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2020-05-22 浏览量:962 点赞:904 收藏:580
硬碟机
  • 企业端SAS?消费级SATA?机械式硬碟介面浅谈

    企业端SAS?消费级SATA?机械式硬碟介面浅谈电脑D

    在固态硬碟日益风行的现代,我们免不了还是需要加装数颗机械式硬碟,储存大容量影片、音乐、文件等档案,以取得存取速度与储存成本之间的平衡点。众所周知,以机械式硬碟而言,目前我们在市场上常见的储存介面,多以

    SATA介面规格(Serial ATA,SATA)为主;而事实上,早期在企业端常见的SCSI介面规格(Serial Attached SCSI, SAS),迄今依然佔有一席之地。然而,SATA与SAS这两种迥然有异的介面,在效能与应用上有何不同?对许多读者来说,可谓似懂非懂,往往令人发出模稜两可的感慨。今天,胖达透过效能测试与解说,一解读者心中长年疑惑;让你在储存设备的搭建上,更加随心所欲,得心应手。

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    图 / 本次选取两颗同为WD企业级之4TB硬碟进行测试,左方介面为SATA,右方则为SAS介面。

    ■ SATA崛起 IDE老兵凋零

    对许多电脑玩家来说,家中或许仍留有IDE介面规格硬碟,然而,随着科技进步,IDE规格缺点逐一浮现;甚至英特尔在P965晶片组时取消对IDE的原生支援,即可窥探一二。近年来,个人电脑的硬碟传输介面,已为SATA(Serial Advanced Technology Attachment)所取代;而传统IDE硬碟也已成昨日黄花,风华褪尽。

    顾名思义,SATA採用序列式资料传输而得名。过往IDE介面採用点对单模讯号放大技术,最大的缺点,则在于杂讯会随着正常讯号一同放大后传输,尤在高速传输时特别严重。因此,为了减缓杂讯干扰,两权相害取其轻,在技术上便使用了大电压进行讯号传输,盖过小电压的杂讯干扰。然而,大电压不利于高速传输系统之设计,在驱动电路的成本上也较为高昂。

    相对之下,SATA採用了差动讯号放大技术,没有IDE规格杂讯易与正常讯号放大的问题;也因此,SATA只需要较低的电压即可实现高速传输的可能性。SATA除了速度更快之外,同时支援热插拔功能,只要在Bios中设定完毕,即可在运行硬体即时插拔;除此之外,SATA汇流槽採取嵌入式时脉讯号,拥有相对IDE更好的纠错能力,强化了资料传输时的可靠度。在规格上,计有SATA 1.5Gbps、SATA 3Gbps以及SATA 6Gbps三种规格,也就是我们惯称的SATA I、SATA II、以及SATA III。对DIY族群来说,介面上的简化,从IDE粗软的排线与易歪的针脚,演化成SATA较细的排线与金属卡扣,不只更好装,也更不容易无心撞落。另一方面,硬碟数量一多时,受惠于线材的进步,机壳内的对流、散热,也提供更好的工作条件,整体而论,平台稳定性有了大幅的提昇与强化。

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    图 / 早期传统硬碟採用IDE介面,今日主流个人电脑已不常见。

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    图 / SATA硬碟也有企业端产品。WD4000FYYZ即为企业级硬碟,採用SATA介面,一般主机板也可适用。

    ■ SAS 2.0 企业端主流介面

    我们知道,企业端对于储存的要求,除了着重效率之外,最重要的,莫过于稳定性与可靠性。因此,早期高阶企业端,一直都是SCSI规格宰制天下的局面,尤其当年推出Ultra 320规格时,更是刮起了一阵旋风,演译了SCSI效能与稳定性两全其美的一段佳话,使得当时企业端用户,几乎都选择了SCSI介面作为主要的储存工具。

    不过,这个局面在SATA规格推出后,情势开始丕变。SATA相对于IDE革命性的跃升改变,顿时吸引众人目光,再考虑到成本、效能与可靠度上,此时SCSI介面的王者地位似乎开始摇摇欲坠;也因此,SCSI终于推出了下一代企业级杀手锏︰Serial Attached SCSI。也就是今日我们惯称的SAS介面。

    事实上,企业端在储存介面选择上,除了SATA与SAS之外,尚有FC(Fiber Chanel,光纤)与SSD方案可供建置。在早期SAS 1.0(1.5Gbps) 与SAS 1.5(3Gbps)时代,FC早已提供了高达4Gbps的储存效率,当时的SSD仍不成气候,因此诸多大型工作站皆採用了FC方式,以作为资料高速处理的最佳选择。

    然而,随着SAS 2.0规範横空出世,提供高达6.0Gbps的储存速度后,并考虑到成本上的差距,企业端又将目光投注到SAS介面身上;目前来看,最有机会挑战SAS地位的,则非SSD莫属。然而,SAS介面,仍有许多优势是SATA与SSD无可比拟的,而这些优势,恰恰都是企业端用户所重视的部份。

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    图 / WD4001FYYG企业级硬碟,採用SAS介面,与SATA介面迥然有异。

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    图 / 光纤介面硬碟,早期高速工作站的首选。尤其在布置SAN资料环境时,有诸多优势。

    ■ MTBF 工作寿命週期

    首先,在MTBF(Mean Time Between Failure,平均故障间隔时间)上,SAS硬碟有着过人一等的优势。而什幺是MTBF呢?事实上,不只在硬碟,在其他的电子、机械产品上,诸如︰电视机、冷气机、汽车等,厂商都会经由抽样与估算,得到一个产品的工作寿命週期,以白话来说,就是我们讲的︰用多久才会坏掉。

    SAS硬碟作为企业级导向,设计之初,即以24×7为速求,意即︰每天工作24小时,连续7天不停运转。以挈合企业端长年不关机的工作环境;也因此,平均故障间隔时间高达100万小时以上。相较之下,一般SATA硬碟设计取向为8×5,聪明的读者可能已经猜到,意即︰每天工作8小时,连续5天不停运转。换句话说,当你下班及周休二日时,硬碟也跟着你一起放假,运转承受温度也不若SAS硬碟高,平均故障间隔时间约为65万小时以上。此外,SAS与SATA一样,皆有防呆设计,除非暴力硬插,否则不会有插错损坏的情况发生。

    值得一提的,则是WD 红标系列硬碟。由于红标主要用来供给NAS使用,一般来说,NAS几乎很少关机;因此,WD红标虽说採用SATA介面,但是在设计上,则与SAS硬碟相似,具有24×7的特性。也因此,可见到近期部份预算有限的中小企业,选用WD红标系列加以建置备份储存站,主因则在于耐用、可靠;而存取效率,则非首要之顾念。

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    图 / SAS排线介面繁多,其中SFF8482介面规格可让SATA装置,诸如︰SATA硬碟、光碟机等连接至

    SAS控制器。但是SAS装置则无法连接到SATA控制器。

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    图 / WD 红标硬碟虽非定位于企业级用途,但仍主打24×7耐用特性

    ,MTBF自然高上一筹。这自然是近期红标硬碟畅销缺货的原因之一。

    ■ 强化IOPS存取效率

    随着智慧型手机、平板电脑等行动装置的兴起,云端口号在近年来被喊得极为响亮。像是Youtube、KKBOX、Pixnet这类数位影像、音乐、图片等服务,则更加深植使用者生活中的每一处。因此,许多创意网站,也开始提供不同型态的云端服务,而这类服务需要更强大的储存效能,以利于在同一个时间中,被不同的使用者所存取。

    另一方面,即使是传统的企业端用户,如果公司建置了强大的企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning,ERP),除了能将前端资料进行分析后,无缝接轨传予后端进行即时分析与决策判断之外,多个部门单位在同一时间的大量存取,也考验着硬碟的IOPS能力。

    身为SCSI新一代接班人,SAS在每秒存取运转次数(Input/Output Operations Per Second,IOPS)上,相对SATA硬碟有着过人一等的优势。胖达举企业端必然会遇到的交易资料为例,像是公司每时每刻帐目变化,或是每时每刻的库存进出,这类资料通常包含公司的现金流量、物料库存、报表分析等数据。资料随时再变,对硬碟的IOPS来说,无疑是一大挑战。也因此,通常这类资料会集中在特定的检查点进行读取、修改以及重写。

    相对来说,静态资料(reference data)则属于初次写入后不再改变的形态,你所拍的照片或是客户寄给你的电子邮件即为一例;这类资料IOPS通常负荷较小,不需重度繁杂的存取与修改写入。

    也因此,如果在考量成本的前提下,能够兼顾IOPS效率与储存密度,无疑是上佳首选。SAS硬碟除了IOPS能力卓越之外,并可与SATA介面相容,同时支援其热插拔技术;反之,SATA介面并无法相容SAS硬碟。由这个面向来看,SAS对企业端而言,具有更加弹性的储存建置能力。换句话说,建置SAS介面系统,如果成本有限,可加装机械式SATA硬碟,以兼顾IOPS及储存密度的目标需求;如果预算宽鬆,也可加装SSD,更加强化IOPS效率。近年来,对于同一时间存取密集的云端服务商来说,更是颇为热门的选择。

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    图 / 许多企业导入刀锋伺服器(Blade Server),当中即採用SAS硬碟,以利IOPS效率提昇。

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    图 / 所谓ERP系统,即为企业中各单位的资源垂直整合,在动态运作下实现最佳决策。

    因此对硬碟的密集存取可想而知。

    ■ SAS控制器相容SATA装置

    在上一段文章中,想必部份读者对于SAS与SATA之间的相容性会有些许好奇。由于SAS採用了一种类似「SATA实体层+SCSI传输指令」的混合体设计,因此SAS与SATA一样採用了序列式传输,但在讯号上却是採用了强化版SCSI指令。也因此SAS排线与SATA一样具有简单好整理的特性。

    不过,由于SAS是採用全双功高传输率,为同时发生的读写操作提供了两路传输通道;相较之下,SATA仅提供单通道与半双工模式。内行的读者看到这边,应该不难理解我们可以将SATA视为SAS的一个子集协定。深入协定层讨论,我们知道SAS由3种协定类型所构成,根据连接设备的不同,使用相对应的协定进行资料传输。在此当中,SSP协定用于传输SCSI指令,SMP管理协定用于连接装置的维护与管理;而STP即为SATA通道协定,用于SAS与SATA之间的资料传输。

    也因此,在这三个协定的配合之下,SAS控制器可以直接连接SATA介面装置,反观SAS硬碟,则无法相容SATA控制环境中,无法直接与SATA结合。除此之外,SAS更保有了SCSI指令集与强大的纠错能力,这些都是SATA不及SAS之处。

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    图 / 由SAS protocol我们不难发现,SAS比SATA多了STP协定,主要用于对SATA装置的相容性。

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    图 / 上方为SATA介面,下方为SAS介面,看起来是不是有点像呢?

    ■ 扩充/安全 SAS两相宜

    深入探究,SATA与SAS硬碟都拥有一定的扩充能力,但扩充方式却略有不同。两者虽然都是採取序列式传输介面(Serial),不过SATA係利用Port Multiplier进行扩充,而SAS则是以Expander加以实现扩充目的。

    一般来说,Port Multiplier一次可接15颗SATA硬碟,并只对应一个SATA布。相较之下,SAS上的每一个Expander,理论上可接上128个Edge Expander,同时每一个Edge Expander又可接上128颗硬碟;换算之下,每一个SAS埠理论上可以对应高达16384颗硬碟!

    由此可知,SATA的扩充性与SAS相比,宛若云泥之别;对于一家稍具规模的企业来说,Port Multiplier的扩充能力便显得捉襟见肘,小家子气。如果你是一位资深读者,或许会跳出来喊︰SATA也可以透过Expander实现扩充性。但别忘了,你还是得另外添购Interposer介面卡,方可串联更多的SATA硬碟。深入来看,每一加装一片Interposer介面卡,才能再接一颗SATA硬碟。从成本与空间布置来看,绝对不是一个明智的方案,而且在能耗上,也更加吃电。

    更重要的一点,则是SAS硬碟的每一笔存取I/O都会经过确认,但SATA写入时并无此功能,仅有于读取时进行确认;对于重视资料存取安全的企业端来说,这更是不可或缺的重大功能之一。

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    图 / 这张是LSI SAS 9200-8e HBAs扩充卡,在2009年时带领SAS介面往6Gb/s存取速度迈进。

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    图 / ASRock z77 Extreme 11採用LSI 控制器。在一票z77主机板中,是极少数内建支援SAS硬碟的消费级主机板。

    ■ SAS VS. SATA

    近日来,WD推出了4TB WD RE SAS 及 4TB WD RE SATA 企业级硬碟,採用3.5 吋规格,除了前文提到的诸多企业级功能外,另外搭载了NoTouch 斜坡加载技术,使读写头绝对不会接触到磁碟面,弭绝磨损的可能性,让硬碟寿命得以有效绵延。除此之外,更支援了双级驱动(DSA)及旋转伺服加速系统(RAFF);即使硬碟处在易震动的机壳环境中,也能保持高效能运转及可靠的作业情境。

    除此之外,SAS系列RE MTBF高达140万小时,而RE SATA系列MTBF也高达120万小时,无惧24×7全天候不间断存取的严苛考验,提供高度可靠的储存环境与作业应用。而WD RE SAS提供1TB 、 2TB 、 3TB 及 4TB容量供行家选择,在WD RE SATA部份,则有2TB、3TB和4TB 容量可以选购。

    本次测试皆为4TB新品,单碟800GB,合计五碟4TB容量。一颗为企业级WD4000FYYZ之SATA介面,一颗则为企业级WD4001FYYG之SAS介面。

    笔者分别选用了Z77平台与X79平台加以测试两颗硬碟的效能表现,提供读者参考其卓越表现。经测试后,由于两者表现接近,因此最后选用HP ProLiant DL380p Gen8 2U机架式伺服器对SAS硬碟进行测试,以作为代表。

    此间值得一提的,则是ASRock z77 extreme 11内建LSI SAS 2308 PCIe 3.0控制器,因此支援SAS 2.0与SATA III介面硬碟,在z77主机板中,可说是独数一帜的设计;如果你想嚐嚐SAS介面带来的乐趣,又不想额外购买高价SAS介面卡,在z77平台中,ASRock z77 extreme 11无疑是上佳首选。文末,提供一系列测试成绩,有兴趣的读者,可自行参考,了解SAS与SATA硬碟之间的差异。

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    图 / WD企业级7200转SATA介面硬碟支援功能一览。

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    图 / WD企业级7200转SAS介面硬碟支援功能一览。可以见到全技能点满。

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    图 / 在CrystalDiskMark 3.0.1测试中,SAS于连续读写测试中领先大约10%~11%。

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    图 / 在CrystalDiskMark 3.0.1测试中,SAS于512K读写测试中领先大约11%~15%。

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    图 / 在HD Tune Pro 4.61测试中,SAS在传输效率上领先大约8%~13%。
     


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