什么是SAS？簡單的說，SAS是一種磁盤連接技術。它綜合了現有并行SCSI和串行連接技術（光纖通道、SSA、IEEE1394及InfiniBand等）的優勢，以串行通訊為協議基礎架構，采用SCSI-3擴展指令集并兼容SATA設備，是多層次的存儲設備連接協議棧。

    為了更好的了解SAS技術，我們先回顧一下幾個相關技術的發展過程。為了簡明，這里只以表格形式體現。

    首先是并行SCSI的發展過程。

    正是SCSI-3指令集的出現，使得SCSI通訊出現了分層結構，并使SCSI指令通過其他物理媒介傳輸成為可能。事實上，SCSI-3指令自誕生之日就被一批新技術相中，此后出現的光纖通道技術、SSA技術、IEEE1394火線技術等，均受益于這一進步。

    這些串行技術雖然從名字上看與SCSI毫不相干，但其實它們都支持SCSI-3作為應用層邏輯指令。下面是這些串行技術的簡要回顧。

    除了并行SCSI和幾種應用SCSI-3指令集的串行技術，我們再簡單回顧一下ATA技術的歷史。

    之所以羅列出以上三個表格，是因為SAS技術正是以串行機制為基礎，同時支持SCSI和SATA的協議棧。了解以上三個方面的歷史，有助于更方便的理解SAS技術的特點。為了增強感性認識，我們先從外觀入手，慢慢走進SAS技術內部。

    上面這張照片就是SAS外部接口的樣子。使用過InfiniBand交換設備的朋友一定覺得眼熟，沒錯，SAS外部接口和線纜就是借用了InfiniBand線纜的設計。不要小看這個只有并行SCSI一半大的接口。這種端口名叫”四路寬端口”，以目前3Gb的SAS標準，它可以達到12Gb的帶寬，也就是4 x 3Gb SAS通道。SAS技術與光纖通道一樣，都采用8位到10位的編碼機制，12Gb的物理層帶寬換算到應用層就是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磁盤接口的唯一區別是SAS磁盤還有第二個冗余端口，而SATA磁盤則只有一個端口。

    說到這里，細心的讀者會發現一個問題。既然SAS磁盤與SATA磁盤的端口數量都不一致，SAS背板又如何完整的兼容SATA磁盤呢？

    不錯，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懸空，也就是說SATA磁盤只連接在一個控制器上。這樣雖然陣列控制器或主機可以使用這些SATA磁盤，但從結構上將無法實現冗余。

    為此，一些提供SAS磁盤陣列的廠商，在兼容SATA磁盤時都在SATA磁盤托架上附加一個小小的電路板，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同時連接，從而保證前端控制器或主機故障切換時，SATA磁盤仍然能保持連接。

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

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

    對磁盤陣列來說，答案顯然是沒有。外置磁盤陣列早在SCSI和IDE年代，就已經不使用四針式電源接口了。但是服務器內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。這是因為SATA 1.0標準剛剛頒布的時候，還沒有完全取代四針電源。無法擺脫四針式電源，就無法直接支持熱插拔，因此SATA 1.0在當時被定義為僅主機內部連接的協議，不支持外部連接。不過這些都已經是歷史，現在的SAS和SATA II版本中，四針電源完全沒有存在的必要。

    看過SAS設備外觀，我們再看看SAS內部的一些工作原理。首先，讓我們先搞清楚三個名詞–“設備”（Device）、”端口”（Port）和”phy”。

    “設備”就是指SAS連接末端的物理設備，可以是磁盤，也可以是主機里的SAS適配器，但不是Expander設備。暫時不曉得Expander為何物的讀者不要著急，后面會介紹到。

    “端口”是半物理半邏輯的概念。一方面，每個端口都對應一條實實在在的物理連接線；另一方面，每個SAS端口都有一個唯一的64位地址。這個地址的格式跟光纖通道里的WWN（嚴格的說，應該是WWPN，WWNN對應的更像SAS”設備”名）格式完全相同，由24位公司標志和40位廠商自定義字段構成。

    “phy”雖然是個邏輯概念，但功能上很像光纖通道中的SFP。它對應的是一組SAS協議收發單元，由一個發送器和一個接收器組成。每個phy與遠端的另外一個phy連接，構成一發一收兩條鏈路。SAS支持全雙工，就是說每個phy在以3Gbps發送的同時，還可以接收3Gbps的流量。

    前面只是簡單的羅列出設備、端口和phy各自的大致含義，很多問題還需要進一步說明一下。

    前面我們已經提到，每顆SAS磁盤可以提供兩個SAS連接。那么這兩路SAS連接是同一個端口的兩個phy，還是兩個獨立的窄端口呢？答案是后者。每顆SAS磁盤上有兩個phy，這兩個phy相互獨立，被兩個不同的端口使用。再明確點說，每顆SAS磁盤有兩個地址，而不是一個。記??！每個地址，就對應一個端口。

    地址和端口的對應關系，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。只有當一個端口中所有phy都與對方端口中的phy連通后，兩個寬端口的通訊才能正常進行。目前寬端口中最常見的，就是前面提到過的四路寬端口，不過一些SAS適配器廠商正在設計八路寬端口，未來可能會出現單根線纜2.4GBps甚至4.8GBps的SAS連接。

    說到SAS適配器，還有個有趣的問題。目前主流SAS適配器一般支持8個phy，那么大家猜猜一般適配器支持多少端口地址呢？答案是可以動態設定。當適配器用來連接外部SAS設備時，需要用外部寬端口，這時適配器將8個phy劃分成兩個寬端口，支持兩個端口地址。而當適配器連接內部SAS磁盤時，每個phy各自屬于自己的端口，適配器將支持8個端口地址。

    至此，我們雖然明確了一些關于SAS的技術概念，但是還不能說對SAS技術有所了解。SAS技術的重點部分–Expander及其工作原理，才是熟悉SAS技術的關鍵。

    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SAS Expander就像一臺光纖通道交換機，整個交換結構被稱為”域”（Domain），其意義跟光纖通道技術中的”域”幾乎完全一樣。在光纖通道Fabric交換結構中，每個域有一個主成員，負責維護整個域的路由信息。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”邊緣Expander”。

    理論上，每個”邊緣Expander”可以支持128個端口，每個SAS域可以有128個”邊緣Expander”，這樣每個SAS域中最多可以有128 x 128 = 16384個端口。當然，這并不是說每個SAS域可以連接16384個磁盤和SAS適配器，因為”扇出Expander”與”邊緣Expander”相連接時，會占用一部分端口。如果128個”邊緣Expander”全部連接到”扇出Expander”，內部互聯至少要占用256個端口。也就是說，一個SAS域理論上可以連接16384 – 256 = 16128個終端SAS設備。對比光纖環路126個設備的上限，16128這個數字仍然是非?？捎^。

    一些接觸過SAS存儲產品的讀者，可能此時會心存疑惑。為什么SAS單域就可以支持如此眾多設備，但實際應用中卻經?？吹蕉嘤蚰Ｊ降漠a品呢？這其實跟目前SAS芯片的制造工藝有關。如果想制造出一個”扇出Expander”來支持128個”邊緣Expander”的連接，那這款”扇出Expander”至少要支持128個phy（每端口至少一個phy）。而Expander之間的互聯一般應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phy（每端口四個phy）。而現在的實際情況是LSI公司的首款SAS芯片只能支持12個phy，剛剛好是個零頭。雖然SAS技術支持多個Expander芯片組成一個”Expander組”（Expander Set）來模擬一個Expander，但過多的芯片無疑會在制造工藝和成本方面帶來麻煩。正是基于目前SAS芯片工藝水平，一些磁盤陣列廠商在設計陣列擴展時，大多采用多域結構。雖然在軟件設計上費力多些，但卻可以避開單芯片phy數量有限的問題。

    所謂多域模式，在大多數情況下，其實也只不過是兩個域而已，即每個陣列控制器各自屬于自己的SAS域。因為目前的SAS交換技術還不支持域之間的路由，所以要想保證每個陣列控制器都能訪問到所有磁盤，最多只能引入兩個SAS域。

    SAS技術借鑒了很多光纖通道技術的工作原理，對比光纖通道技術可以幫助我們更好的了解SAS技術優勢。

    前面已經提到，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別。SAS域中，端口地址直接作為交換路由表的內容，沒有任何轉換過程，而光纖通道的Fabric交換中并不直接采用WWN地址，而是要經過一個轉換過程，由名字服務器對每個設備二次分發路由地址。光纖通道之所以這樣設計原因很明顯，因為在Fabric交換中要支持環路設備，所以不得不兼顧各種編址。實際上在光纖通道交換域中，每個設備要經過三層登陸（FLOGI、PLOGI/LOGO、PRLI/PRLO）才能接入域中。這頗像一個臃腫的官僚機構，雖然體系龐大，卻效率低下。而SAS技術舍棄了光纖通道中的仲裁環機制，從而大大簡化了交換與地址的關系。在SAS域中，再也不需要關心那些惱人的繁文縟節了。

    由于交換模式的簡化，SAS設備與Expander之間不需要通過復雜的磋商，簡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成一致共識。”服務級別”就是共識之一。我們知道光纖通道可以支持五種不同級別的交換服務，分別是Class 1、2、3、4和6。這其中最常用到的是Class 3，即無確認的幀交換。這種模式好比不負責任的郵遞員，反正有收信人和發信人互相確認，他自己根本不操心包裹是否完好。由于光纖通道技術中沒有phy這個層次的設計，Class 3是效率最高的工作模式。而SAS則不然，借由phy的底層獨占式互聯機制，SAS中的服務級別更像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設備之間的通訊帶寬，同時數據的誤傳輸概率也降到最低。

    由于光纖通道技術中層次臃腫的通訊機制，主機端光纖適配器很難直接察覺到磁盤端設備狀態的變化。就好比一個高高在上的官僚，很難知道底層普通市民的住址變遷。為此，光纖通道交換設計了”注冊狀態變更通知”（RSCN，Registered State Change Notification）機制。就是讓每個普通市民在搬家之后，都要主動向政府匯報新地址，政府再將地址簿匯總更新，送交各位領導案頭，而官僚們就依據案頭的記錄信息定位每個市民。遺憾的是，這個RSCN會打斷領導們正在進行的溝通，迫使領導們的工作重新開始，因此嚴重影響整個政府的辦公效率。而在SAS域中，由于沒有了復雜的溝通層次，每位領導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，最明顯的技術優勢在于連接帶寬。簡單從數字上看，3Gb的SAS似乎不及4Gb的光纖通道，但光纖通道技術中端口已經是最基本的邏輯單元，也就是說，兩個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這個新的邏輯單元，兩個phy之間的互聯帶寬為3Gb，每端口可以包含4個或8個phy之多，這樣兩個SAS端口之間的連接很容易達到12Gb甚至24Gb超高帶寬。

    總之，SAS在借鑒光纖通道技術特點的同時，一方面大刀闊斧簡化交換機制，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，大大增加了性能擴展空間。

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