智慧手機 智慧型手機 Smart Phone 平板電腦 SATA PCIe 雲端運算 SAS SSD

導入交換式SAS架構 分層儲存系統擴充性大增

2012-06-11
隨著智慧型手機與平板電腦的熱銷,一個新的行動世代已經進入日常生活當中。與此同時,行動應用與服務的模式正朝向雲端運算發展,也就是將大量的儲存與運算工作交給遠端資料中心,讓行動終端能隨時帶著走又不會感到任何負擔。因此,包括SAS、SATA及PCIe等高速傳輸介面為滿足使用者體驗,正持續朝更高的傳輸速率演進。
事實上,讓雲端儲存浮上檯面的主要驅動力,就是數位娛樂的興起。愈來愈多人喜歡透過網路來看影片,或是玩線上遊戲,這些內容都相當龐大,也使得雲端儲存的資料量與日爆增,預估到2016年時,對儲存容量的需求比目前多出60%。

除個人應用,在企業端也是同樣的發展模式,希望不再是個別儲存資料,而是將資料都放在雲端,同時還能滿足備分、版本控制、資料加密等功能需求。然而,在將資料大舉轉移到雲端之前,有一些問題還是得先弄清楚,例如建置雲端資料中心或使用雲端服務的成本、安全不安全、容量有多大、效能高不高,以及是不是真的可靠等。

儲存選擇多樣化 分級概念應運而生

整體而言,不論個人或企業,用來儲存資料的方式大為增加,除傳統硬碟、光碟外,還有快閃記憶體(Flash Memory)及固態硬碟(SSD)可供選擇;在儲存的架構上,則可選擇直接連接儲存(DAS)設備來要求效能表現,或採用儲存區域網路(SAN)/網路儲存伺服器(NAS)等網路儲存方式來得到更好的儲存彈性。

然而,隨著選擇的增加,大家開始有分級儲存的概念,也就是將不同性質的內容放在不同的儲存媒介中,以降低儲存成本、提高安全性或加速效能。資料分層的判斷因素包括資料的安全等級、效能需求、讀取速度要求、雲端環境、網路伺服器應用等。

因此,本文將分別介紹PCIe(PCI Express)、串列式先進附加技術(SATA)及SAS(Serial Attached SCSI)三項技術的發展現況,發掘儲存應用的未來趨勢。

PCIe發展3.0版本 尚待晶片組導入添動能

承續PCI電腦匯流排規範,PCIe以串列通訊系統為個人電腦(PC)內部的匯流排提供更快的傳輸速率,經過多年的發展,目前已幾乎取代原有的AGP和PCI匯流排技術,特別是用在與繪圖卡的連結上。不過,現今的2.0版本已不敷應用,很快將進入PCIe 3.0的更高速版本時代。

比較PCIe三代技術的演進,可以看到傳輸速率每一代皆翻新一倍,每個通道(Lane)的頻寬從250Mbit/s到500Mbit/s,到3.0已達到約1Gbit/s的高速頻寬。今日儲存主匯流排配接器(HBA)和磁碟陣列(RAID)控制卡大都使用PCIe×8 Link,因此進入到3.0的世代,傳輸頻寬將達到約8Gbit/s。

在技術的演進上,PCIe 3.0的最大改變是在編碼方式。在實體層上,PCIe 1.x及2.x採用常見的8B/10B編碼方式來確保連續的1和0字元串長度符合標準,這樣保證接收端不會誤讀,不過,此作法會占用20%的總頻寬。到了PCIe 3.0,採用128B/130B編碼方式,僅占用約1.538%的總頻寬,能有效提升實際可用的頻寬。

這種改變也帶來設計上的挑戰,開發商必須確保自己的產品能向下相容,也能與其他產品互通。不過,業界尚在等待英特爾(Intel)的中央處理器(CPU)及晶片組的正式支援,才能真正打開這個市場,並進行相容性的實際測試。

兼具傳輸速率/資料可靠度 SATA 3.0全面進化

至於取代平行式先進附加介面(PATA)的SATA匯流排,其主要功能是在於主機板和大量儲存裝置(如硬碟和光碟機)之間的數據傳輸之用。除傳輸速率提升外,SATA的優勢還包括支援熱插拔及使用嵌入式時脈訊號,具備比以往更強的除錯能力,能對傳輸指令(不僅是資料)進行檢查,如果發現錯誤會自動矯正,提高資料傳輸的可靠性。

SATA稱其封包為訊框(Frame),並稱訊框的內容為訊框資訊架構(Frame Information Structure, FIS),採用封包式輸入/輸出(I/O)的好處是編碼及解碼皆採硬體運算,因此速度非常快;此外,包括指令、資料及狀態資訊都透過相同路徑傳送,使得穩定性大為提升。在SATA的串列引擎中有三個處理層級,分別是傳輸層(Transport Layer)、連結層(Link Layer)及實體層(Physical Layer, PHY),這三層分工合作,讓高速傳輸得以實現。

SATA至今歷經三個版本的發布,在傳輸速率上已從1.5Gbit/s提升到2.0版的3Gbit/s,及最新3.0版的6Gbit/s,編碼上皆用8B/10B方式。雖然SATA的傳輸率大幅提升,但事實上基於硬碟本身的限制,通常只能達到1.2Gbit/s。因此3.0版本對於SSD的應用更有意義,它能達到4Gbit/s以上的傳輸率,讓SSD充分展現其存取效能。

邁向SAS-3 SSD/HDD效能倍增

另一方面,SAS支持SCSI命令傳輸,因此兼容SCSI-3架構;其可說是SATA的孿生兄弟,兩者的排線相容,SATA硬碟可接上SAS介面。不過,相較於SATA一對一的架構,SAS允許多個埠集中於單個控制器上,並可內建於主機板當中;亦可另外添加。該技術建立在強大的並列SCSI通訊技術基礎上,此擴充性更適合企業資料儲存使用。

圖1 SAS傳輸協定架構
SAS的傳輸協定可分為三種(圖1),首先是用於傳輸SCSI命令的序列SCSI協定(SSP);其次為用於傳輸SATA資料的SATA通道協定(STP);最後則是用於對SAS裝置的維護和管理的SCSI管理協定(SMP)。在SAS的拓撲中由發起器(Initiator)、目標裝置、交換器(Expander)共同組成,其中發起器通常是伺服器或HBA卡,目標裝置可能是硬碟,交換器則是SAS交換機。

從發起器到目標裝置的路徑可能經過多個交換器,也就是須經過多個連結器與線路的實體連結。在SAS架構中的連接埠(Port)可包含一個或多個實體層介面,每個埠包含一個獨一無二的64位元地址。含多個實體層的稱為寬連接埠(Wide Port),只含一個實體層的則為窄連接埠(Narrow Port)。

第一代的SAS即已支援1.5Gbit/s及3Gbit/s的傳輸速度,寬連接埠(×4)的總頻寬可達12Gbit/s,第二代則倍增為6Gbit/s,下世代的SAS 3.0則會再有加倍的頻寬12Gbit/s。由於SAS具備全雙工(Full-duplex)能力,因此。上述的傳輸速度可再加倍;此外,多個SAS Link亦可一起使用,也就是可用頻寬相加(Bandwidth Aggregation),四個12Gbit/s併用可大於48Gbit/s(96Gbit/s Full-duplex)。

SAS是由ANSI T-10技術委員會(Committee)開發及維護,該委員會致力於推動SAS和SATA的相容性,以及發展更高速技術及其他的功能進展。此標準也與PCI-SIG密切合作,有許多公司同時參與兩個標準的制定工作。SAS-1在2005年推出後,成功取代舊的pSCSI技術,此後持續進步,在2009年推出SAS-2,改進RAS技術,也提供更佳的可靠性;在2011年又推出SAS-2.1,能提供更好的連結性。

展望未來,下一代的SAS-3已在積極制定中,將朝12Gbit/s邁進。SAS-3的出現,將能進一步發揮SSD的效能,透過HBA還可同時連結八個SSD,讓工作效能再向上提升。同樣地,SAS-3也能讓HDD硬碟有更好的運用表現,可以透過HBA加上一個交換器得到高達二十四顆硬碟的連結運用;若是採用兩個交換器,效能還可以加倍。

善用交換器/開關 SAS應用好處多多

  在企業HDD硬碟儲存應用上,SAS已成替代光纖的重要選擇。它能提供全天候的儲存應用,並透過雙埠HDD來提高傳輸率和做到錯誤後轉移(Fail-over)的功能。在運用上可做為Server DAS或後端儲存系統。善用SAS交換器及開關(Switch)可以提供相當大的擴充彈性,同時獲得高可用性、高頻寬,以及容易設定和管理等優勢。對於機架及刀鋒(Blade)伺服器(圖2),或外部儲存應用都是很好的選擇方案。

圖2 刀鋒伺服器外部儲存應用

這種交換式的SAS具有很多好處,相較於10GB iSCSI或8GB FC,6Gbit/s,SAS×4能將延遲性大幅縮減二十分之一以上、將每個連結的頻寬提升三倍,每個交換埠的功耗則可降為原來的九分之一。以刀鋒伺服器的外部儲存應用為例,交換式SAS架構的好處包括能提供集中式管理、多個伺服器對單一或多個儲存JBOD、更大的擴充彈性、與作業系統無關、可採DAS或分享儲存架構,並支援Port Based Zoning及Drive Bay Zoning。

在標準高容量伺服器的SAS應用上,其內部的儲存可透過交換器來擴充,能提供穩定的6Gbit/s SAS效能,I/O的效能也具有延展性,以及高可靠性及備援性(Redundancy)。此外,透過點對點序列技術,接線的方式變得很單純,而且SATA、SAS和SSD可以相容建置在一起。

圖3 分層式儲存架構
對於資料庫、資料探勘(Data Mining)或HPC等不同的儲存應用來說,分層式的儲存架構(圖3)是主流的設計趨勢。在強調高效能且關鍵性的應用中,可以採用SSD來提供最大I/O傳輸率;對於強調效能又非關鍵性的任務來說,則可採用SAS HDD來做次一等的層級;對於單純的資料儲存來說,則可採用高容量的SATA HDD方案。

慎選SAS儲存架構
開拓應用新藍海
 

依據不同的需求去配置最佳的儲存架構,已是一門很專業的學問。總體而言,SAS能提供更理想的伺服器儲存架構,讓更多伺服器能集中管理,同時又能分享儲存內容,不論是伺服器或儲存應用都可採用機架或刀鋒式方案。在效能上,SAS有助於提高可用性及全備援性能,下一代的傳輸頻寬將會倍增,而點對點的連結能滿足SSD對高速傳輸的需求。在未來的演進上,可期待SAS開關方案用於各種新的應用上,而新的協定將會支援可擴充的硬體RAID應用。

(本文作者為LSI台灣區技術工程部資深經理)

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