存儲(chǔ)極客 | 瓜哥圖解存儲(chǔ)協(xié)議

作者：佚名 2016-05-16 14:32:30

企業(yè)動(dòng)態(tài)

存儲(chǔ)極客”欄目再次與大家見(jiàn)面啦！在這里，只有一位大咖名叫“存儲(chǔ)”，它的粉絲我們稱為“存儲(chǔ)極客”！

存儲(chǔ)極客

這是一群存儲(chǔ)偏執(zhí)狂

為存儲(chǔ)而生，跟存儲(chǔ)死磕

各具獨(dú)家秘笈

有觀點(diǎn)，有碰撞，有干貨

從2015年8月18起

做客存儲(chǔ)極客欄目

與你分享存儲(chǔ)里的那點(diǎn)事兒

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SCSI、IDE、FC及SATA……，這些令人眼花繚亂的存儲(chǔ)協(xié)議和接口之間都有怎樣“剪不斷理還亂”的關(guān)系呢？今天，我們就聽(tīng)瓜哥細(xì)細(xì)道來(lái)吧。

一．頂層協(xié)議描述了什么

在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，上層協(xié)議可以泛指“指令”，也就是比如“讀出從某某開(kāi)始的多少長(zhǎng)度的扇區(qū)”，指令包含三大關(guān)鍵信息：

1. 操作碼：Operation Code，或者稱為OP code。比如Write，Read，Control（Inquery，Standby等等）。

2.起始地址：從哪開(kāi)始讀。如果是文件的話，精確到字節(jié)。如果是硬盤(pán)的話，精確到LBA（扇區(qū)）。

3.長(zhǎng)度：從起始地址往后多長(zhǎng)的一段字節(jié)或者扇區(qū)。

二．下層協(xié)議及接口又有什么用

那么，指令如何傳遞給對(duì)端的設(shè)備？你可以自己將上述指令的二進(jìn)制碼再編碼一下，用手電筒的亮滅傳遞給對(duì)方，對(duì)方收到之后閃一下手電筒表示已經(jīng)收到。此時(shí)，手電筒編碼、收到后怎么表示收到，這也是一種協(xié)議，屬于傳輸層協(xié)議。而手電筒就是物理層的接口，最終通過(guò)物理層，也就是光在真空中傳播來(lái)將信息發(fā)送到對(duì)方。

同理，SCSI指令/協(xié)議和NVMe指令/協(xié)議，是存儲(chǔ)系統(tǒng)面向機(jī)械盤(pán)和固態(tài)介質(zhì)分別開(kāi)發(fā)的兩種上層協(xié)議。它們可以被over到傳輸層協(xié)議+網(wǎng)絡(luò)層/鏈路層/物理層接口上傳輸?shù)綄?duì)方，比如SCSI over FC，SCSI over SAS、[（SCSI over TCP）over IP] over ethernet（iSCSI）, SCSI over RDMA over IB（SRP）, SCSI over TCP over IP over IB。以及NVMe over PCIE over 標(biāo)準(zhǔn)插槽、NVMe over PCIE over M.2接口、NVMe over PCIE over SFF8639接口等等。NVMe***是直接over到PCIE上，因?yàn)槟壳皝?lái)講，PCIE的物理層+鏈路層+網(wǎng)絡(luò)層+傳輸層還是非常高效的，算是開(kāi)放式IT設(shè)備外部IO總線里速率較高使用最廣泛的。當(dāng)然，如果為了擴(kuò)展性考慮，也可以把NVMe over TCP/IP over 以太網(wǎng)，或者NVMe over RDMA over 以太網(wǎng)/IB，或者NVMe Over FC等等。

底層接口，同樣是手電筒，有人用燈絲燈泡的，有人用led的，有人用袖珍的，有人用手提的，有人用頭戴的。這就是接口不同，但是它們傳遞的信息編碼、物理層，都是一樣的。比如，PCIE可以用標(biāo)準(zhǔn)插槽，也可以用自定義的插槽，但是里面的信號(hào)針腳數(shù)量都是一樣的。

三．各類存儲(chǔ)系統(tǒng)使用的協(xié)議及接口一覽

存儲(chǔ)系統(tǒng)中的硬件物理接口，包括：

1.SCSI協(xié)議及接口：最原始的上層協(xié)議及底層接口標(biāo)準(zhǔn)。有人可能蒙掉了，SCSI不是上層協(xié)議的名字么，為何底層物理接口也叫SCSI？因?yàn)镾CSI這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)最早的時(shí)候把上層協(xié)議一直到底層傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層、物理層全給定義了。下圖就是SCSI體系設(shè)備側(cè)的接口物理形態(tài)。目前已被淘汰。其定義了：表示層到物理層。

2.IDE協(xié)議及接口：承載ATA協(xié)議。面向消費(fèi)級(jí)，與SCSI接口處于同一個(gè)時(shí)代。同屬并行總線接口，***接2個(gè)設(shè)備。物理層速率比同時(shí)代SCSI接口低。目前已被淘汰。其定義了：傳輸層到物理層。

3.FC協(xié)議及接口：用于存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)則承載SCSI協(xié)議，理論上可以承載任何上層協(xié)議。分為FCAL和FC Fabric兩種網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洹４疟P(pán)接入的是FCAL拓?fù)洹Ｎ锢韺咏涌谌缦聢D所示。為了滿足企業(yè)級(jí)對(duì)可用性的要求，F(xiàn)C盤(pán)被作為雙數(shù)據(jù)接口，接入兩個(gè)成環(huán)器再各自上聯(lián)到FC控制器上。圖中所示的接口中包含兩套數(shù)據(jù)針腳。其定義了：傳輸層到物理層。

4.SATA協(xié)議及接口，僅用于承載ATA協(xié)議。其用于取代IDE接口。屬于串行總線，每個(gè)通道只能接入一個(gè)設(shè)備，采用特殊的Mux可以復(fù)用多個(gè)設(shè)備。下圖中左側(cè)為數(shù)據(jù)口，右側(cè)為供電口。數(shù)據(jù)口有三根地線和兩對(duì)差分線。供電口有不同電流的多路冗余供電。其定義了：傳輸層到物理層。

5.SAS協(xié)議及接口：在存儲(chǔ)系統(tǒng)中用來(lái)取代FCAL接口。目前速率達(dá)到12Gb/s，支持交換式組網(wǎng)，電路交換，不能成環(huán)。其定義了：傳輸層到物理層。SAS和SATA的連接器看上去差不多，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)SATA連接器中間的缺口在SAS上是被補(bǔ)平的，其反面其實(shí)還有7根數(shù)據(jù)線，這就是企業(yè)級(jí)冗余所要求的雙端口，這第二個(gè)數(shù)據(jù)口接入到第二個(gè)SAS控制器或者Expander上。

6.PCIE協(xié)議及接口，承載PCIE傳輸協(xié)議。其可承載各種上層協(xié)議。用于存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，一般直接承載NVMe協(xié)議，也可以承載SCSI協(xié)議，但是后者沒(méi)有普及。其定義了：傳輸層到物理層。目前PCIE設(shè)備側(cè)連接器形態(tài)主要是標(biāo)準(zhǔn)插槽或者SFF8639（U.2）。

7.emmc協(xié)議及接口，沒(méi)有連接器，直接從flash顆粒管腳以貼片的方式與emmc控制器的管腳相連。承載emmc上層協(xié)議（與ATA/SCSI/NVMe處于同一個(gè)階層）。底層物理層采用并行總線。emmc與早期SCSI的做法類似，從頂層協(xié)議到底層物理層全都定義了一套自己的標(biāo)準(zhǔn)。其定義了：表示層到物理層。

8.ufs協(xié)議及接口，沒(méi)有連接器，直接從flash顆粒管腳以貼片的方式與ufs控制器的管腳相連。底層物理層采用串行總線。上層協(xié)議采用ufs協(xié)議（與ATA/SCSI/NVMe/emmc處于同一個(gè)階層）。ufs與早期SCSI的做法類似，從頂層協(xié)議到底層物理層全都定義了一套自己的標(biāo)準(zhǔn)。其定義了：表示層到物理層。

連接器

上述的SCSI、FC、SAS等各種協(xié)議都相應(yīng)定義了自己的物理層連接器形態(tài)。但這并不意味著某種連接器只能承載當(dāng)初定義它的那個(gè)協(xié)議。比如，SATA連接器可以承載以太網(wǎng)物理層信號(hào)，RJ45連接器可以承載串行通信協(xié)議物理層信號(hào)。SAS協(xié)議定義的HD miniSAS連接器可以承載PCIE物理層信號(hào)，等等。有個(gè)原則就是，為高速率傳輸協(xié)議定義的連接器，可以承載低速率傳輸協(xié)議，反之則不行。

1.上述各種協(xié)議原生定義的連接器，不再多描述。

2.SAS方面，由于引入了Expander，外置端口形態(tài)在早期比較多，但是到12Gb速率時(shí)代之后，逐漸統(tǒng)一成HD miniSAS類型的連接器，如下圖所示，分內(nèi)口和外置口兩個(gè)版本。miniSAS逐漸不再用。

3.U.2連接器（SFF-8639連接器），其中包含SAS、SATA和PCIE x4三套接口，充分利用空間，將三套金手指信號(hào)做到接口上，各干各的。意味著可以插入一塊SAS或SATA或PCIE盤(pán)。樣子乍一看和SAS差不多，但是別搞混了，還是有差別的。U.2實(shí)質(zhì)上是一種combo組合接口。其定義了：連接器。