幾種儲存介面協議全面比較(轉載)

硬碟介面是硬碟與主機系統間的連線部件，作用是在硬碟快取和主機記憶體之間傳輸資料。不同的硬碟介面決定著硬碟與控制器之間的連線速度，在整個系統中，硬碟介面的效能高低對磁碟陣列整體效能有直接的影響，因此瞭解一款磁碟陣列的硬碟介面往往是衡量這款產品的關鍵指標之一。儲存系統中目前普遍應用的硬碟介面主要包括SATA、SCSI、SAS和FC等，此外ATA硬碟在SATA硬碟出現前也在一些低端儲存系統裡被廣泛使用。

每種介面協議擁有不同的技術規範，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，各介面協議所處於的技術生命階段也各不相同，有些已經沒落並面臨淘汰，有些則前景光明，但發展尚未成熟。那麼經常困擾客戶的則是如何選擇合適型別陣列，既可以滿足應用的效能要求，又可以降低整體投資成本。現在，我們將帶您瞭解目前常見的硬碟介面技術的差異與特點，從而幫助您選擇適合自身需求的最佳方案。

ATA，在並行中沒落

　　ATA (AT Attachment)介面標準是IDE(Integrated Drive Electronics)硬碟的特定介面標準。自問世以來，一直以其價廉、穩定性好、標準化程度高等特點，深得廣大中低端使用者的青睞，甚至在某些高階應用領域，如伺服器應用中也有一定的市場。ATA規格包括了 ATA/ATAPI-6 其中Ultra ATA 100相容以前的ATA版本，在40-pin的聯結器中使用標準的16位並行資料匯流排和16個控制訊號。

　　最早的介面協議都是並行ATA(Paralle ATA)介面協議。PATA介面一般使用16-bit資料匯流排, 每次匯流排處理時傳送2個位元組。PATA介面一般是100Mbytes/sec頻寬，資料匯流排必須鎖定在50MHz，為了減小濾波設計的複雜性，PATA使用Ultra匯流排，透過“雙倍資料比率”或者2個邊緣(上升沿和下降沿)時鐘機制用來進行DMA傳輸。這樣在資料濾波的上升沿和下降沿都採集資料，就降低一半所需要的濾波頻率。這樣頻寬就是:25MHz 時脈頻率x 2 雙倍時脈頻率x 16 位/每一個邊緣/ 8 位/每個位元組= 100 Mbytes/sec。

　　在過去的20年中，PATA成為ATA硬碟介面的主流技術。但隨著CPU時脈頻率和記憶體頻寬的不斷提升，PATA逐漸顯現出不足來。一方面，硬碟製造技術的成熟使ATA硬碟的單位價格逐漸降低，另一方面，由於採用並行匯流排介面，傳輸資料和訊號的匯流排是複用的，因此傳輸速率會受到一定的限制。如果要提高傳輸的速率，那麼傳輸的資料和訊號往往會產生干擾，從而導致錯誤。

　　PA他的技術潛力似乎已經走到盡頭，在當今的許多大型企業中，PATA現有的傳輸速率已經逐漸不能滿足使用者的需求。人們迫切期待一種更可靠、更高效的介面協議來替代PATA，在這種需求的驅使下，序列(Serial)ATA匯流排介面技術應運而生，直接導致了傳統PATA技術的沒落。

SATA，在低端徘徊

　　PATA曾經在低端的儲存應用中有過光輝的歲月，但由於自身的技術侷限性，逐步被序列匯流排介面協議(Serial ATA，SATA)所替代。SATA以它序列的資料傳送方式得名。在資料傳輸的過程中，資料線和訊號線獨立使用，並且傳輸的時脈頻率保持獨立，因此同以往的PATA相比，SA他的傳輸速率可以達到並行的30倍。可以說:SATA技術並不是簡單意義上的PATA技術的改進，而是一種全新的匯流排架構。

　　從匯流排結構上，SATA 使用單個路徑來傳輸資料序列或者按照bit來傳輸，第二條路徑返回響應。控制資訊用預先定義的位來傳輸，並且分散在資料中間，以打包的格式用開/關訊號脈衝傳送，這樣就不需要另外的傳輸線。SATA頻寬為16-bit。並行Ultra ATA匯流排每個時脈頻率傳輸16bit資料，而SATA僅傳輸1bit，但是序列匯流排可以更高傳輸速度來彌補序列傳輸的損失。SATA將會引入1500Mbits/sec頻寬或者1.5Gbits/sec頻寬。由於資料用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已經遠遠把PATA硬碟甩到了後面。其次，從資料傳輸角度上，SATA比PATA抗干擾能力更強。從SATA委員會公佈的資料來看，到2007年，在第三代序列ATA技術中，個人電腦儲存系統將具有最高達600MB/s的資料頻寬。此外，串列埠的資料線由於只採用了四針結構，因此相比較起並口安裝起來更加便捷，更有利於縮減機箱內的線纜，有利散熱。

並行ATA與SA他的比較

　　雖然廠商普遍宣稱SATA支援熱插拔，但實際上，SATA在硬碟損壞的時候，不能像SCSI/SAS和FC硬碟一樣，顯示具體損壞的硬碟，這樣熱插拔功能實際上形同虛設。同時，儘管SATA在諸多效能上遠遠優越於PATA，甚至在某些單執行緒任務的測試中，表現出了不輸於SCSI的效能，然而它的機械底盤仍然為低端應用設計的，在面對大資料吞吐量或者多執行緒的傳輸任務時，相比SCSI硬碟，仍然顯得力不從心。除了速度之外，在多執行緒資料讀取時，硬碟磁頭頻繁地來回擺動，使硬碟過熱是SATA需要克服的缺陷。正是因為這些技術上致命的缺陷，導致目前為止，SATA還只能在低端的儲存應用中徘徊。

SCSI，中端儲存的主流之選

　　SCSI(Small Computer System Interface)是一種專門為小型計算機系統設計的儲存單元介面模式，通常用於伺服器承擔關鍵業務的較大的儲存負載，價格也較貴。SCSI計算機可以傳送命令到一個SCSI裝置，磁碟可以移動驅動臂定位磁頭，在磁碟介質和快取中傳遞資料，整個過程在後臺執行。這樣可以同時傳送多個命令同時操作，適合大負載的I/O應用。在磁碟陣列上的整體效能也大大高於基於ATA硬碟的陣列。

　　SCSI規範發展到今天，已經是第六代技術了，從剛建立時候的SCSI(8bit)到今天的Ultra 320 SCSI，速度從1.2MB/s到現在的320MB/s有了質的飛躍。目前的主流SCSI硬碟都採用了Ultra 320 SCSI介面，能提供320MB/s的介面傳輸速度。SCSI硬碟也有專門支援熱拔插技術的SCA2介面(80-pin)，與SCSI背板配合使用，就可以輕鬆實現硬碟的熱拔插。目前在工作組和部門級伺服器中，熱插拔功能幾乎是必備的。

　　相比ATA硬碟，SCSI體現出了更適合中、高階儲存應用的技術優勢:

　　首先SCSI相對於ATA硬碟的介面支援數量更多。一般而言，ATA硬碟採用IDE插槽與系統連線，而每IDE插槽即佔用一個IRQ(中斷號)，而每兩個IDE裝置就要佔用一個IDE能道，雖然附加IDE控制卡等方式可以增加所支援的IDE裝置數量，但總共可連線的IDE裝置數最多不能超過15個。而SCSI的所有裝置只佔用一箇中斷號(IRQ)，因此它支援的磁碟擴容量要比ATA更為巨大。這個優點對於普通使用者而言並不具備太大的吸引力，但對於企業儲存應用則顯得意義非凡，某些企業需要近乎無節制地擴充磁碟系統容量，以滿足網路儲存使用者的需求。

　　其次:SCSI的頻寬很寬，Ultra 320 SCSI能支援的最大匯流排速度為320MB/s，雖然這只是理論值而已，但在實際資料傳輸率方面，最快 ATA/SA他的硬碟相比SCSI硬碟無論在穩定性和傳輸速率上，都有一定的差距。不過如果單純從速度的角度來看，使用者未必需要選擇SCSI硬碟，RAID技術可以更加有效地提高磁碟的傳輸速度。

　　最後、SCSI硬碟CPU佔用率低、並行處理能力強。在ATA和SATA硬碟雖然也能實現多使用者同時存取，但當並行處理人數超過一定數量後，ATA/SATA硬碟就會暴露出很大的I/O缺陷，傳輸速率有大幅下降。同時，硬碟磁頭的來回擺動，也造成硬碟發熱不穩定的現象。

　　對於SCSI而言，它有獨立的晶片負責資料處理，當CPU將指令傳輸給SCSI後，隨即去處理後續指令，其它的相關工作就交給SCSI控制晶片來處理;當SCSI“處理器”處理完畢後，再次傳送控制資訊給CPU，CPU再接著進行後續工作，因此不難想像SCSI系統對CPU的佔用率很低，而且SCSI硬碟允許一個使用者對其進行資料傳輸的同時，另一位使用者同時對其進行資料查詢，這就是SCSI硬碟並行處理能力的體現。

　　SCSI硬碟較貴，但是品質效能更高，其獨特的技術優勢保障SCSI一直在中端儲存市場佔據中流砥柱的地位。普通的ATA硬碟轉速是5400或者7200 RPM;SCSI 硬碟是10000或者15000 RPM，SCSI硬碟的質保期可以達到5年，平均無故障時間達到1,200,000小時。然而對於企業來說，儘管SCSI在傳輸速率和容錯性上有極好的表現，但是它昂貴的價格使得使用者望而卻步。而下一代SCSI技術SAS的誕生，則更好的相容了效能和價格雙重優勢。

SAS，介面協議的明日帝國

　　SAS 是Serial Attached SCSI的縮寫，即序列連線SCSI。和現在流行的Serial ATA(SATA)硬碟相同，都是採用序列技術以獲得更高的傳輸速度，並透過縮短連結線改善內部空間等。

　　SAS是新一代的SCSI技術，同SATA之於PA他的革命意義一樣，SAS 也是對SCSI技術的一項變革性發展。它既利用了已經在實踐中驗證的SCSI 功能與特性，又以此為基礎引入了SAS擴充套件器。SAS可以連線更多的裝置，同時由於它的聯結器較小，SAS 可以在3.5 英寸或更小的 2.5 英寸硬碟驅動器上實現全雙埠，這種功能以前只在較大的 3.5 英寸光纖通道硬碟驅動器上能夠實現。這項功能對於高密度伺服器如刀鋒伺服器等需要冗餘驅動器的應用非常重要。

　　為保護使用者投資，SAS的介面技術可以向下相容SATA。SAS系統的背板(Backplane)既可以連線具有雙埠、高效能的SAS驅動器，也可以連線高容量、低成本的SATA驅動器。過去由於SCSI、ATA分別佔領不同的市場段，且裝置間共享頻寬，在介面、驅動、線纜等方面都互不相容，造成使用者資源的分散和孤立，增加了總體擁有成本。而現在，使用者即使使用不同型別的硬碟，也不需要再重新投資，對於企業使用者投資保護來說，實在意義非常。但需要注意的是，SATA系統並不相容SAS，所以SAS驅動器不能連線到SATA背板上。

　　SAS 使用的擴充套件器可以讓一個或多個 SAS 主控制器連線較多的驅動器。每個擴充套件器可以最多連線 128 個物理連線，其中包括其它主控連線，其它 SAS 擴充套件器或硬碟驅動器。這種高度可擴充套件的連線機制實現了企業級的海量儲存空間需求，同時可以方便地支援多點叢集，用於自動故障恢復功能或負載平衡。目前，SAS介面速率為3Gbps，其SAS擴充套件器多為12埠。不久，將會有6Gbps甚至12Gbps的高速介面出現，並且會有28或36埠的SAS擴充套件器出現以適應不同的應用需求。其實際使用效能足於光纖媲美。

　　SAS雖然脫胎於SCSI，但由於其突出的適於高階應用的效能優勢，更普遍把SAS與光纖技術進行比較。由於SAS由SCSI發展而來，在主機端會有眾多的廠商相容。SAS採用了點到點的連線方式，每個SAS埠提供3Gb頻寬，傳輸能力與4Gb光纖相差無幾，這種傳輸方式不僅提高了高可靠性和容錯能力，同時也增加了系統的整體效能。在磁碟端，SAS協議的交換域能夠提供16384個節點，而光纖環路最多提供126個節點。而相容SATA磁碟所體現的擴充套件性是SAS的另一個顯著優點，針對不同的業務應用範圍，在磁碟端使用者可靈活選擇不同的儲存介質，按需降低了使用者成本。

SAS與4Gb光纖的比較

　　在SAS介面享有種種得天獨厚的優勢的同時，SAS產品的成本從晶片級開始，都遠遠低於FC，而正是因為SAS突出的價效比優勢，使SAS在磁碟介面領域，給光纖儲存帶來極大的威脅。目前已經有眾多的廠商推出支援SAS磁碟介面協議的產品，雖然目前尚未在使用者層面普及，但SAS產品部落已經初具規模。SAS成為下一代儲存的主流介面標準，成就磁碟介面協議的明日輝煌已經可以預見。

FC，高階應用的基石

　　光纖通道標準已經被美國國家標準協會(ANSI)採用，是業界標準介面。通常人們認為它是系統與系統或者系統與子系統之間的互連架構，它以點對點(或是交換)的配置方式在系統之間採用了光纜連線。當然，當初人們就是這樣設想的，在眾多為它制訂的協議中，只有IPI(智慧外設介面)和IP(網際協議)在這些配置裡是理想的。

　　後來光纖通道的發展囊括了電子(非光學)實現，並且可以用成本相對較低的方法將包括硬碟在內的許多裝置連線到主機埠。對這個較大的光纖通道標準集有一個補充稱為光纖通道仲裁環(FC-AL)。FC-AL使光纖通道能夠直接作為硬碟連線介面，為高吞吐量效能密集型系統的設計者開闢了一條提高I/O效能水平的途徑。目前高階儲存產品使用的都是FC介面的硬碟。

　　FC硬碟名稱由於透過光學物理通道進行工作，因此起名為光纖硬碟，現在也支援銅線物理通道。就像是IEEE-1394, Fibre Channel 實際上定義為SCSI-3標準一類，屬於SCSI的同胞兄弟。作為序列介面FC-AL峰值可以達到2Gbits/s甚至是4Gbits/s。而且透過光學連線裝置最大傳輸距離可以達到10KM。透過FC-loop可以連線127個裝置,也就是為什麼基於FC硬碟的儲存裝置通常可以連線幾百顆甚至千顆硬碟提供大容量儲存空間。

　　關於光纖硬碟以其的優越的效能、穩定的傳輸，在企業儲存高階應用中擔當重要角色。業界普遍關注的焦點在於光纖介面的頻寬。最早普及使用的光纖介面頻寬為1Gb，隨後2Gb頻寬光纖產品統治市場已經長達三年時間。現在最新的頻寬標準是4Gb，目前普遍廠商都已經推出4Gb相關新品，Gartner則預言4Gb光纖產品在未來2年將以300%的年複合成長率快速增長，並在2007年取代2Gb光纖成為市場主流。

　　對於這份報告提出的觀點，業界的看法不一。有的人認為，2Gb光纖通道正式取代1Gb也不過才不到3年的時間，供貨商又緊接著推出4Gb的產品，企業的接受度令人存疑。另一方面，磁碟介面端SAS技術的興起，和主機介面端iSCSI技術的發展，也給光纖儲存的發展帶來不小的壓力。

　　事實上，4Gb光纖通道傳輸協議早在2002年就已經透過美國國家標準協會(ANSI)的光纖通道實體介面(Fibre Channel-Physical Interfaces，簡稱FC-PI)規範，而與此同時，10Gb光纖標準也在同一年發表，但由於10Gb光纖並不具備向下相容的能力，使用者如果希望升級到10Gb光纖平臺，則必須更換所有基礎設施，成本過於昂貴，一直無人問津。

　　相較之下，4Gb是以2Gb為基礎延伸的傳輸協議，可以向下相容1Gb和2Gb，所使用的光纖線材、連線埠也都相同，意味著使用者在匯入4Gb裝置時，不需為了相容性問題更換舊有的裝置，不但可以保護既有的投資，也可以採取漸進式升級的方式，逐步淘汰舊有的2Gb裝置。而目前，各儲存廠商推出的4Gb光纖新品與2Gb光纖產品已無價格差距，使用者可在相差不多的情況下購買到4 Gb光纖產品，從這個意義來說，4Gb光纖產品的普及也是指日可待。

隨需而變 靈活選擇

　　網路儲存裝置目前大致可分為3類，即高階、中端和近線(Near-Line)。目前，高階儲存產品主要應用的是光纖通道硬碟，應用於關鍵資料的大容量實時儲存。中端儲存裝置則主要採用SCSI，應用於商業級的關鍵資料的大容量儲存。近線是近年來新出現的儲存領域，一般採用SATA硬碟儲存，應用於非關鍵資料的大容量儲存，目的是替代以前使用磁帶的資料備份。

　今後幾年，光纖通道和SAS將成為儲存上的首選介面，這兩種技術在實際效能上的表現幾乎相同。但是，從發展前景來看，在大約一年以後，SAS的傳輸頻寬還有可能將增加一倍，而光纖通道下一步是發展到8Gbps還是10Gbps目前還無定論，且發展到8Gb或者10Gb後，向下相容的問題還沒有有效解決。

　　目前，哪種技術更好一些，光纖還是SAS，仍然很難定奪。但是由於並行SCSI佔據著80%左右的企業硬碟市場，並且SAS相容低端的SATA硬碟。這樣當使用者預算緊張的時候，可以選擇搭配SATA硬碟;當效能為重時，則可以更換為高效能的SAS硬碟。因此，根據富士通公司的預測:在未來幾年內，SAS將有可能佔據絕大多數的中高階儲存市場。

對於使用者來說:單純比較硬碟並不一定是越貴的越好，關鍵是看是否適合自己的應用。另外單純硬碟的硬碟介面協議也不是衡量一個儲存系統效能指標的唯一要素，除了硬碟效能指標以外，儲存系統的硬體設計，前端主機介面等效能指標也同樣對儲存系統的整體效能影響巨大。如果需要應用於I/O負載較輕的應用比如檔案共享、FTP、音訊儲存、資料備份等可以考慮基於SATA硬碟的陣列。如果I/O負載較重的FTP、VOD、EMAIL、Web、資料庫應用，那麼可以考慮基於SCSI/SAS硬碟的儲存系統;如果是較大規模的資料中心，硬碟數量需求巨大，考慮到目前SAS技術的不成熟，我們仍然推薦選用基於光纖硬碟的儲存系統。