCI Express(PCIe)继承了PCI计算机总线规范，可以通过串行通信系统为计算机内部总线提供更高的传输速率。经过多年发展，目前已经几乎取代了原有的AGP和PCI总线技术，特别是在绘图卡的连接方面。不过，如今的2.0版本已不够用，而且很快也将进入更高速的PCIe 3.0版本时代。比较PCIe三代技术的演进，可以看到传输速率每代都会翻一倍，每通道带宽从250MB/s增加到500MB/s，到3.0版本已达到约1GB/s的高速带宽。目前存储主机总线适配器(HBA)和RAID控制卡大都使用PCIe x8链路，因此，进入到3.0时代，传输带宽将达到约8GB/s。在技术的演进发展方面，PCIe 3.0的最大改变在于编码方式。在物理层，PCIe 1.x及2.x采用常见的8B/10B编码方式来确保连续的1和0字符串长度符合标准。这样能够保证接收端不会误读，不过，此方案会占用20%的总带宽。到了PCIe 3.0，采用128B/130B编码方式则仅占用1.538%的总带宽，这便能够有效提升实际可用带宽。但在同时，这种改变也带来了设计上的挑战。开发商必须确保自己的产品能够向下兼容，并且还能与其他产品互连互通。不过，大家仍在等待Intel公司CPU及芯片组的正式支持，才能真正打开这个市场，并进行兼容性的实际测试。 SATA技术发展取代PATA的SATA(串行ATA)总线，其主要功能在于实现主板和大量存储装置(如硬盘和光驱)之间的数据传输。除了传输速率获得提升以外，SATA的优势还包括支持热插拔，以及使用嵌入式频率信号，具备比以往更强的纠错能力，而能够对传输指令(不仅是数据)进行检查，并且，如果发现错误则会自动矫正，从而提高了数据传输的可靠性。 SATA称其封包为帧，并称帧的内容为帧信息结构(FIS)，其采用封包式I/O的好处是编码及译码均采用硬件运算，因此速度非常快；此外，包括指令、数据以及状态信息等都通过相同路径进行传送，从而使稳定性大为提升。在SATA的串行引擎中有三个处理层次，分别是传输层、链路层和物理层。这三层分工合作，能够实现高速传输。 SATA至今已有3个发布版本，在传输速率上从150MB/s提升到2.0版的300MB/s，以及最新3.0版的600MB/s，它们编码上均采用8b/10b方式。虽然SATA的传输速率大幅提升，但事实上由于硬盘本身限制，通常只能达到120MB/s。因此，3.0版本对于SSD固态硬盘的应用更有意义，它能达到400MB/s以上的传输速率，可让SSD充分发挥存取性能。 SAS技术发展 SAS(串行连接SCSI)支持SCSI命令传输，因此兼容SCSI-3架构；此外，其也可以说是SATA的孪生兄弟，二者的扁平电缆相互兼容，SATA硬盘可连接SAS接口。不过，相对于SATA一对一的架构，SAS允许多个端口集中在单个控制器上，既可以将其内建于主板当中，也可以另外添加。该技术建立在强大的并行SCSI通信技术基础上，这种扩展性更适合企业数据存储使用。 SAS的传输协议可分为三种：用于传输SCSI命令的序列SCSI协议(SSP)、用于传输SATA资料的SATA通道协议(STP)以及用于对SAS设备进行维护和管理的SCSI管理协议(SMP)(图1)。在SAS的拓扑由发起器(Initiator)、目标设备和扩展器共同组成，其中发起器通常是服务器或HBA卡，目标设备可能是硬盘，扩展器则是SAS交换机。（图片）从发起器到目标设备的路径可能经过多个扩展器，也就是需要经过多个连接器与线路的实体链接。在SAS架构中的端口可包含一个或多个PHY接口，每个端口包含一个独一无二的64位地址。含多个PHY的端口称为宽端口(wide port)，只含一个PHY的则为窄端口(narrow port)。第一代SAS支持150MB/s及300MB/s的传输速度，Wide Port(x4)的总带宽可达1.2GB/s，第二代则倍增为600MB/s及2.4GB/s，新一代SAS 3.0的带宽则会进一步翻倍。由于SAS具备全双工能力，因此上述的传输速度可以加倍；此外，多个SAS链路可以一起使用，也就是可以将带宽相加(带宽聚合)，因此，四个6Gb/s并用后带宽可以大于48Gb/s(96Gb/s全双工)。 SAS由ANSI T-10技术委员会开发及维护，该委员会致力于推动SAS和SATA的兼容性，以及开发更高速技术和推动其他功能的发展。此标准与PCI-SIG密切结合，有许多公司同时参与两个标准的制定工作。SAS-1在2005年推出后，成功取代了旧的pSCSI技术，此后持续进步，在2009年推出的SAS-2改进了RAS技术，也提供了更高的可靠性；今年又推出了SAS-2.1，能提供更强大的连接性能。展望未来，新一代的SAS-3已在积极制定之中，并将向12Gb/s迈进。SAS-3的出现将进一步发挥SSD的性能，并通过HBA同时连结8个SSD，让工作效率得到进一步提升。同样，SAS-3也能让HDD硬盘具有更高的运行表现，可以通过HBA加上一个扩展器的方法实现高达24块硬盘的连接性能；若采用两个扩展器，性能还可以加倍。 SAS应用契机在企业HDD硬盘存储应用上，SAS已成为替代光纤的重要选择。它能够提供全天候的存储应用，并通过两块HDD来提高传输速率和实现故障恢复(fail-over)功能，因此，可将其作为服务器DAS或后端存储系统使用。利用SAS扩展器及开关可以实现相当高的扩展性，同时具备高可用性和高带宽，以及易于设定和管理等优势。对于机架及刀片服务器或外部存储应用来说都是很好的选择方案(图2)。（图片）这种交换式SAS具有众多优势，与10Gbe iSCSI或8Gb FC相比，6Gb/s SAS x4能将延迟大幅缩减逾20倍及将每条连接带宽提升3倍，每个交换端口的功耗则可以降低9倍。以刀片服务器的外部存储应用为例，交换式SAS架构的优势包括：能提供集中式管理，多个服务器对单个或多个存储磁盘簇(JBOD)，更强的扩展性能，与操作系统无关，可采用DAS或分享存储架构，以及支持基于端口的分区和驱动器槽分区等。在标准高容量服务器的SAS应用中，内部存储可以通过扩展器来扩充，并且能够提供稳定的6Gb/s SAS性能，可扩展的I/O性能，高可靠性和良好的冗余性。此外，通过点对点序列技术，接线方式变得更加简单，而且SATA、SAS和SSD可以兼容地构建在一起。对于数据库、数据挖掘或HPC等不同的存储应用来说，分层式的存储架构是主流设计趋势(图3)。在强调高性能的关键性应用中，可以采用SSD来提供最高I/O传输速率；对于强调性能但非关键性的任务来说，则可采用SAS HDD作为次一级的层次；对于纯数据存储来说，则可采用高容量的SATA HDD方案。（图片）本文小结依据不同的需求配置最佳的存储架构已成为一门专业的学问。总的来说，SAS能够提供更理想的服务器存储架构，可将更多服务器进行集中管理，并且还能分享存储内容。不论是服务器或存储应用，都可以采用机架或刀片式方案。在性能上，SAS有助于提高可用性及全备援性能。下一代的传输带宽将会倍增，而点对点连接则可满足SSD对高速传输的需求。随着未来不断演进发展，SAS开关方案将会用于各种新的应用领域，而新的协议将会支持可扩展的硬件RAID应用。 1/10/2012


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