用SAS构建高性能存储

作者：LSI公司 王岳忠

欢迎访问e展厅 展厅 5 网络/安全/存储产品展厅 无线上网卡, 光纤设备, 网络布线产品, 计算机干扰器, 网关, ... 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。 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)。 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。 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。 (end)

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