存儲系統(tǒng)中普遍應用的硬盤接口對比分析

　　硬盤接口是硬盤與主機系統(tǒng)間的連接部件，作用是在硬盤緩存和主機內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。不同的硬盤接口決定著硬盤與控制器之間的連接速度，在整個系統(tǒng)中，硬盤接口的性能高低對磁盤陣列整體性能有直接的影響，因此了解一款磁盤陣列的硬盤接口往往是衡量這款產(chǎn)品的關鍵指標之一。存儲系統(tǒng)中目前普遍應用的硬盤接口主要包括SATA、SCSI、SAS和FC等，此外ATA硬盤在SATA硬盤出現(xiàn)前也在一些低端存儲系統(tǒng)里被廣泛使用。

　　每種接口協(xié)議擁有不同的技術(shù)規(guī)范，具備不同的傳輸速度，其存取效能的差異較大，所面對的實際應用和目標市場也各不相同。同時，各接口協(xié)議所處于的技術(shù)生命階段也各不相同，有些已經(jīng)沒落并面臨淘汰，有些則前景光明，但發(fā)展尚未成熟。那么經(jīng)常困擾客戶的則是如何選擇合適類型陣列，既可以滿足應用的性能要求，又可以降低整體投資成本。現(xiàn)在，我們將帶您了解目前常見的硬盤接口技術(shù)的差異與特點，從而幫助您選擇適合自身需求的最佳方案。

　　ATA，在并行中沒落

　　ATA（ATAttachment）接口標準是IDE（IntegratedDriveElectronics）硬盤的特定接口標準。自問世以來，一直以其價廉、穩(wěn)定性好、標準化程度高等特點，深得廣大中低端用戶的青睞，甚至在某些高端應用領域，如服務器應用中也有一定的市場。ATA規(guī)格包括了ATA/ATAPI-6其中UltraATA100兼容以前的ATA版本，在40-pin的連接器中使用標準的16位并行數(shù)據(jù)總線和16個控制信號。

　　最早的接口協(xié)議都是并行ATA（ParalleATA）接口協(xié)議。PATA接口一般使用16-bit數(shù)據(jù)總線，每次總線處理時傳送2個字節(jié)。PATA接口一般是100Mbytes/sec帶寬，數(shù)據(jù)總線必須鎖定在50MHz，為了減小濾波設計的復雜性，PATA使用Ultra總線，通過“雙倍數(shù)據(jù)比率”或者2個邊緣（上升沿和下降沿）時鐘機制用來進行DMA傳輸。這樣在數(shù)據(jù)濾波的上升沿和下降沿都采集數(shù)據(jù)，就降低一半所需要的濾波頻率。這樣帶寬就是：25MHz時鐘頻率x2雙倍時鐘頻率x16位/每一個邊緣/8位/每個字節(jié)=100Mbytes/sec。

　　在過去的20年中，PATA成為ATA硬盤接口的主流技術(shù)。但隨著CPU時鐘頻率和內(nèi)存帶寬的不斷提升，PATA逐漸顯現(xiàn)出不足來。一方面，硬盤制造技術(shù)的成熟使ATA硬盤的單位價格逐漸降低，另一方面，由于采用并行總線接口，傳輸數(shù)據(jù)和信號的總線是復用的，因此傳輸速率會受到一定的限制。如果要提高傳輸?shù)乃俾剩敲磦鬏數(shù)臄?shù)據(jù)和信號往往會產(chǎn)生干擾，從而導致錯誤。

　　PATA的技術(shù)潛力似乎已經(jīng)走到盡頭，在當今的許多大型企業(yè)中，PATA現(xiàn)有的傳輸速率已經(jīng)逐漸不能滿足用戶的需求。人們迫切期待一種更可靠、更高效的接口協(xié)議來替代PATA，在這種需求的驅(qū)使下，串行（Serial）ATA總線接口技術(shù)應運而生，直接導致了傳統(tǒng)PATA技術(shù)的沒落。

　　SATA，在低端徘徊

　　PATA曾經(jīng)在低端的存儲應用中有過光輝的歲月，但由于自身的技術(shù)局限性，逐步被串行總線接口協(xié)議（SerialATA，SATA）所替代。SATA以它串行的數(shù)據(jù)發(fā)送方式得名。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)線和信號線獨立使用，并且傳輸?shù)臅r鐘頻率保持獨立，因此同以往的PATA相比，SATA的傳輸速率可以達到并行的30倍?？梢哉f：SATA技術(shù)并不是簡單意義上的PATA技術(shù)的改進，而是一種全新的總線架構(gòu)。

　　從總線結(jié)構(gòu)上，SATA使用單個路徑來傳輸數(shù)據(jù)序列或者按照bit來傳輸，第二條路徑返回響應?？刂?a target="_blank">信息用預先定義的位來傳輸，并且分散在數(shù)據(jù)中間，以打包的格式用開/關信號脈沖發(fā)送，這樣就不需要另外的傳輸線。SATA帶寬為16-bit。并行UltraATA總線每個時鐘頻率傳輸16bit數(shù)據(jù)，而SATA僅傳輸1bit，但是串行總線可以更高傳輸速度來彌補串行傳輸?shù)膿p失。SATA將會引入1500Mbits/sec帶寬或者1.5Gbits/sec帶寬。由于數(shù)據(jù)用8b/10b編碼，有效的最大傳輸峰值是150Mbytes/sec。

　　目前能夠見到的有SATA-1和SATA-2兩種標準，對應的傳輸速度分別是150MB/s和300MB/s。從速度這一點上，SATA已經(jīng)遠遠把PATA硬盤甩到了后面。其次，從數(shù)據(jù)傳輸角度上，SATA比PATA抗干擾能力更強。從SATA委員會公布的資料來看，到2007年，在第三代SATA技術(shù)中，個人電腦存儲系統(tǒng)將具有最高達600MB/s的數(shù)據(jù)帶寬。此外，串口的數(shù)據(jù)線由于只采用了四針結(jié)構(gòu)，因此相比較起并口安裝起來更加便捷，更有利于縮減機箱內(nèi)的線纜，有利散熱。

　　雖然廠商普遍宣稱SATA支持熱插拔，但實際上，SATA在硬盤損壞的時候，不能像SCSI/SAS和FC硬盤一樣，顯示具體損壞的硬盤，這樣熱插拔功能實際上形同虛設。同時，盡管SATA在諸多性能上遠遠優(yōu)越于PATA，甚至在某些單線程任務的測試中，表現(xiàn)出了不輸于SCSI的性能，然而它的機械底盤仍然為低端應用設計的，在面對大數(shù)據(jù)［注］吞吐量或者多線程的傳輸任務時，相比SCSI硬盤，仍然顯得力不從心。除了速度之外，在多線程數(shù)據(jù)讀取時，硬盤磁頭頻繁地來回擺動，使硬盤過熱是SATA需要克服的缺陷。正是因為這些技術(shù)上致命的缺陷，導致目前為止，SATA還只能在低端的存儲應用中徘徊。

　　SCSI，中端存儲的主流之選

　　SCSI（SmallComputerSystemInterface）是一種專門為小型計算機系統(tǒng)設計的存儲單元接口模式，通常用于服務器承擔關鍵業(yè)務的較大的存儲負載，價格也較貴。SCSI計算機可以發(fā)送命令到一個SCSI設備，磁盤可以移動驅(qū)動臂定位磁頭，在磁盤介質(zhì)和緩存中傳遞數(shù)據(jù)，整個過程在后臺執(zhí)行。這樣可以同時發(fā)送多個命令同時操作，適合大負載的I/O應用。在磁盤陣列上的整體性能也大大高于基于ATA硬盤的陣列。

　　SCSI規(guī)范發(fā)展到今天，已經(jīng)是第六代技術(shù)了，從剛創(chuàng)建時候的SCSI（8bit）到今天的Ultra320SCSI，速度從1.2MB/s到現(xiàn)在的320MB/s有了質(zhì)的飛躍。目前的主流SCSI硬盤都采用了Ultra320SCSI接口，能提供320MB/s的接口傳輸速度。SCSI硬盤也有專門支持熱拔插技術(shù)的SCA2接口（80-pin），與SCSI背板配合使用，就可以輕松實現(xiàn)硬盤的熱拔插。目前在工作組和部門級服務器中，熱插拔功能幾乎是必備的。

　　相比ATA硬盤，SCSI體現(xiàn)出了更適合中、高端存儲應用的技術(shù)優(yōu)勢：

　　首先SCSI相對于ATA硬盤的接口支持數(shù)量更多。一般而言，ATA硬盤采用IDE插槽與系統(tǒng)連接，而每IDE插槽即占用一個IRQ（中斷號），而每兩個IDE設備就要占用一個IDE能道，雖然附加IDE控制卡等方式可以增加所支持的IDE設備數(shù)量，但總共可連接的IDE設備數(shù)最多不能超過15個。而SCSI的所有設備只占用一個中斷號（IRQ），因此它支持的磁盤擴容量要比ATA更為巨大。這個優(yōu)點對于普通用戶而言并不具備太大的吸引力，但對于企業(yè)存儲應用則顯得意義非凡，某些企業(yè)需要近乎無節(jié)制地擴充磁盤系統(tǒng)容量，以滿足網(wǎng)絡存儲用戶的需求。

　　其次：SCSI的帶寬很寬，Ultra320SCSI能支持的最大總線速度為320MB/s，雖然這只是理論值而已，但在實際數(shù)據(jù)傳輸率方面，最快ATA/SATA的硬盤相比SCSI硬盤無論在穩(wěn)定性和傳輸速率上，都有一定的差距。不過如果單純從速度的角度來看，用戶未必需要選擇SCSI硬盤，RAID技術(shù)可以更加有效地提高磁盤的傳輸速度。

　　最后、SCSI硬盤CPU占用率低、并行處理能力強。在ATA和SATA硬盤雖然也能實現(xiàn)多用戶同時存取，但當并行處理人數(shù)超過一定數(shù)量后，ATA/SATA硬盤就會暴露出很大的I/O缺陷，傳輸速率大幅下降。同時，硬盤磁頭的來回擺動，也造成硬盤發(fā)熱不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

　　對于SCSI而言，它有獨立的芯片負責數(shù)據(jù)處理，當CPU將指令傳輸給SCSI后，隨即去處理后續(xù)指令，其它的相關工作就交給SCSI控制芯片來處理；當SCSI“處理器”處理完畢后，再次發(fā)送控制信息給CPU，CPU再接著進行后續(xù)工作，因此不難想像SCSI系統(tǒng)對CPU的占用率很低，而且SCSI硬盤允許一個用戶對其進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，另一位用戶同時對其進行數(shù)據(jù)查找，這就是SCSI硬盤并行處理能力的體現(xiàn)。

　　SCSI硬盤較貴，但是品質(zhì)性能更高，其獨特的技術(shù)優(yōu)勢保障SCSI一直在中端存儲市場占據(jù)中流砥柱的地位。普通的ATA硬盤轉(zhuǎn)速是5400或者7200RPM；SCSI硬盤是10000或者15000RPM，SCSI硬盤的質(zhì)保期可以達到5年，平均無故障時間達到1，200，000小時。然而對于企業(yè)來說，盡管SCSI在傳輸速率和容錯性上有極好的表現(xiàn)，但是它昂貴的價格使得用戶望而卻步。而下一代SCSI技術(shù)SAS的誕生，則更好的兼容了性能和價格雙重優(yōu)勢。

　　SAS，接口協(xié)議的明日帝國

　　SAS是SerialAttachedSCSI的縮寫，即串行連接SCSI。和現(xiàn)在流行的SerialATA（SATA）硬盤相同，都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連結(jié)線改善內(nèi)部空間等。

　　SAS是新一代的SCSI技術(shù)，同SATA之于PATA的革命意義一樣，SAS也是對SCSI技術(shù)的一項變革性發(fā)展。它既利用了已經(jīng)在實踐中驗證的SCSI功能與特性，又以此為基礎引入了SAS擴展器。SAS可以連接更多的設備，同時由于它的連接器較小，SAS可以在3.5英寸或更小的2.5英寸硬盤驅(qū)動器上實現(xiàn)全雙端口，這種功能以前只在較大的3.5英寸光纖通道硬盤驅(qū)動器上能夠?qū)崿F(xiàn)。該功能對于高密度服務器如刀片服務器等需要冗余驅(qū)動器的應用非常重要。

　　為保護用戶投資，SAS的接口技術(shù)可以向下兼容SATA。SAS系統(tǒng)的背板（Backplane）既可以連接具有雙端口、高性能的SAS驅(qū)動器，也可以連接高容量、低成本的SATA驅(qū)動器。過去由于SCSI、ATA分別占領不同的市場段，且設備間共享帶寬，在接口、驅(qū)動、線纜等方面都互不兼容，造成用戶資源的分散和孤立，增加了總體擁有成本。而現(xiàn)在，用戶即使使用不同類型的硬盤，也不需要再重新投資，對于企業(yè)用戶投資保護來說，實在意義非常。但需要注意的是，SATA系統(tǒng)并不兼容SAS，所以SAS驅(qū)動器不能連接到SATA背板上。

　　SAS使用的擴展器可以讓一個或多個SAS主控制器連接較多的驅(qū)動器。每個擴展器可以最多連接128個物理連接，其中包括其它主控連接，其它SAS擴展器或硬盤驅(qū)動器。這種高度可擴展的連接機制實現(xiàn)了企業(yè)級的海量存儲空間需求，同時可以方便地支持多點集群，用于自動故障恢復功能或負載平衡。前期，SAS接口速率為3Gbps（SAS1.0），其SAS擴展器多為12端口。目前6Gbps（SAS2.0）、12Gbps（SAS3.0）的高速接口均已商用，并且會有28或36端口的SAS擴展器出現(xiàn)以適應不同的應用需求。

　　在SAS接口享有種種得天獨厚的優(yōu)勢的同時，SAS產(chǎn)品的成本從芯片級開始，都遠遠低于FC，而正是因為SAS突出的性價比優(yōu)勢，使SAS在磁盤接口領域，給光纖存儲帶來極大的威脅。目前眾多廠商均已推出SAS磁盤接口協(xié)議的產(chǎn)品，SAS也成為存儲的主流接口標準。
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