SATA技术

引言

在2002到2003两年间，串行ATA（Serial Advanced Technology Attachment，以下简称SATA）技术以其在传统的从低端到企业级存储市场中的突破性发展，吸引了众多的目光。SATA技术的出现，为客户提供了除昂贵的光纤通道（Fibre Channel，以下简称FC）和小型计算机接口（Small Computer System Interface，以下简称SCSI）技术之外的更多选择。SATA技术的冲击不仅波及到普通的桌面用户，在高端服务器、NAS和SAN应用环境中也受到各大厂商的关注和采纳。

然而，近年来SATA的价值却更多的表现在它的象征意义上。

一方面，它成为解决集中存储问题的新途径的经典范例，使得客户能够在保持系统性能和可管理性的同时，实现更大的存储容量。

另一方面，SATA技术的局限也越来越多地显露出来，使其在许多应用环境中均无法被采用，因而为FC和SCSI留下了市场空间。基本上说，SATA技术已经被证明了其理论的可行性，同时由于其显著的经济性，也获得了进一步发展的推动力。

因此，2004年和2005年便很自然的成为SATA-II技术到来的时期。这个源于SATA标准的新一代技术标准被视为实现SATA作为存储接口技术，由低端到高端的转变，它架起了由面向桌面环境通往面向服务器环境的桥梁。使SATA作为低成本的存储解决方案，用于服务器、NAS和SAN环境成为可能。参看表格1：存储接口特性比较

表格 1存储接口特性比较

 

ATA

SATA

SCSI

SAS

FC

传输类型

并行

串行

并行

串行

串行

地址数量

2

1或16（采用SATA II）

16

128

16,000,000

连接距离（m）

0.5

1

12

10

10km

连接端口

90针

7针

68针

7针

铜缆/光纤

双端口

否

否

否

是

是

拓扑结构

总线

点到点

总线

点到点

环路，交换式网络

全双工

半双工

半双工

半双工

全双工

全双工

最大设备

2

1或者15（端口复用）

16

4096采用增强器（expanders）

环路方式下127，交换式网络方式下16,000,000个

线缆长度（m）

0.4

1

12

10

铜缆30，光纤300

应用类型

内部存储

ATA RAID，服务器和高端工作站

中端和企业级服务器

中端和企业级服务器

存储区域网络（SAN）和企业级服务器

 

尽管总会有一些情况下，客户必须使用高端的FC或SCSI驱动器，但是SATA-II却提供了一种更加经济，却依然可行的选择。

SATA-II正在弥合SATA和FC/SCSI之间原本不可逾越的鸿沟。本地指令队列（Native Command Queuing），组件管理（Enclosure Management）和端口复用（Port Mulitplier）就是解决这一问题的关键。

本文，将会分析当前SATA解决方案的价值与局限，以及SATA-II将如何解决这些问题。

SATA是个巨大的成功

很少有人能够预见到SATA技术会在桌面环境之外引起那么多关注。最初，存储连接技术被明确的划分为两个领域：即用于个人计算的IDE技术，和面向服务器计算环境的SCSI与FC技术。这两种环境的需求极不相同，价值取向也大不一样。

ATA用户的典型业务一般运行在个人计算机上，采用单线程的应用程序，8x5的使用模式。他们认为有好的性能固然好，但是成本却是更为重要。而在另一方面，SCSI和FC用户的业务一般运行在服务器或高端工作站上，采用多线程的应用程序，24x7的使用模式，他们在承认成本的重要性的同时，更将性能列为首位来考虑。

随着计算机工业的发展和计算机的普及，服务器和高端工作站在忽然间进入到了小型办公室、学校和家庭。这使成本的不断降低变得比以往更为重要。许多制造商开始采用入门级的ATA存储解决方案来吸引客户。然而最终目的仍然是销售更加昂贵且更有效率的SCSI方案。虽然也有一部分SCSI和FC的制造商对于这种做法有些担心，但是他们仍然相信ATA不会给他们的业务带来真正的挑战。如果要说有所担心的话，也是对于网络泡沫破裂之后，大量的互联网公司（.com公司）失败引起的市场恐慌。

正是在这样的条件下，出现了SATA技术。从本质上说，SATA与ATA没有区别，除了ATA采用并行数据流，而SATA采用串行数据流。新的SATA标准的悄然出现是有着非常现实的原因的。一方面，ATA在数据传输速度的可靠性上无法保障，线缆布置的混乱使得设计必要的处理器冷却气流面临着考验；而另一方面，新的0.13微米和90纳米技术的应用使得原有的5V电源电压变得无法承受了。参看图表1：ATA与SATA接口比较

 

图表 1 ATA与SATA接口比较

l         支持更高的峰值速率133MB/s

l         支持最多每条总线2个设备（PC一般提供2个，有时4个ATA总线）

l         ATA 66/100/133需要相对较短的排线（18英寸），妨碍了IDE设备用于PC的外部连接

 

l         串行ATA是用于连接如硬盘驱动器、DVD和CD-RW驱动器等存储设备到主板的点到点的接口技术

l         串行ATA是一种可扩展的接口技术解决方案，并且支持传输速率的成倍提升以支持未来的设备

l         设备通过专用链路直接连接到主机，独占整个传输带宽，无须争用

l         消除了为协调共享总线的主、从设备的访问而带来的开销

SATA提供了一个存储系统如何应用于专业环境中的新概念。这种串行的接口方式允许更多的端口集成在同一片硅晶片上，因而传统的双通道的ATA控制器可以被替换成8端口的SATA控制器。并且，新的线缆使得连接更多地硬盘较之ATA更为容易。ATA仅能连接4块硬盘，然而SATA能够最多连接8块。参看图表2：SATA线缆和连接。这些优势与SATA控制器的低成本一起，创建了一种新的商业模式。在我们可以花费更少的钱，使用4块、5块或6块SATA硬盘创建RAID5的时候，为什么还要使用SCSI硬盘呢？

图表 2 SATA线缆和连接

即使SATA有着这些新的好处，在某些领域里，仍然无法与SCSI和FC竞争。SATA 1.0的最大成就，就是告诉人们在存储领域里还有着另一种选择，而SATA正散发着耀眼的光芒。

SATA的不足

SATA的主要局限在于——就像它的名字所说的——它只是“串行的ATA”。随之而来的就是对于现有的并行ATA（PATA）在协议、可管理性、用途、和可靠性等方面的质疑。这些限制可以分为两个主要的问题：第一，机械盘体；第二，协议。

SCSI的盘体是专为高性能、高可靠性，24x7工作和多线程的应用类型设计的。他们被设计成紧凑的叠合的构造以达到更高的平均故障间隔时间（MTBF），所有的机械机构均满足高端服务器环境的要求。相比之下，SATA的盘体却是为了在个人电脑（PC）环境下单独使用而设计的；而不是针对服务器领域的多硬盘环境，在这种情况下，硬盘的振动会对其它硬盘的轴承产生影响。难以预料的发热量也是多线程环境下需要考虑的一个重要因素。

SCSI和SATA都有自己的价值。SCSI、FC和SAS（Serial Attach SCSI，产生于2004年以后）可提供顶级的传输性能，而SATA却提供了更好的经济性，以用于不那么苛刻的市场和用户。说到协议问题，至少有三个领域影响SATA服务器的潜能：

l         性能问题

l         可管理性

l         连接能力

主要的性能限制来自于前面提到的机械机构的问题。此外，在应用类型为大量的随机访问和重复指令时，SATA技术无法带来任何的好处。

SATA一次只能处理一个指令。例如， SATA硬盘如果用于视频服务器，性能也许足够；但是如果用于多种类型的交易处理环境，将不会得到满意的性能。

当你购买RAID控制器时，原因是希望在硬盘故障时，仍能保证数据的完整性和系统的功能。而当采用SATA盘时，由于硬盘更高的故障率，使用RAID就更为重要了。这就是为什么可管理性限制会成为问题。假设你有一块坏盘需要更换，对于SCSI、FC和SAS，有一种基于SAF-TE的机制使得故障盘可以通过指示灯标记出来；而对于SATA硬盘来说，没有这样的指示灯可以显示哪块硬盘故障。因此用户将会面临由于换错硬盘而带来的数据丢失的风险。

虽然SATA硬盘价格低廉，整个SATA的解决方案却未必便宜。主要原因是当使用SATA 1.0时，一个控制器的每个端口只能连接一块硬盘。如果需要8块硬盘，必须使用8个端口。在每个端口价格40美元时，这个方案并不便宜。而且，SATA 1.0控制器不能有效地利用传输带宽。虽然SATA 1.0提供150MB/s的峰值速率，最快的SATA硬盘驱动器只有大约60MB/s。基本上每个端口带宽的使用率仅能达到60%到70%。

SATA II：通向企业级存储领域的桥梁

SATA II的引入，主要目的是解决SATA 1.0的局限性，以使该技术适合于大规模扩展的专业部署环境。参看表格二：SATA I 与SATA II比较。

表格 2 SATA I 与SATA II比较

SATA I 特性

SATA II 阶段一特性

SATA II 阶段二特性

100%的软件兼容性

本地指令队列

双活的主机通道

失效切换

最长1米的细SATA线缆

SES和SAF-TE设备管理

大量磁盘的有效连接

更低的针数量，和电源电压

互联背板支持扩展追踪长度

3.0GB（300MB/s）

支持热插拔

数据分散/聚集

 

更低的电源要求

 

 

 

概括的说，SATA II有以下五个主要特性：

l         更高的端口传输率（3Gbs——300MB/s）

l         本地命令队列

l         组件管理

l         端口复用

l         可升级到SAS

经过上面的讨论，您也许会觉得奇怪：为什么要增加端口的传输率呢？在每个端口连接一块硬盘的情况下，150MB/s的带宽确实已经很浪费了，因为一块硬盘是无法占有全部的带宽的。但是，由于SATA II允许多个硬盘连接到同一个端口（参见图3：端口复用），更高的传输速率是有必要的，它使得单个端口可以连接4到8块硬盘。

图表 3 端口复用

本地命令队列使得硬盘可以同时从处理器获得多个数据请求，并且对其进行重新排序以获得最高的吞吐量。盘体虽然仍然制约着性能，但是协议方面已经在开始拉近SATA与SCSI、FC之间的差距了。为了发挥这个特性的优势，硬盘制造商需要提供具有合适的算法和计算能力的新硬盘。参见图4：本地命令队列

图表 4 较本地命令队列

例如：当指令A-B-C-D发出时

l         无队列情况：

n         依照A-B-C-D顺序执行

n         需要旋转2周

l         有队列情况

n         依照B-D-A-C顺序执行

n         只需旋转1周

还记得上一节提到的使用SATA硬盘建立RAID的用户无法知道哪块硬盘故障的问题吗？组件管理就是用来解决这个问题的。原来用于SCSI和FC监控的协议被移植到SATA中来，完全弥补了前面提到的差距。

端口复用技术，就像前面见到描述的一样，允许最多15块硬盘连接到同一个端口上。虽然这个硬盘数量可能不会被达到，但是4到8个硬盘连接到同一个端口是很有可能的。从成本角度考虑，这是一个非常有效的解决办法。SATA II还具备其它SATA 1.0所没有的优势，包括更少的线缆，更有效的空间利用，高达32块硬盘的扩展性。

SAS已经在2004年年底发布。由于SAS和SATA相似的物理和电子特性，SAS系统既可以使用SAS的硬盘，在某些应用环境下也可以使用SATA硬盘来降低总体成本。客户也有可能通过将SATA硬盘移动到SAS系统中来实现SATA到SAS的无缝升级。

也许将会有许多的服务器和存储供应商提供SAS的基础架构（例如外壳、背板、线缆等等），而用户既可以插入高价格、高性能的SAS硬盘，也可以插入低价格、低性能，但是更大容量的SATA硬盘。

SATA II的未来？

如果SATA II能够弥合在协议和逻辑上与SCSI、SAS和FC的差距，并仍能保持明显的价格优势的话，为什么不能成为存储接口的一个选择呢？应当注意的是，当使用SATA 1.0和现在的SATA II建立新的存储系统的时候，并不需要完全取代现有的系统。

例如：

l         仍然有一部分应用程序需要最好的性能，而低价格相对不是那么重要

l         SATA盘价格便宜，而且即使额外购买备用盘，价格依然十分诱人。但是，许多应用要求经过培训的人员进行维护，即使是执行类似更换磁盘和重建RAID这样的简单操作也是这样。这有可能引起整个方案成本的增加。

l         SATA无法提供真正的外部存储连接的解决方案。虽然推动SATA标准支持外部存储连接方案的工作也在进行中，但是也只是针对非关键性业务，而不适用于服务器连接外部存储设备的环境。在这些环境中，将仍会使用SCSI、SAS和FC。只有当设备变得更小，1U的机架式和刀片式服务器占据主导时，SATA连接外部存储的解决方案才会被考虑。

SATA必将会成为存储市场的一个重要成员，并占有自己的一席之地。