热门存储技术分析之SAS简介篇

SAS（Serial Attached SCSI）即串行SCSI技术，正逐步走入我们的视线。按照行业预期，SAS磁盘很快将取代目前的SCSI磁盘甚至FC磁盘而成为主流磁盘类型。可惜现在对SAS技术的讨论大多集中在应用层面，很少有具体的技术介绍。有鉴于此，笔者搜集整理了一些资料，权做抛砖引玉吧。     什么是SAS？简单的说，SAS是一种磁盘连接技术。它综合了现有并行SCSI和串行连接技术（光纤通道、SSA、IEEE1394及InfiniBand等）的优势，以串行通讯为协议基础架构，采用SCSI-3扩展指令集并兼容SATA设备，是多层次的存储设备连接协议栈。     为了更好的了解SAS技术，我们先回顾一下几个相关技术的发展过程。为了简明，这里只以表格形式体现。     首先是并行SCSI的发展过程。     正是SCSI-3指令集的出现，使得SCSI通讯出现了分层结构，并使SCSI指令通过其他物理媒介传输成为可能。事实上，SCSI-3指令自诞生之日就被一批新技术相中，此后出现的光纤通道技术、SSA技术、IEEE1394火线技术等，均受益于这一进步。     这些串行技术虽然从名字上看与SCSI毫不相干，但其实它们都支持SCSI-3作为应用层逻辑指令。下面是这些串行技术的简要回顾。     除了并行SCSI和几种应用SCSI-3指令集的串行技术，我们再简单回顾一下ATA技术的历史。     之所以罗列出以上三个表格，是因为SAS技术正是以串行机制为基础，同时支持SCSI和SATA的协议栈。了解以上三个方面的历史，有助于更方便的理解SAS技术的特点。为了增强感性熟悉，我们先从外观入手，慢慢走进SAS技术内部。     上面这张照片就是SAS外部接口的样子。使用过InfiniBand交换设备的朋友一定觉得眼熟，没错，SAS外部接口和线缆就是借用了InfiniBand线缆的设计。不要小看这个只有并行SCSI一半大的接口。这种端口名叫"四路宽端口"，以目前3Gb的SAS标准，它可以达到12Gb的带宽，也就是4 x 3Gb SAS通道。SAS技术与光纤通道一样，都采用8位到10位的编码机制，12Gb的物理层带宽换算到应用层就是1.2GB/s，这一根线就比目前主流的64位133MHz PCI-X总线还要快。     SAS磁盘上的端口也与并行SCSI有很大区别，倒是跟SATA磁盘的端口外观非常像。接脚最多的一组是电源接口，接脚较少的一组是SAS磁盘主端口，位置都与SATA磁盘电源和通讯端口完全一致。SAS磁盘与SATA磁盘接口的唯一区别是SAS磁盘还有第二个冗余端口，而SATA磁盘则只有一个端口。     说到这里，细心的读者会发现一个问题。既然SAS磁盘与SATA磁盘的端口数量都不一致，SAS背板又如何完整的兼容SATA磁盘呢？     不错，假如将SATA磁盘直接插入SAS背板，那么背板上的冗余端口将会悬空，也就是说SATA磁盘只连接在一个控制器上。这样虽然阵列控制器或主机可以使用这些SATA磁盘，但从结构上将无法实现冗余。     为此，一些提供SAS磁盘阵列的厂商，在兼容SATA磁盘时都在SATA磁盘托架上附加一个小小的电路板，我们姑且称之为"端口选择器"。其作用就是将SATA磁盘上的单端口与两路SAS同时连接，从而保证前端控制器或主机故障切换时，SATA磁盘仍然能保持连接。     当然物理连接的一致，只是SAS兼容SATA的必要条件。实际上，在整个SAS协议栈中从物理层到应用层，都贯穿着一套用来兼容SATA的协议。这套协议被称为STP（Serial ATA Tunneling Protocol）即"SATA隧道协议"。从这个命名就可以看出，SAS兼容SATA的方式其实就是在从磁盘端到主机端整条链路上，为SATA磁盘特地开辟出一条隧道。     除了端口设计，SAS和SATA磁盘的供电接口也可能是读者的疑问。假如SAS和SATA接口中已经包含有供电接脚，传统的四针式电源是否还有用呢？     对磁盘阵列来说，答案显然是没有。外置磁盘阵列早在SCSI和IDE年代，就已经不使用四针式电源接口了。但是服务器内部的非热插拔磁盘一般都采用这种接口，而且目前市面上一些SATA磁盘也带有这种电源接口。这是因为SATA 1.0标准刚刚颁布的时候，还没有完全取代四针电源。无法摆脱四针式电源，就无法直接支持热插拔，因此SATA 1.0在当时被定义为仅主机内部连接的协议，不支持外部连接。不过这些都已经是历史，现在的SAS和SATA II版本中，四针电源完全没有存在的必要。
    看过SAS设备外观，我们再看看SAS内部的一些工作原理。首先，让我们先搞清楚三个名词--"设备"（Device）、"端口"（Port）和"phy"。     "设备"就是指SAS连接末端的物理设备，可以是磁盘，也可以是主机里的SAS适配器，但不是EXPander设备。暂时不晓得Expander为何物的读者不要着急，后面会介绍到。     "端口"是半物理半逻辑的概念。一方面，每个端口都对应一条实实在在的物理连接线；另一方面，每个SAS端口都有一个唯一的64位地址。这个地址的格式跟光纤通道里的WWN（严格的说，应该是WWPN，WWNN对应的更像SAS"设备"名）格式完全相同，由24位公司标志和40位厂商自定义字段构成。     "phy"虽然是个逻辑概念，但功能上很像光纤通道中的SFP。它对应的是一组SAS协议收发单元，由一个发送器和一个接收器组成。每个phy与远端的另外一个phy连接，构成一发一收两条链路。SAS支持全双工，就是说每个phy在以3Gbps发送的同时，还可以接收3Gbps的流量。     前面只是简单的罗列出设备、端口和phy各自的大致含义，很多问题还需要进一步说明一下。     前面我们已经提到，每颗SAS磁盘可以提供两个SAS连接。那么这两路SAS连接是同一个端口的两个phy，还是两个独立的窄端口呢？答案是后者。每颗SAS磁盘上有两个phy，这两个phy相互独立，被两个不同的端口使用。再明确点说，每颗SAS磁盘有两个地址，而不是一个。记住！每个地址，就对应一个端口。     地址和端口的对应关系，还能帮我们辨清SAS有效连接。Phy之间连通，并不等于端口之间能够正常通讯。只有当一个端口中所有phy都与对方端口中的phy连通后，两个宽端口的通讯才能正常进行。目前宽端口中最常见的，就是前面提到过的四路宽端口，不过一些SAS适配器厂商正在设计八路宽端口，未来可能会出现单根线缆2.4GBps甚至4.8GBps的SAS连接。     说到SAS适配器，还有个有趣的问题。目前主流SAS适配器一般支持8个phy，那么大家猜猜一般适配器支持多少端口地址呢？答案是可以动态设定。当适配器用来连接外部SAS设备时，需要用外部宽端口，这时适配器将8个phy划分成两个宽端口，支持两个端口地址。而当适配器连接内部SAS磁盘时，每个phy各自属于自己的端口，适配器将支持8个端口地址。     至此，我们虽然明确了一些关于SAS的技术概念，但是还不能说对SAS技术有所了解。SAS技术的重点部分--Expander及其工作原理，才是熟悉SAS技术的要害。     SAS的连接模式与光纤通道的Fabric交换在很多方面十分相似。每一个SAS Expander就像一台光纤通道交换机，整个交换结构被称为"域"（Domain），其意义跟光纤通道技术中的"域"几乎完全一样。在光纤通道Fabric交换结构中，每个域有一个主成员，负责维护整个域的路由信息。在SAS域中，起中心交换作用的Expander叫做"扇出Expander"（Fanout Expander）。SAS域中的"扇出Expander"既可以直接连接终端设备，也能连接其它"边缘Expander"（Edge Expander）。唯一与光纤通道Fabric不同的是，SAS域中可以没有"扇出Expander"，而光纤通道Fabric域则不能没有主成员。没有"扇出Expander"的SAS域，最多只可以有两个"边缘Expander"。     理论上，每个"边缘Expander"可以支持128个端口，每个SAS域可以有128个"边缘Expander"，这样每个SAS域中最多可以有128 x 128 = 16384个端口。当然，这并不是说每个SAS域可以连接16384个磁盘和SAS适配器，因为"扇出Expander"与"边缘Expander"相连接时，会占用一部分端口。假如128个"边缘Expander"全部连接到"扇出Expander"，内部互联至少要占用256个端口。也就是说，一个SAS域理论上可以连接16384 - 256 = 16128个终端SAS设备。对比光纤环路126个设备的上限，16128这个数字仍然是非常可观。     一些接触过SAS存储产品的读者，可能此时会心存迷惑。为什么SAS单域就可以支持如此众多设备，但实际应用中却经常看到多域模式的产品呢？这其实跟目前SAS芯片的制造工艺有关。假如想制造出一个"扇出Expander"来支持128个"边缘Expander"的连接，那这款"扇出Expander"至少要支持128个phy（每端口至少一个phy）。而Expander之间的互联一般应采用至少四路宽端口，那就需要中心的"扇出Expander"支持4 x 128 = 512个phy（每端口四个phy）。而现在的实际情况是LSI公司的首款SAS芯片只能支持12个phy，刚刚好是个零头。虽然SAS技术支持多个Expander芯片组成一个"Expander组"（Expander Set）来模拟一个Expander，但过多的芯片无疑会在制造工艺和成本方面带来麻烦。正是基于目前SAS芯片工艺水平，一些磁盘阵列厂商在设计阵列扩展时，大多采用多域结构。虽然在软件设计上费力多些，但却可以避开单芯片phy数量有限的问题。     所谓多域模式，在大多数情况下，其实也只不过是两个域而已，即每个阵列控制器各自属于自己的SAS域。因为目前的SAS交换技术还不支持域之间的路由，所以要想保证每个阵列控制器都能访问到所有磁盘，最多只能引入两个SAS域。
    SAS技术借鉴了很多光纤通道技术的工作原理，对比光纤通道技术可以帮助我们更好的了解SAS技术优势。     前面已经提到，SAS端口地址与光纤通道中的WWN格式几乎完全一样，但其使用方式还是略有区别。SAS域中，端口地址直接作为交换路由表的内容，没有任何转换过程，而光纤通道的Fabric交换中并不直接采用WWN地址，而是要经过一个转换过程，由名字服务器对每个设备二次分发路由地址。光纤通道之所以这样设计原因很明显，因为在Fabric交换中要支持环路设备，所以不得不兼顾各种编址。实际上在光纤通道交换域中，每个设备要经过三层登陆（FLOGI、PLOGI/LOGO、PRLI/PRLO）才能接入域中。这颇像一个臃肿的官僚机构，虽然体系庞大，却效率低下。而SAS技术舍弃了光纤通道中的仲裁环机制，从而大大简化了交换与地址的关系。在SAS域中，再也不需要关心那些恼人的繁文缛节了。     由于交换模式的简化，SAS设备与Expander之间不需要通过复杂的磋商，简单的握手之后就开始正常工作了，这就需要双方事前就很多方面必须达成一致共识。"服务级别"就是共识之一。我们知道光纤通道可以支持五种不同级别的交换服务，分别是Class 1、2、3、4和6。这其中最常用到的是Class 3，即无确认的帧交换。这种模式好比不负责任的邮递员，反正有收信人和发信人互相确认，他自己根本不操心包裹是否完好。由于光纤通道技术中没有phy这个层次的设计，Class 3是效率最高的工作模式。而SAS则不然，借由phy的底层独占式互联机制，SAS中的服务级别更像Class 1模式，即虚拟电路全带宽连接。这种模式最能够充分保证每一组SAS设备之间的通讯带宽，同时数据的误传输概率也降到最低。     由于光纤通道技术中层次臃肿的通讯机制，主机端光纤适配器很难直接察觉到磁盘端设备状态的变化。就好比一个高高在上的官僚，很难知道底层普通市民的住址变迁。为此，光纤通道交换设计了"注册状态变更通知"（RSCN，Registered State Change Notification）机制。就是让每个普通市民在搬家之后，都要主动向政府汇报新地址，政府再将地址簿汇总更新，送交各位领导案头，而官僚们就依据案头的记录信息定位每个市民。遗憾的是，这个RSCN会打断领导们正在进行的沟通，迫使领导们的工作重新开始，因此严重影响整个政府的办公效率。而在SAS域中，由于没有了复杂的沟通层次，每位领导都可以直接把握市民的住址信息，办公效率自然就提高许多。     SAS与光纤通道相比，最明显的技术优势在于连接带宽。简单从数字上看，3Gb的SAS似乎不及4Gb的光纤通道，但光纤通道技术中端口已经是最基本的逻辑单元，也就是说，两个物理端口间的连接就只可能是4Gb带宽。而SAS则巧妙的在端口中引入phy这个新的逻辑单元，两个phy之间的互联带宽为3Gb，每端口可以包含4个或8个phy之多，这样两个SAS端口之间的连接很轻易达到12Gb甚至24Gb超高带宽。     总之，SAS在借鉴光纤通道技术特点的同时，一方面大刀阔斧简化交换机制，从而提升了交换效率和可靠性，另一方面增加了phy虚拟电路单元，大大增加了性能扩展空间。