几种存储接口协议全面比较.doc

作者: 黑子, 出处:IT168,责任编辑: leey, 2006-09-20 16:17硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与控制器之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的性能高低对磁盘阵列整体性能有直接的影响硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与控制器之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的性能高低对磁盘阵列整体性能有直接的影响，因此了解一款磁盘阵列的硬盘接口往往是衡量这款产品的关键指标之一。存储系统中目前普遍应用的硬盘接口主要包括SATA、SCSI、SAS和FC等，此外ATA硬盘在SATA硬盘出现前也在一些低端存储系统里被广泛使用。每种接口协议拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，其存取效能的差异较大，所面对的实际应用和目标市场也各不相同。同时，各接口协议所处于的技术生命阶段也各不相同，有些已经没落并面临淘汰，有些则前景光明，但发展尚未成熟。那么经常困扰客户的则是如何选择合适类型阵列，既可以满足应用的性能要求，又可以降低整体投资成本。现在，我们将带您了解目前常见的硬盘接口技术的差异与特点，从而帮助您选择适合自身需求的最佳方案。ATA，在并行中没落ATA (AT Attachment)接口标准是IDE(Integrated Drive Electronics)硬盘的特定接口标准。自问世以来，一直以其价廉、稳定性好、标准化程度高等特点，深得广大中低端用户的青睐，甚至在某些高端应用领域，如服务器应用中也有一定的市场。ATA规格包括了 ATA/ATAPI-6 其中Ultra ATA 100兼容以前的ATA版本，在40-pin的连接器中使用标准的16位并行数据总线和16个控制信号。最早的接口协议都是并行ATA(Paralle ATA)接口协议。PATA接口一般使用16-bit数据总线, 每次总线处理时传送2个字节。PATA接口一般是100Mbytes/sec带宽，数据总线必须锁定在50MHz，为了减小滤波设计的复杂性，PATA使用Ultra总线，通过“双倍数据比率”或者2个边缘(上升沿和下降沿)时钟机制用来进行DMA传输。这样在数据滤波的上升沿和下降沿都采集数据，就降低一半所需要的滤波频率。这样带宽就是:25MHz 时钟频率x 2 双倍时钟频率x 16 位/每一个边缘/ 8 位/每个字节= 100 Mbytes/sec。在过去的20年中，PATA成为ATA硬盘接口的主流技术。但随着CPU时钟频率和内存带宽的不断提升，PATA逐渐显现出不足来。一方面，硬盘制造技术的成熟使ATA硬盘的单位价格逐渐降低，另一方面，由于采用并行总线接口，传输数据和信号的总线是复用的，因此传输速率会受到一定的限制。如果要提高传输的速率，那么传输的数据和信号往往会产生干扰，从而导致错误。PATA的技术潜力似乎已经走到尽头，在当今的许多大型企业中，PATA现有的传输速率已经逐渐不能满足用户的需求。人们迫切期待一种更可靠、更高效的接口协议来替代PATA，在这种需求的驱使下，串行(Serial)ATA总线接口技术应运而生，直接导致了传统PATA技术的没落。SCSI，中端存储的主流之选SCSI(Small Computer System Interface)是一种专门为小型计算机系统设计的存储单元接口模式，通常用于服务器承担关键业务的较大的存储负载，价格也较贵。SCSI计算机可以发送命令到一个SCSI设备，磁盘可以移动驱动臂定位磁头，在磁盘介质和缓存中传递数据，整个过程在后台执行。这样可以同时发送多个命令同时操作，适合大负载的I/O应用。在磁盘阵列上的整体性能也大大高于基于ATA硬盘的阵列。SCSI规范发展到今天，已经是第六代技术了，从刚创建时候的SCSI(8bit)到今天的Ultra 320 SCSI，速度从1.2MB/s到现在的320MB/s有了质的飞跃。目前的主流SCSI硬盘都采用了Ultra 320 SCSI接口，能提供320MB/s的接口传输速度。SCSI硬盘也有专门支持热拔插技术的SCA2接口(80-pin)，与SCSI背板配合使用，就可以轻松实现硬盘的热拔插。目前在工作组和部门级服务器中，热插拔功能几乎是必备的。相比ATA硬盘，SCSI体现出了更适合中、高端存储应用的技术优势:首先SCSI相对于ATA硬盘的接口支持数量更多。一般而言，ATA硬盘采用IDE插槽与系统连接，而每IDE插槽即占用一个IRQ(中断号)，而每两个IDE设备就要占用一个IDE能道，虽然附加IDE控制卡等方式可以增加所支持的IDE设备数量，但总共可连接的IDE设备数最多不能超过15个。而SCSI的所有设备只占用一个中断号(IRQ)，因此它支持的磁盘扩容量要比ATA更为巨大。这个优点对于普通用户而言并不具备太大的吸引力，但对于企业存储应用则显得意义非凡，某些企业需要近乎无节制地扩充磁盘系统容量，以满足网络存储用户的需求。其次:SCSI的带宽很宽，Ultra 320 SCSI能支持的最大总线速度为320MB/s，虽然这只是理论值而已，但在实际数据传输率方面，最快 ATA/SATA的硬盘相比SCSI硬盘无论在稳定性和传输速率上，都有一定的差距。不过如果单纯从速度的角度来看，用户未必需要选择SCSI硬盘，RAID技术可以更加有效地提高磁盘的传输速度。最后、SCSI硬盘CPU占用率低、并行处理能力强。在ATA和SATA硬盘虽然也能实现多用户同时存取，但当并行处理人数超过一定数量后，ATA/SATA硬盘就会暴露出很大的I/O缺陷，传输速率有大幅下降。同时，硬盘磁头的来回摆动，也造成硬盘发热不稳定的现象。对于SCSI而言，它有独立的芯片负责数据处理，当CPU将指令传输给SCSI后，随即去处理后续指令，其它的相关工作就交给SCSI控制芯片来处理;当SCSI“处理器”处理完毕后，再次发送控制信息给CPU，CPU再接着进行后续工作，因此不难想像SCSI系统对CPU的占用率很低，而且SCSI硬盘允许一个用户对其进行数据传输的同时，另一位用户同时对其进行数据查找，这就是SCSI硬盘并行处理能力的体现。SCSI硬盘较贵，但是品质性能更高，其独特的技术优势保障SCSI一直在中端存储市场占据中流砥柱的地位。普通的ATA硬盘转速是5400或者7200 RPM;SCSI 硬盘是10000或者15000 RPM，SCSI硬盘的质保期可以达到5年，平均无故障时间达到1,200,000小时。然而对于企业来说，尽管SCSI在传输速率和容错性上有极好的表现，但是它昂贵的价格使得用户望而却步。而下一代SCSI技术SAS的诞生，则更好的兼容了性能和价格双重优势。SAS，接口协议的明日帝国SAS 是Serial Attached SCSI的缩写，即串行连接SCSI。和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是新一代的SCSI技术，同SATA之于PATA的革命意义一样，SAS 也是对SCSI技术的一项变革性发展。它既利用了已经在实践中验证的 SCSI 功能与特性，又以此为基础引入了SAS扩展器。SAS可以连接更多的设备，同时由于它的连接器较小，SAS 可以在3.5 英寸或更小的 2.5 英寸硬盘驱动器上实现全双端口，这种功能以前只在较大的 3.5 英寸光纤通道硬盘驱动器上能够实现。这项功能对于高密度服务器如刀片服务器等需要冗余驱动器的应用非常重要。为保护用户投资，SAS的接口技术可以向下兼容SATA。SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。过去由于SCSI、ATA分别占领不同的市场段，且设备间共享带宽，在接口、驱动、线缆等方面都互不兼容，造成用户资源的分散和孤立，增加了总体拥有成本。而现在，用户即使使用不同类型的硬盘，也不需要再重新投资，对于企业用户投资保护来说，实在意义非常。但需要注意的是，SATA系统并不兼容SAS，所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。SAS 使用的扩展器可以让一个或多个 SAS 主控制器连接较多的驱动器。每个扩展器可以最多连接 128 个物理连接，其中包括其它主控连接，其它 SAS 扩展器或硬盘驱动器。这种高度可扩展的连接机制实现了企业级的海量存储空间需求，同时可以方便地支持多点集群，用于自动故障恢复功能或负载平衡。目前，SAS接口速率为3Gbps，其SAS扩展器多为12端口。不久，将会有6Gbps甚至12Gbps的高速接口出现，并且会有28或36端口的SAS扩展器出现以适应不同的应用需求。其实际使用性能足于光纤媲美。SAS虽然脱胎于SCSI，但由于其突出的适于高端应用的性能优势，更普遍把SAS与光纤技术进行比较。由于SAS由SCSI发展而来，在主机端会有众多的厂商兼容。SAS采用了点到点的连接方式，每个SAS端口提供3Gb带宽，传输能力与4Gb光纤相差无几，这种传输方式不仅提高了高可靠性和容错能力，同时也增加了系统的整体性能。在磁盘端，SAS协议的交换域能够提供16384个节点，而光纤环路最多提供126个节点。而兼容SATA磁盘所体现的扩展性是SAS的另一个显著优点，针对不同的业务应用范围，在磁盘端用户可灵活选择不同的存储介质，按需降低了用户成本。SAS与4Gb光纤的比较在SAS接口享有种种得天独厚的优势的同时，SAS产品的成本从芯片级开始，都远远低于FC，而正是因为SAS突出的性价比优势，使SAS在磁盘接口领域，给光纤存储带来极大的威胁。目前已经有众多的厂商推出支持SAS磁盘接口协议的产品，虽然目前尚未在用户层面普及，但SAS产品部落已经初具规模。SAS成为下一代存储的主流接口标准，成就磁盘接口协议的明日辉煌已经可以预见。RAID3RAID3的数据储存及存取方式都和RAID2一样,但在安全方面以奇偶校验(paritycheck)取代海明码做错误校正及检测,所以只需要一个额外的校检磁盘(paritydisk)。奇偶校验值的计算是以各个磁盘的相对应位作XOR的逻辑运算,然后将结果写入奇偶校验磁盘,任何数据的修改都要做奇偶校验计算,如图:如某一磁盘故障,换上新的磁盘后,整个磁盘阵列(包括奇偶校验磁盘)需重新计算一次,将故障磁盘的数据恢复并写入新磁盘中;如奇偶校验磁盘故障,则重新计算奇偶校验值,以达容错的要求.较之RAID1及RAID2,RAID3有85的磁盘空间利用率,其性能比RAID2稍差,因为要做奇偶校验计算;共轴同步的平行存取在读档案时有很好的性能,但在写入时较慢,需要重新计算及修改奇偶校验磁盘的内容。RAID3和RAID2有同样的应用方式,适用大档案及大量数据输出入的应用,并不适用于PC及网络服务器。RAID4RAID4也使用一个校验磁盘,但和RAID3不一样,如图:RAID4是以扇区作数据分段,各磁盘相同位置的分段形成一个校验磁盘分段(parityblock),放在校验磁盘。这种方式可在不同的磁盘平行执行不同的读取命今,大幅提高磁盘阵列的读取性能;但写入数据时,因受限于校验磁盘,同一时间只能作一次,启动所有磁盘读取数据形成同一校验分段的所有数据分段,与要写入的数据做好校验计算再写入。即使如此,小型档案的写入仍然比RAID3要快,因其校验计算较简单而非作位(bitlevel)的计算;但校验磁盘形成RAID4的瓶颈,降低了性能,因有RAID5而使得RAID4较少使用。RAID5RAID5避免了RAID4的瓶颈,方法是不用校验磁盘而将校验数据以循环的方式放在每一个磁盘中,如下图:磁盘阵列的第一个磁盘分段是校验值,第二个磁盘至后一个磁盘再折回第一个磁盘的分段是数据,然后第二个磁盘的分段是校验值,从第三个磁盘再折回第二个磁盘的分段是数据,以此类推,直到放完为止。图中的第一个parityblock是由A0,A1.,B1,B2计算出来,第二个parityblock是由B3,B4,.,C4,D0计算出来,也就是校验值是由各磁盘同一位置的分段的数据所计算出来。这种方式能大幅增加小档案的存取性能,不但可同时读取,甚至有可能同时执行多个写入的动作,如可写入数据到磁盘1而其parityblock在磁盘2,同时写入数据到磁盘4而其parityblock在磁盘1,这对联机交易处理(OLTP,On-LineTransactionProcessing)如银行系统、金融、股市等或大型数据库的处理提供了最佳的解决方案(solution),因为这些应用的每一笔数据量小,磁盘输出入频繁而且必须容错。事实上RAID5的性能并无如此理想,因为任何数据的修改,都要把同一parityblock的所有数据读出来修改后,做完校验计算再写回去,也就是RMWcycle(Read-Modify-Writecycle,这个cycle没有包括校验计算);正因为牵一而动全身,所以:R:N(可同时读取所有磁盘)W:1(可同时写入磁盘数)S:N-1(利用率)RAID5的控制比较复杂,尤其是利用硬件对磁盘阵列的控制,因为这种方式的应用比其他的RAIDlevel要掌握更多的事情,有更多的输出入需求,既要速度快,又要处理数据,计算校验值,做错误校正等,所以价格较高;其应用最好是OLTP,至于用于图像处理等,不见得有最佳的性能。FC，高端应用的基石光纤通道标准已经被美国国家标准协会(ANSI)采用，是业界标准接口。通常人们认为它是系统与系统或者系统与子系统之间的互连架构，它以点对点(或是交换)的配置方式在系统之间采用了光缆连接。当然，当初人们就是这样设想的，在众多为它制订的协议中，只有IPI(智能外设接口)和IP(网际协议)在这些配置里是理想的。后来光纤通道的发展囊括了电子(非光学)实现，并且可以用成本相对较低的方法将包括硬盘在内的许多设备连接到主机端口。对这个较大的光纤通道标准集有一个补充称为光纤通道仲裁环(FC-AL)。FC-AL使光纤通道能够直接作为硬盘连接接口，为高吞吐量性能密集型系统的设计者开辟了一条提高I/O性能水平的途径。目前高端存储产品使用的都是FC接口的硬盘。FC硬盘名称由于通过光学物理通道进行工作，因此起名为光纤硬盘，现在也支持铜线物理通道。就像是IEEE-1394, Fibre Channel 实际上定义为SCSI-3标准一类，属于SCSI的同胞兄弟。作为串行接口FC-AL峰值可以达到2Gbits/s甚至是4Gbits/s。而且通过光学连接设备最大传输距离可以达到10KM。通过FC-loop可以连接127个设备,也就是为什么基于FC硬盘的存储设备通常可以连接几百颗甚至千颗硬盘提供大容量存储空间。关于光纤硬盘以其的优越的性能、稳定的传输，在企业存储高端应用中担当重要角色。业界普遍关注的焦点在于光纤接口的带宽。最早普及使用的光纤接口带宽为1Gb，随后2Gb带宽光纤产品统治市场已经长达三年时间。现在最新的带宽标准是4Gb，目前普遍厂商都已经推出4Gb相关新品，Gartner则预言4Gb光纤产品在未来2年将以300%的年复合成长率快速增长，并在2007年取代2Gb光纤成为市场主流。对于这份报告提出的观点，业界的看法不一。有的人认为，2Gb光纤信道正式取代1Gb也不过才不到3年的时间，供货商又紧接着推出4Gb的产品，企业的接受度令人存疑。另一方面，磁盘接口端SAS技术的兴起，和主机接口端iSCSI技术的发展，也给光纤存储的发展带来不小的压力。事实上，4Gb光纤信道传输协议早在2002年就已经通过美国国家标准协会(ANSI)的光纤信道实体接口(Fibre Channel-Physical Interfaces，简称FC-PI)规范，而与此同时，10Gb光纤标准也在同一年发表，但由于10Gb光纤并不具备向下兼容的能力，用户如果希望升级到10Gb光纤平台，则必须更换所有基础设施，成本过于昂贵，一直无人问津。相较之下，4Gb是以2Gb为基础延伸的传输协议，可以向下兼容1Gb和2Gb，所使用的光纤线材、连接端口也都相同，意味着使用者在导入4Gb设备时，不需为了兼容性问题更换旧有的设备，不但可以保护既有的投资，也可以采取渐进式升级的方式，逐步淘汰旧有的2Gb设备。而目前，各存储厂商推出的4Gb光纤新品与2Gb光纤产品已无价格差距，用户可在相差不多的情况下购买到4 Gb光纤产品，从这个意义来说，4Gb光纤产品的普及也是指日可待。随需而变 灵活选择网络存储设备目前大致可分为3类，即高端、中端和近线(Nea