導入交換式SAS架構　分層儲存系統擴充性大增

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)