医学影像工程师社区
专注影像设备维修技术交流与分享

重温硬盘接口知识(下)

  SCSI(SmallComputerSystemInterface)是一种与ATA完全不同的接口,它不是专门为硬盘设计的,而是一种总线型的系统接口,每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。早期PC机的BIOS不支持SCSI,各个厂商都按照自己对SCSI的理解来制造产品,造成了一个厂商生产的SCSI设备很难与其它厂商生产的SCSI控制卡共同工作,加上SCSI的生产成本比较高,因此没有像ATA接口那样迅速得到普及。SCSI接口的优势在于它支持多种设备,传输速率比ATA接口高,独立的总线使得SCSI设备的CPU占用率很低,所以SCSI更多地被用于服务器等高端应用场合。

 1.jpg

  △图/SCSI接口卡

  ANSI分别于1986年和1994年制订了SCSI-1和SCSI-2标准,一些厂商在这些标准的基础上开发了FastSCSI、UltraSCSI、Ultra2SCSI(LVD)和Ultra160/m等事实上的标准。希捷、IBM等厂商都有自己的SCSI硬盘系列产品,由于目标市场不同,这些SCSI硬盘的转速、缓存大小等指标要比同时期的IDE硬盘高得多。

  2.jpeg

  △图/68针SCSI硬盘

  EIDE硬盘的接口技术在不断进步时,SCSI硬盘的接口技术也在迅速发展。目前开始普遍采用Ultra2SCSI(LVD)传输模式。LVD代表低电压差分技术,16位Ultra2SCSI(LVD)接口的最高传输速率可达80MB/s,除了速度上的提升外,Ultra2SCSI(LVD)允许接口电缆的最大长度为12米,比起UltraSCSI的1.5米限制有了极大的进步,大大增强了设备配置的灵活性。Ultra160/mSCSI也被引入硬盘界,对硬盘在高计算量应用领域的性能扩展极有裨益,处理关键任务的服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列(RAID)等设备将因此得到性能提升。而目前的硬盘厂商为使产品适应不同领域的需求,将Ultra160/mSCSI技术与光纤界面技术集成在一块硬盘上,使硬盘的应用领域更加广阔,不但可以支持服务器、图形工作站、冗余磁盘阵列应用,还可以支持SAN等新型应用。

  连接类型

  SCSI连接器分为内置和外置两种,内置数据线的外型和IDE数据线一样,只是针数和规格稍有差别,主要用于连接光驱和硬盘。40针IDE线有40根导线,40针ATA66有80根导线,SCSI内置则分为50针、68针和80针。至于SCSI外置数据线,就有以下几种规格,它们的密度均不相同。

  3.jpeg

  Apple SCSI,共有25针,分为两排,8位,常用于Mac机和旧式Sun工作站。

  4.jpeg

  Sun Microsystem的DD-50SA,共有50针,分为三排。

  5.jpeg

  SCSI-2 ,共有50针,分为两排,8位。

  6.jpeg

  Centronics,共有50针,分为两排,8位,有点像并行口,它可以连接的设备数目最多。

  7.jpeg

  SCSI-3和Wide SCSI-2,共有68针,分为两排,16位。旧式DEC单终结SCSI使用68针高密接口。

  8.jpeg

  SCA,共有80针,分为两排。

  光纤通道

  光纤通道的英文拼写是Fibre
Channel,和SCSI接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术,是专门为网络系统设计的,但随着存储系统对速度的需求,才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的,它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有:热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

  9.jpeg

  △图/光纤通道接口卡

  光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计,能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。

  光纤通道可以采用铜轴电缆和光导纤维作为连接设备,大多采用光纤媒介,而传统的铜轴电缆如双绞线等则可以用于小规模的网络连接部署。但采用铜轴电缆的光纤通道有着铜媒介一样的老毛病,如传输距离短(30米,取决于具体的线缆)以及易受电磁干扰(EMI)影响等。

  虽然铜媒介也适用于某些环境,但是对于利用光纤通道部署的较大规模存储网络来说,光缆是最佳的选择。光缆按其直径和“模式”分类,直径以微米为计量单位。电缆模式有两种:单模是一次传送一个单一的信号,而多模则能够通过将信号在光缆玻璃内核壁上不断反射而传送多个信号。现在认可的光缆光纤通道标准和等级有:直径62.5微米多模光缆175米,直径50微米多模光缆500米,以及直径9微米单模光缆10公里。

  10.jpeg

  △图/光纤硬盘

  光纤现在能提供100MBps的实际带宽,而它的理论极限值为1.06GBps。不过现在有一些公司开始推出2.12Gbps
的产品,它支持下一代的光纤通道(即Fibre Channel
II)。不过为了能得到更高的数据传输率,市面的光纤产品有时是使用多光纤通道来达到更高的带宽。

  SAS接口

  SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI,是新一代的SCSI技术,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是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性,并且提供与SATA硬盘的兼容性。

  SAS的接口技术可以向下兼容SATA。具体来说,二者的兼容性主要体现在物理层和协议层的兼容。在物理层,SAS接口和SATA接口完全兼容,SATA硬盘可以直接使用在SAS的环境中,从接口标准上而言,SATA是SAS的一个子标准,因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘,但是SAS却不能直接使用在SATA的环境中,因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制;在协议层,SAS由3种类型协议组成,根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行SCSI协议(SSP)用于传输SCSI命令;SCSI管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理;SATA通道协议(STP)用于SAS和SATA之间数据的传输。因此在这3种协议的配合下,SAS可以和SATA以及部分SCSI设备无缝结合。

  SAS连接器规范

  SAS的连接器规范——SATA
Style(SATA样式):SFF-8482、SFF-8484、SFF-8470;SFF-8087、SFF-8088、SFF-8643和SFF-8644。

  SAS首先定义了硬盘驱动器的接口连接器,其规范是SFF-8482。SAS硬盘接口与SATA硬盘接口是相同的,除了它的硬键锁定式设计,以防止SAS插到SATA驱动器系统中,SATA的数据线不能直接连接到SAS硬盘驱动器上。但SAS数据线可以兼容SATA硬盘驱动器。

  11.jpeg

  SFF-8482规范定义的SAS线缆端插座,引脚S1-S7是主端口,另一侧的S8-S14是从端口,而P1-P15的供电部分在SATA是分离的

  12.jpeg

  SFF-8482定义了SAS硬盘驱动器的双端口(dual
port)插头,SATA数据线无法与之相连,而符合SFF-8482规范的插座(位于SAS线缆和背板)却可以随意接纳SAS硬盘驱动器或SATA硬盘驱动器。

  SFF-8484接口主要用于SAS 4i阵列卡上,作为内部SAS连接线用.支持12Gbps带宽。

  严格说来,SFF-8086规范不能单独工作,因为它只定义了连接器主体和引脚功能,而不包括连接器的外壳和固定部分。我们知道,内外部应用对连接器外壳设计的要求是不同的,主要体现在内部连接通常是非屏蔽的(Unshielded),而外部连接则需要屏蔽(Shielded)。因此,在具体的实施上,以SFF-8086为基础衍生出来了SFF-8087和SFF-8088两个版本,分别规范内部连接器和外部连接器。

  SFF-8087接口主要用于MINI SAS 4i阵列卡上,作为内部SAS连接线用。

  ……,篇幅有限,此处略去1000字。

  SAS线缆的基本介绍

  SATA线缆和连接器的情况相对简单,一个端口对应一个接口连接器,线缆也就只有单路连接。SAS则不同:一开始便支持4路的宽链接(wide
link),允许多达4个窄端口(narrow link)聚合为一个宽端口(wide
port),并制订了相应的连接器规范。这样一来,SAS的接口连接器至少有两种了,再加上内外之别,各种可行的组合使得SAS线缆的类型多达几十种。如果考虑各个计算机厂商为了布线的需要而作出的接口连接器形状的改变,那样的话SAS线缆的种类就更多了。

  13.jpg

  众所周知,SATA硬盘驱动器的SATA端口和电源供应是分离的,两个连接器之间有大约2个(SATA或电源)引脚宽度的间隙。SAS的做法是打掉“隔断”,将双方连为一体,第二端口就位于这个4~5个SATA信号引脚宽度的“桥”的背面。

  14.jpeg

  SAS盘与SATA盘之比较

  很多人一提到SAS盘和SATA盘之后,首先想到的是接口方面的区别,SAS的接口速度比SATA高很多,所以认为SAS盘要比SATA盘快,性能高。其实,接口方面的区别并不是主要的,只是很小的一方面。那么,SAS盘和SATA最大的区别到底在什么地方呢?

  15.jpeg

  这是磁盘内部的剖析图,对于一块磁盘而言,最重要的是驱动电机(Actuator)、磁头(read/write
heads)以及磁盘面(Discs)。SAS盘是企业级应用盘,我们可以称之为Enterprise
Disk,SATA盘是面向普通用户,面向对性能、可靠性要求不高的应用,我们也可以称之为Nearline
Disk。应用对SAS盘最主要的需求是高数据吞吐量、低延迟、高可靠性。为了达到这种需求,SAS盘的内部驱动电机性能会比较高,转速会比较快。但是,转速快会导致额外的问题。例如,磁盘内部温度比较高,会影响数据读取的稳定性和可靠性。因此,为了既能达到很高的转速,又能保证系统的可靠性,SAS盘内部加入了很多传感器对温度进行闭环监控,使系统的温度达到恒定,不能过高。另外,SAS盘内部的DISC基板也是需要特殊设计的,和SATA盘内部的基座完全不一样。如下图所示,SATA盘采用的是铝材料基板;SAS盘采用的是玻璃材料基板。采用铝材料的优点在于存储密度高,但是,基板的整体平整度不高,这就带来很严重的可靠性问题。在微观世界中,不平整的基板就像丘陵地带一样,当磁头高速运转的时候,如果有个风吹草动,磁头就会和这些山丘碰撞,导致DISC盘面划伤,数据丢失。玻璃基板的优点在于平整度高,但是存储密度不如铝材料高,这就导致SAS盘的数据存储容量小于SATA盘的容量。

  16.jpeg

  显然,在很多设计决策方面,SAS优先考虑了可靠性,SATA则考虑了廉价性和大容量。由于SAS盘在吞吐量和延迟指标方面都表现非凡,普通的IDE、SATA接口是无法满足应用需求的,因此需要其他高性能接口的支持。通常支持SAS盘的接口技术有FC、SCSI和SAS,并且支持双端口,这些都是为了满足企业级高可靠性应用的需求。在数据传输协议方面,SAS也需要考虑软件方面的可靠性,因此,针对SATA盘的ATA协议显然是不够的,因此针对这种高性能的盘采用了SCSI数据传输协议。

  通过简单分析,我们可以了解到SAS盘和SATA盘不仅仅是一个接口的问题,内部深层次的原因是SAS盘为了满足高性能、高可靠性的应用;SATA盘为了满足大容量、非关键业务的应用。

( 3 )
分享到:更多 ()

评论 抢沙发

评论前必须登录!