存儲接口技術

存儲接口技術之串行ATA和SAS解析目前大多數(shù)計算機硬盤驅(qū)動器都采用并行ATA接口傳遞數(shù)據(jù)，但隨著人們對傳輸速度的要求越來越高，并行ATA已不能滿足實際需要，于是業(yè)界提出了串行ATA方案。一、串行ATA基本特性ATA是目前業(yè)界主要的硬盤驅(qū)動器(HDD)接口，根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)2002/03年的預測，TA接口市場預計2003年約為1.9億套，所有出廠硬盤驅(qū)動器中有90%都采用這種接口。到2006年，IDC預計ATA發(fā)貨量將增加到3.1億套以上，并繼續(xù)占據(jù)所有硬盤驅(qū)動器90%比例。很明顯，在可預見的未來市場將繼續(xù)需要配備ATA的硬盤驅(qū)動器。串行ATA的設計使其對主機系統(tǒng)軟件層透明，允許現(xiàn)有的操作系統(tǒng)、設備驅(qū)動程序和應用軟件無需修改就可執(zhí)行。接口是一個四線點對點結構，每個控制器連接支持一個設備，所以它沒有并聯(lián)ATA那樣的主/從配置跳線問題。這種接口可大幅度減少并行ATA的接腳端數(shù)量，纜線更小將有助于氣流并改善纜線布線。串行ATA層次結構串行ATA功能分為4層，從下到上依次是實體層、鏈路層、傳輸層和應用層。傳輸層和鏈路層控制全部作業(yè)，應用層設計為與并行ATA相同，這樣保持了軟件的兼容性，實體層則處理與設備之間的高速串行通訊。串行ATA能傳輸所有ATA和ATAPI協(xié)議，并設計為與將來ATA標準前向兼容。此外，它還提供了對ATA加以改進的機會，如改善本地隊列等。下面我們對各個層分別進行介紹。1．實體層串行ATA實體層(PHY)采用低壓(250mV)差分訊號，可使速度達到1.5Gbps以上，規(guī)劃是十年以后達到6Gbps。有兩組差分對，一組用于發(fā)送，一組用于接收。實體層包含了串行器/解串行器，提供段外(00B)訊號并處理加電順序和速度協(xié)商。傳輸數(shù)據(jù)用10位字符進行串行化處理，接收數(shù)據(jù)則解串到10位字符，設備的狀態(tài)將反饋到鏈路層。該接口支持纜線(最長1米)和背板連接。連接器設計成盲對接，具有錯列的觸點以便于熱拔插。它有三種電源電壓，分別是12V、5V和3.3V，第一代纜線和連接器設計為支持未來的3.0Gbps速度。連接器位置和接口對5.25、3.5和2.5英寸設備都可以使用，這樣在一個機架里可支持多種形式的設備，下圖顯示了串行ATA接口用在不同尺寸設備上的連接器位2．鏈路層鏈路層負責發(fā)送和接收幀、控制訊號基元和進行流控制。鏈路層包含一個原字符編碼/譯碼器、8B/10B編碼/譯碼器、32位CRC運算器、數(shù)據(jù)密碼轉換/譯碼轉換器和層控制器。3．傳輸層傳輸層把ATA和ATAPI信息打包或打開到幀信息結構中，傳輸層也處理FIFO或緩沖存儲器以控制數(shù)據(jù)流。4．應用層應用層透過一個緩存器接口與傳輸層相互作用，即相當于傳統(tǒng)并行ATA主配接器提供的那種，同時它還定義了一個影子緩存器塊使其既能與并行ATA兼容又能與將來預期擴充兼容，所以其軟件可與并行ATA設備后向兼容。二、SAS技術解析與其它存儲接口技術如光纖管道和串行ATA類似的串行SCSI正在成為主流的串行技術。對許多需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屡d應用來說，串行技術將解決傳統(tǒng)并行技術所面臨的性能瓶頸問題。SerialAttachedSCSI(SAS)技術將大幅改變企業(yè)存儲系統(tǒng)內(nèi)部架構，并在2009或2010年成為主要標準。由于成本降低和效能的提升，SerialAttachedSCSI磁盤將取代SCSI甚至部分光纖磁盤，晉升為未來企業(yè)存儲系統(tǒng)或服務器磁盤的主流。串行連接SCSI(SAS)這種新標準是SCSI接口從16位并行總線方式(Ultra320)向速率為3.0Gbps的差分串行鏈路的發(fā)展。SAS目前的速率是3.0Gbps,在未來幾年內(nèi)，預計還會成長到12Gbps。并行總線會受到模擬效應所產(chǎn)生的一些不良影響，例如串擾，地面反彈，鈴聲／反射和頻率偏差。推動并行技術向越來越高的速度發(fā)展更加劇了這些模擬故障現(xiàn)象，對必須保證向后兼容過去的并行技術的設計產(chǎn)生了較大的約束。

為了紓解與高速并行總線相關的大量設計問題，串行連接SCSI（SAS）使用低電平差分信號。低電平差分信號要求每個信號通過兩條電線傳輸。如圖所示，第一條線路傳送信號本身（正），而第二條線路傳送信號的反向值（負）。接收設備會根據(jù)兩條線路之間的差分電壓進行譯碼，但會忽略兩條線路之間的普通直流電壓。任何進入串行鏈路的噪聲對兩條線路而言都是一樣的，都將被看作普通模式電壓被過濾。而且，兩條線路上任何直流電平的轉換都不會影響接收機對信號譯碼的能力。與高速并行總線相比，差分信號方式對噪聲具有極佳的屏蔽能力。+-Si^iislV(ece^erbransmltterPhysical帕Dtffereniialpair、-湘鑿忤 ]+-Si^iislV(ece^erbransmltterPhysical帕Dtffereniialpair、-湘鑿忤 ]TransceivertraremetierDifferentialsignalpairTrarracer/er從高速并行總線向高速差分串行鏈路實現(xiàn)方式的轉變對兩個設備之間互聯(lián)所需要的物理線路數(shù)量有極大的影響。Ultra320的16位寬總線被兩條線路所取代。于是路由得到簡化,連接器變小，從而產(chǎn)生了新一代密集式設備，如圖三所示之外形小巧的（2.5吋）硬盤驅(qū)動器。SerialSerialnriar1SerialSerialnriar11 ——|噩*I.tM■「powersignalpowersignalLfigacyRowervendor%iecrfic)In0mpariB6n^SAS無需同Ultra320一樣采用專用于頻率的單獨信號線。在串行接口中，頻率嵌入到數(shù)據(jù)流當中。接收機電路具有從傳輸數(shù)據(jù)中析取頻率并連續(xù)追蹤頻率的內(nèi)建功能。因此，串行鏈路不會受到在高速并行總線方式中突出的頻率偏移問題的影響。

高速串行接口最重要的優(yōu)勢之一在于點到點的連接拓撲。每一個主機或源點都與目標或目的地直接相連。每條鏈路獨立操作，不會共享頻寬。而且，鏈路的點到點特性保證了鏈路上只有一個接收機，并且該接收機位于傳輸線路的終點。gcsiecgiHDDgcsiecgiHDDFDD在此項配置下，有可能實現(xiàn)接近完美的結果，不必要的反射也被清除。如圖所示，在SCSI并行總線方式下，可以將兩個目標設備連接到并行總線上。該配置降低了隨著總線速度提高時，數(shù)據(jù)路徑導致的較大的反射。串行互聯(lián)技術與并行互聯(lián)相比，能提供更多的性能優(yōu)勢，包括用于完整的頻寬操作的點到點互聯(lián)應用。另一方面，以這種技術實現(xiàn)的組件所需的引腳數(shù)量較少，因此可實現(xiàn)較小的體積和更密集的系統(tǒng)。三、SATA&SAS就目前市場而言，硬盤約可分為ATA、SCSI與光纖硬盤，傳統(tǒng)企業(yè)級存儲由于效能及穩(wěn)定性考慮，以SCSI與光纖硬盤為主要存儲平臺，ATA硬盤則多用于非關鍵數(shù)據(jù)存儲或一般桌上型計算機，不過SATA硬盤的興起正逐漸改變企業(yè)存儲硬盤型態(tài)。SATA硬盤雖以取代ATA為主要目的，但由于容量價格比的優(yōu)勢，和足以提供企業(yè)存儲的效能，SATA硬盤也成為企業(yè)存儲平臺的選擇之一，目前低端企業(yè)存儲采用SATA硬盤的比例也逐漸擴大。不過SAS硬盤改變企業(yè)存儲硬盤平臺將更為劇烈。以SAN或NAS等外接網(wǎng)絡存儲產(chǎn)品而言，2004年業(yè)界一般尚認為未來將走向低端存儲產(chǎn)品以SATA取代SCSI硬盤，而中端至高端產(chǎn)品將由光纖硬盤主宰。但存儲系統(tǒng)價格快速下滑等因素卻讓業(yè)界對SAS硬盤態(tài)度大幅改變。在產(chǎn)品價格快速下滑的壓力下，存儲系統(tǒng)廠商勢必透過更具成本優(yōu)勢的技術制造存儲系統(tǒng)，而SAS硬盤正是符合這種需求的產(chǎn)品。此外，SAS硬盤系統(tǒng)和SATA的兼容性，及iSCSI連結標準的興起，也都會推動sas硬盤成長。對于存儲系統(tǒng)廠商而言，SAS技術還有簡化內(nèi)部連結設計的好處。存儲系統(tǒng)廠商目前投注相當多成本以支持包括光纖磁盤陣列、SATA磁盤陣列等各種不同存儲設備，SAS連接技術將可透過共享組件降低設計成本，此外，未來SAS連接技術還可向下兼容SATA硬盤，IT人員將可更有彈性的擴充存儲系統(tǒng)。由于SAS的實體層和SATA兼容，使用者將可選擇讓系統(tǒng)采用SAS硬盤、SATA硬盤，或者是兩者兼用。對于一些需要大容量低成本的應用，IT經(jīng)理可以選擇SATA硬盤；高數(shù)據(jù)傳輸率的效能導向應用則可選擇SAS硬盤。這所提供的高可用性、高彈性，以及擴充性,讓單一機柜可以一躍成為資料中心存儲建設的共享基礎。四、產(chǎn)品推薦有鑒于此，網(wǎng)虎公司推出了基于高端SATA接口網(wǎng)絡附加存儲設備NAS9500-SATA，該系統(tǒng)采用嵌入(Embeded)式技術，更增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，搭載了Intel的中央處理器，最多可容納12顆SATA熱插拔硬盤，同時具備有兩組Gigabit網(wǎng)絡接口，透過內(nèi)建的WEB管理接口讓管理者可以遠程輕松設定，并提供有大量建立賬號的功能，讓需要多人使用的環(huán)境下也可以方便快速建立賬號，也支持PDC/ADS、NIS、LDAP等不同方式的使用者認證。近幾年來數(shù)據(jù)成長速度急遽暴增，其中企業(yè)數(shù)據(jù)是成長最快速的項目，以電子郵件為例，估計企業(yè)電子郵件使用者平均每天發(fā)出與接收76封電子郵件，而1家5萬人的企業(yè)，每星期將有1，900萬封訊息信件，1年將產(chǎn)生近10億封電子郵件，可見企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)相當可觀；有鑒于此，網(wǎng)虎NAS設備特別追求高效能及高容量的數(shù)據(jù)存儲效能，所有NAS設備均具備有熱插拔功能的硬盤抽取盒，可容納12個S-ATA硬盤，存儲容量更可突破2TB限制，并提供RAID0、1、5的磁盤陣列技術提供快捷存取、容易管理和穩(wěn)定的多重協(xié)議跨平臺檔案存取的網(wǎng)絡存儲功能。操作系統(tǒng)部分，網(wǎng)虎NAS采用Linux嵌入式技術(EmbeddedSystemTechnology)開發(fā)，存放于64M的DOM(DiskOnMoudle)上，除不易受病毒及黑客攻擊外，當操作系統(tǒng)毀損時也不會影響到數(shù)據(jù)的保存，透過備用的DOM并可以快速開機恢復使用，大大提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)安裝與管理方面，則采用JAVA為基礎的網(wǎng)頁式管理接口，使系統(tǒng)設定及檔案管理更為容易，提供英文、繁