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ATA、SATA、SCSI、SAS、FC硬盘接口介绍
发布时间:2012/8/13 14:20:34    来源: 网络转载


众所周知硬盘是整个电脑的灵魂相当于人的大脑负责存储,硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件。不同的硬盘接口决定着硬盘与控制器之间的传输速度和响应时间的长短,这点在服务器磁盘阵中可以很好的了解硬盘接口的转变。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IDE(ATA)、SATA、SCSI、SAS和FC等,此外IDE(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。
下面我们一起来认识一下:
IDE(ATA)接口:
  ATA (AT Attachment)接口标准是IDE(Integrated Drive Electronics)硬盘的特定接口标准。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。IDE接口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 IDE硬盘自问世以来,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。
SATA接口:
   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。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。SATA以它串行的数据发送方式得名。在数据传输的过程中,数据线和信号线独立使用,并且传输的时钟频率保持独立,因此同以往的PATA相比,SATA的传输速率可以达到并行的30倍。可以说:SATA技术并不是简单意义上的PATA技术的改进,而是一种全新的总线架构。 从总线结构上,SATA 使用单个路径来传输数据序列或者按照bit来传输,第二条路径返回响应。控制信息用预先定义的位来传输,并且分散在数据中间,以打包的格式用开/关信号脉冲发送,这样就不需要另外的传输线。SATA带宽为16-bit。并行Ultra ATA总线每个时钟频率传输16bit数据,而SATA仅传输1bit,但是串行总线可以更高传输速度来弥补串行传输的损失。SATA将会引入1500Mbits/sec带宽或者1.5Gbits/sec带宽。由于数据用8b/10b编码,有效的最大传输峰值是150Mbytes/sec。

SATA接口


   目前能够见到的有SATA-1和SATA-2两种标准,对应的传输速度分别是150MB/s和300MB/s。从速度这一点上,SATA已经远远把PATA硬盘甩到了后面。其次,从数据传输角度上,SATA比PATA抗干扰能力更强。从SATA委员会公布的资料来看,到2007年,在第三代串行ATA技术中,个人电脑存储系统将具有最高达600MB/s的数据带宽。此外,串口的数据线由于只采用了四针结构,因此相比较起并口安装起来更加便捷,更有利于缩减机箱内的线缆,有利散热。

SCSI接口:
  由于服务器的特殊性硬盘上时间运行很容易导致损坏。而SATA在硬盘损坏的时候,不能像SCSI/SAS和FC硬盘一样支持热拔插,这样热插拔功能实际上形同虚设。同时,尽管SATA在诸多性能上远远优越于PATA,甚至在某些单线程任务的测试中,表现出了不输于SCSI的性能,然而它的机械底盘仍然为低端应用设计的,在面对大数据吞吐量或者多线程的传输任务时,相比SCSI硬盘,仍然显得力不从心。除了速度之外,在多线程数据读取时,硬盘磁头频繁地来回摆动,使硬盘过热是SATA需要克服的缺陷。正是因为这些技术上致命的缺陷,导致目前为止,SATA还只能在低端的存储应用中徘徊。
   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。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,价格比普通的硬盘要高出很多倍。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。SCSI接口

SAS接口:
  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接口   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储介质,按需降低了用户成本。
 
FC硬盘接口:
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。
  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。FC硬盘接口
  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。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。
    对于使用者来说:硬盘的价格并不一定是越贵的越好,关键是看是否适合自己的应用。另外单纯硬盘的硬盘接口协议也不是衡量一个存储系统性能指标的唯一要素,除了硬盘性能指标以外,存储系统的硬件设计,前端主机接口等性能指标也同样对存储系统的整体性能影响巨大。如果需要应用于I/O负载较轻的应用比如文件共享、FTP、音频存储、数据备份等可以考虑基于SATA硬盘的阵列。如果I/O负载较重的FTP、VOD、EMAIL、Web、数据库应用,那么可以考虑基于SCSI/SAS硬盘的存储系统;如果是较大规模的数据中心,硬盘数量需求巨大,考虑到目前SAS技术的不成熟,我们仍然推荐选用基于光纤硬盘的存储系统。
   通过以上的简单介绍,大家应该对硬盘接口有了更深入的了解。在企业选购服务器的同时可以将硬盘接口作为一个衡量的重要标准来进行采购和配置。

 

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