什么是SAS？簡(jiǎn)單的說(shuō)，SAS是一種磁盤連接技術(shù)。它綜合了現(xiàn)有并行SCSI和串行連接技術(shù)（光纖通道、SSA、IEEE1394及InfiniBand等）的優(yōu)勢(shì)，以串行通訊為協(xié)議基礎(chǔ)架構(gòu)，采用SCSI-3擴(kuò)展指令集并兼容SATA設(shè)備，是多層次的存儲(chǔ)設(shè)備連接協(xié)議棧。

    為了更好的了解SAS技術(shù)，我們先回顧一下幾個(gè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。為了簡(jiǎn)明，這里只以表格形式體現(xiàn)。

    首先是并行SCSI的發(fā)展過(guò)程。

    正是SCSI-3指令集的出現(xiàn)，使得SCSI通訊出現(xiàn)了分層結(jié)構(gòu)，并使SCSI指令通過(guò)其他物理媒介傳輸成為可能。事實(shí)上，SCSI-3指令自誕生之日就被一批新技術(shù)相中，此后出現(xiàn)的光纖通道技術(shù)、SSA技術(shù)、IEEE1394火線技術(shù)等，均受益于這一進(jìn)步。

    這些串行技術(shù)雖然從名字上看與SCSI毫不相干，但其實(shí)它們都支持SCSI-3作為應(yīng)用層邏輯指令。下面是這些串行技術(shù)的簡(jiǎn)要回顧。

    除了并行SCSI和幾種應(yīng)用SCSI-3指令集的串行技術(shù)，我們?cè)俸?jiǎn)單回顧一下ATA技術(shù)的歷史。

    之所以羅列出以上三個(gè)表格，是因?yàn)镾AS技術(shù)正是以串行機(jī)制為基礎(chǔ)，同時(shí)支持SCSI和SATA的協(xié)議棧。了解以上三個(gè)方面的歷史，有助于更方便的理解SAS技術(shù)的特點(diǎn)。為了增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，我們先從外觀入手，慢慢走進(jìn)SAS技術(shù)內(nèi)部。

    上面這張照片就是SAS外部接口的樣子。使用過(guò)InfiniBand交換設(shè)備的朋友一定覺得眼熟，沒錯(cuò)，SAS外部接口和線纜就是借用了InfiniBand線纜的設(shè)計(jì)。不要小看這個(gè)只有并行SCSI一半大的接口。這種端口名叫”四路寬端口”，以目前3Gb的SAS標(biāo)準(zhǔn)，它可以達(dá)到12Gb的帶寬，也就是4 x 3Gb SAS通道。SAS技術(shù)與光纖通道一樣，都采用8位到10位的編碼機(jī)制，12Gb的物理層帶寬換算到應(yīng)用層就是1.2GB/s，這一根線就比目前主流的64位133MHz PCI-X總線還要快。

    SAS磁盤上的端口也與并行SCSI有很大區(qū)別，倒是跟SATA磁盤的端口外觀非常像。接腳最多的一組是電源接口，接腳較少的一組是SAS磁盤主端口，位置都與SATA磁盤電源和通訊端口完全一致。SAS磁盤與SATA磁盤接口的唯一區(qū)別是SAS磁盤還有第二個(gè)冗余端口，而SATA磁盤則只有一個(gè)端口。

    說(shuō)到這里，細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題。既然SAS磁盤與SATA磁盤的端口數(shù)量都不一致，SAS背板又如何完整的兼容SATA磁盤呢？

    不錯(cuò)，如果將SATA磁盤直接插入SAS背板，那么背板上的冗余端口將會(huì)懸空，也就是說(shuō)SATA磁盤只連接在一個(gè)控制器上。這樣雖然陣列控制器或主機(jī)可以使用這些SATA磁盤，但從結(jié)構(gòu)上將無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余。

    為此，一些提供SAS磁盤陣列的廠商，在兼容SATA磁盤時(shí)都在SATA磁盤托架上附加一個(gè)小小的電路板，我們姑且稱之為”端口選擇器”。其作用就是將SATA磁盤上的單端口與兩路SAS同時(shí)連接，從而保證前端控制器或主機(jī)故障切換時(shí)，SATA磁盤仍然能保持連接。

    當(dāng)然物理連接的一致，只是SAS兼容SATA的必要條件。實(shí)際上，在整個(gè)SAS協(xié)議棧中從物理層到應(yīng)用層，都貫穿著一套用來(lái)兼容SATA的協(xié)議。這套協(xié)議被稱為STP（Serial ATA Tunneling Protocol）即”SATA隧道協(xié)議”。從這個(gè)命名就可以看出，SAS兼容SATA的方式其實(shí)就是在從磁盤端到主機(jī)端整條鏈路上，為SATA磁盤特地開辟出一條隧道。

    除了端口設(shè)計(jì)，SAS和SATA磁盤的供電接口也可能是讀者的疑問(wèn)。如果SAS和SATA接口中已經(jīng)包含有供電接腳，傳統(tǒng)的四針式電源是否還有用呢？

    對(duì)磁盤陣列來(lái)說(shuō)，答案顯然是沒有。外置磁盤陣列早在SCSI和IDE年代，就已經(jīng)不使用四針式電源接口了。但是服務(wù)器內(nèi)部的非熱插拔磁盤一般都采用這種接口，而且目前市面上一些SATA磁盤也帶有這種電源接口。這是因?yàn)镾ATA 1.0標(biāo)準(zhǔn)剛剛頒布的時(shí)候，還沒有完全取代四針電源。無(wú)法擺脫四針式電源，就無(wú)法直接支持熱插拔，因此SATA 1.0在當(dāng)時(shí)被定義為僅主機(jī)內(nèi)部連接的協(xié)議，不支持外部連接。不過(guò)這些都已經(jīng)是歷史，現(xiàn)在的SAS和SATA II版本中，四針電源完全沒有存在的必要。

    看過(guò)SAS設(shè)備外觀，我們?cè)倏纯碨AS內(nèi)部的一些工作原理。首先，讓我們先搞清楚三個(gè)名詞–“設(shè)備”（Device）、”端口”（Port）和”phy”。

    “設(shè)備”就是指SAS連接末端的物理設(shè)備，可以是磁盤，也可以是主機(jī)里的SAS適配器，但不是Expander設(shè)備。暫時(shí)不曉得Expander為何物的讀者不要著急，后面會(huì)介紹到。

    “端口”是半物理半邏輯的概念。一方面，每個(gè)端口都對(duì)應(yīng)一條實(shí)實(shí)在在的物理連接線；另一方面，每個(gè)SAS端口都有一個(gè)唯一的64位地址。這個(gè)地址的格式跟光纖通道里的WWN（嚴(yán)格的說(shuō)，應(yīng)該是WWPN，WWNN對(duì)應(yīng)的更像SAS”設(shè)備”名）格式完全相同，由24位公司標(biāo)志和40位廠商自定義字段構(gòu)成。

    “phy”雖然是個(gè)邏輯概念，但功能上很像光纖通道中的SFP。它對(duì)應(yīng)的是一組SAS協(xié)議收發(fā)單元，由一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器組成。每個(gè)phy與遠(yuǎn)端的另外一個(gè)phy連接，構(gòu)成一發(fā)一收兩條鏈路。SAS支持全雙工，就是說(shuō)每個(gè)phy在以3Gbps發(fā)送的同時(shí)，還可以接收3Gbps的流量。

    前面只是簡(jiǎn)單的羅列出設(shè)備、端口和phy各自的大致含義，很多問(wèn)題還需要進(jìn)一步說(shuō)明一下。

    前面我們已經(jīng)提到，每顆SAS磁盤可以提供兩個(gè)SAS連接。那么這兩路SAS連接是同一個(gè)端口的兩個(gè)phy，還是兩個(gè)獨(dú)立的窄端口呢？答案是后者。每顆SAS磁盤上有兩個(gè)phy，這兩個(gè)phy相互獨(dú)立，被兩個(gè)不同的端口使用。再明確點(diǎn)說(shuō)，每顆SAS磁盤有兩個(gè)地址，而不是一個(gè)。記住！每個(gè)地址，就對(duì)應(yīng)一個(gè)端口。

    地址和端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還能幫我們辨清SAS有效連接。Phy之間連通，并不等于端口之間能夠正常通訊。只有當(dāng)一個(gè)端口中所有phy都與對(duì)方端口中的phy連通后，兩個(gè)寬端口的通訊才能正常進(jìn)行。目前寬端口中最常見的，就是前面提到過(guò)的四路寬端口，不過(guò)一些SAS適配器廠商正在設(shè)計(jì)八路寬端口，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)單根線纜2.4GBps甚至4.8GBps的SAS連接。

    說(shuō)到SAS適配器，還有個(gè)有趣的問(wèn)題。目前主流SAS適配器一般支持8個(gè)phy，那么大家猜猜一般適配器支持多少端口地址呢？答案是可以動(dòng)態(tài)設(shè)定。當(dāng)適配器用來(lái)連接外部SAS設(shè)備時(shí)，需要用外部寬端口，這時(shí)適配器將8個(gè)phy劃分成兩個(gè)寬端口，支持兩個(gè)端口地址。而當(dāng)適配器連接內(nèi)部SAS磁盤時(shí)，每個(gè)phy各自屬于自己的端口，適配器將支持8個(gè)端口地址。

    至此，我們雖然明確了一些關(guān)于SAS的技術(shù)概念，但是還不能說(shuō)對(duì)SAS技術(shù)有所了解。SAS技術(shù)的重點(diǎn)部分–Expander及其工作原理，才是熟悉SAS技術(shù)的關(guān)鍵。

    SAS的連接模式與光纖通道的Fabric交換在很多方面十分相似。每一個(gè)SAS Expander就像一臺(tái)光纖通道交換機(jī)，整個(gè)交換結(jié)構(gòu)被稱為”域”（Domain），其意義跟光纖通道技術(shù)中的”域”幾乎完全一樣。在光纖通道Fabric交換結(jié)構(gòu)中，每個(gè)域有一個(gè)主成員，負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)域的路由信息。在SAS域中，起中心交換作用的Expander叫做”扇出Expander”（Fanout Expander）。SAS域中的”扇出Expander”既可以直接連接終端設(shè)備，也能連接其它”邊緣Expander”（Edge Expander）。唯一與光纖通道Fabric不同的是，SAS域中可以沒有”扇出Expander”，而光纖通道Fabric域則不能沒有主成員。沒有”扇出Expander”的SAS域，最多只可以有兩個(gè)”邊緣Expander”。

    理論上，每個(gè)”邊緣Expander”可以支持128個(gè)端口，每個(gè)SAS域可以有128個(gè)”邊緣Expander”，這樣每個(gè)SAS域中最多可以有128 x 128 = 16384個(gè)端口。當(dāng)然，這并不是說(shuō)每個(gè)SAS域可以連接16384個(gè)磁盤和SAS適配器，因?yàn)?#8221;扇出Expander”與”邊緣Expander”相連接時(shí)，會(huì)占用一部分端口。如果128個(gè)”邊緣Expander”全部連接到”扇出Expander”，內(nèi)部互聯(lián)至少要占用256個(gè)端口。也就是說(shuō)，一個(gè)SAS域理論上可以連接16384 – 256 = 16128個(gè)終端SAS設(shè)備。對(duì)比光纖環(huán)路126個(gè)設(shè)備的上限，16128這個(gè)數(shù)字仍然是非?？捎^。

    一些接觸過(guò)SAS存儲(chǔ)產(chǎn)品的讀者，可能此時(shí)會(huì)心存疑惑。為什么SAS單域就可以支持如此眾多設(shè)備，但實(shí)際應(yīng)用中卻經(jīng)?？吹蕉嘤蚰Ｊ降漠a(chǎn)品呢？這其實(shí)跟目前SAS芯片的制造工藝有關(guān)。如果想制造出一個(gè)”扇出Expander”來(lái)支持128個(gè)”邊緣Expander”的連接，那這款”扇出Expander”至少要支持128個(gè)phy（每端口至少一個(gè)phy）。而Expander之間的互聯(lián)一般應(yīng)采用至少四路寬端口，那就需要中心的”扇出Expander”支持4 x 128 = 512個(gè)phy（每端口四個(gè)phy）。而現(xiàn)在的實(shí)際情況是LSI公司的首款SAS芯片只能支持12個(gè)phy，剛剛好是個(gè)零頭。雖然SAS技術(shù)支持多個(gè)Expander芯片組成一個(gè)”Expander組”（Expander Set）來(lái)模擬一個(gè)Expander，但過(guò)多的芯片無(wú)疑會(huì)在制造工藝和成本方面帶來(lái)麻煩。正是基于目前SAS芯片工藝水平，一些磁盤陣列廠商在設(shè)計(jì)陣列擴(kuò)展時(shí)，大多采用多域結(jié)構(gòu)。雖然在軟件設(shè)計(jì)上費(fèi)力多些，但卻可以避開單芯片phy數(shù)量有限的問(wèn)題。

    所謂多域模式，在大多數(shù)情況下，其實(shí)也只不過(guò)是兩個(gè)域而已，即每個(gè)陣列控制器各自屬于自己的SAS域。因?yàn)槟壳暗腟AS交換技術(shù)還不支持域之間的路由，所以要想保證每個(gè)陣列控制器都能訪問(wèn)到所有磁盤，最多只能引入兩個(gè)SAS域。

    SAS技術(shù)借鑒了很多光纖通道技術(shù)的工作原理，對(duì)比光纖通道技術(shù)可以幫助我們更好的了解SAS技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

    前面已經(jīng)提到，SAS端口地址與光纖通道中的WWN格式幾乎完全一樣，但其使用方式還是略有區(qū)別。SAS域中，端口地址直接作為交換路由表的內(nèi)容，沒有任何轉(zhuǎn)換過(guò)程，而光纖通道的Fabric交換中并不直接采用WWN地址，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程，由名字服務(wù)器對(duì)每個(gè)設(shè)備二次分發(fā)路由地址。光纖通道之所以這樣設(shè)計(jì)原因很明顯，因?yàn)樵贔abric交換中要支持環(huán)路設(shè)備，所以不得不兼顧各種編址。實(shí)際上在光纖通道交換域中，每個(gè)設(shè)備要經(jīng)過(guò)三層登陸（FLOGI、PLOGI/LOGO、PRLI/PRLO）才能接入域中。這頗像一個(gè)臃腫的官僚機(jī)構(gòu)，雖然體系龐大，卻效率低下。而SAS技術(shù)舍棄了光纖通道中的仲裁環(huán)機(jī)制，從而大大簡(jiǎn)化了交換與地址的關(guān)系。在SAS域中，再也不需要關(guān)心那些惱人的繁文縟節(jié)了。

    由于交換模式的簡(jiǎn)化，SAS設(shè)備與Expander之間不需要通過(guò)復(fù)雜的磋商，簡(jiǎn)單的握手之后就開始正常工作了，這就需要雙方事前就很多方面必須達(dá)成一致共識(shí)。”服務(wù)級(jí)別”就是共識(shí)之一。我們知道光纖通道可以支持五種不同級(jí)別的交換服務(wù)，分別是Class 1、2、3、4和6。這其中最常用到的是Class 3，即無(wú)確認(rèn)的幀交換。這種模式好比不負(fù)責(zé)任的郵遞員，反正有收信人和發(fā)信人互相確認(rèn)，他自己根本不操心包裹是否完好。由于光纖通道技術(shù)中沒有phy這個(gè)層次的設(shè)計(jì)，Class 3是效率最高的工作模式。而SAS則不然，借由phy的底層獨(dú)占式互聯(lián)機(jī)制，SAS中的服務(wù)級(jí)別更像Class 1模式，即虛擬電路全帶寬連接。這種模式最能夠充分保證每一組SAS設(shè)備之間的通訊帶寬，同時(shí)數(shù)據(jù)的誤傳輸概率也降到最低。

    由于光纖通道技術(shù)中層次臃腫的通訊機(jī)制，主機(jī)端光纖適配器很難直接察覺到磁盤端設(shè)備狀態(tài)的變化。就好比一個(gè)高高在上的官僚，很難知道底層普通市民的住址變遷。為此，光纖通道交換設(shè)計(jì)了”注冊(cè)狀態(tài)變更通知”（RSCN，Registered State Change Notification）機(jī)制。就是讓每個(gè)普通市民在搬家之后，都要主動(dòng)向政府匯報(bào)新地址，政府再將地址簿匯總更新，送交各位領(lǐng)導(dǎo)案頭，而官僚們就依據(jù)案頭的記錄信息定位每個(gè)市民。遺憾的是，這個(gè)RSCN會(huì)打斷領(lǐng)導(dǎo)們正在進(jìn)行的溝通，迫使領(lǐng)導(dǎo)們的工作重新開始，因此嚴(yán)重影響整個(gè)政府的辦公效率。而在SAS域中，由于沒有了復(fù)雜的溝通層次，每位領(lǐng)導(dǎo)都可以直接掌握市民的住址信息，辦公效率自然就提高許多。

    SAS與光纖通道相比，最明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于連接帶寬。簡(jiǎn)單從數(shù)字上看，3Gb的SAS似乎不及4Gb的光纖通道，但光纖通道技術(shù)中端口已經(jīng)是最基本的邏輯單元，也就是說(shuō)，兩個(gè)物理端口間的連接就只可能是4Gb帶寬。而SAS則巧妙的在端口中引入phy這個(gè)新的邏輯單元，兩個(gè)phy之間的互聯(lián)帶寬為3Gb，每端口可以包含4個(gè)或8個(gè)phy之多，這樣兩個(gè)SAS端口之間的連接很容易達(dá)到12Gb甚至24Gb超高帶寬。

    總之，SAS在借鑒光纖通道技術(shù)特點(diǎn)的同時(shí)，一方面大刀闊斧簡(jiǎn)化交換機(jī)制，從而提升了交換效率和可靠性，另一方面增加了phy虛擬電路單元，大大增加了性能擴(kuò)展空間。

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