基于SAS体系的存储扩容技术

    世界在网络的基础上正变得更加的互联互通，庞大的事务与信息量对IT基础结构的要求也越来越高，在智慧的地球上，人们需要一种快捷灵活的虚拟化结构。从另一个数据可以得知：支付宝现在每天新增的记录数大约为3亿条。面对这样的海量数据，必然需要巨大容量的存储终端，提供高可靠性与容错技术，并拥有较强的可扩展能力。

    SAS技术应用于各存储节点中可提供高性能，高可靠的磁盘连接和数据传输技术。6GB SAS单PHY（外部信号接口的芯片）带宽可达到600MB/S，SAS技术通过Expander（级联器）最多可以支持16 000个设备，为存储体系大的扩展容量提供了基础。

1 SAS技术原理

    1.1通过SAS体系层次结构实现可靠传输

    SAS体系引入分层结构，每层负责一定的功能各司其职，从而保证数据有效稳定的传输。每层描述了不同的功能，通过请求，指令，应答和其他信息来完成相互之间的通信。

    传输层用于SAS帧的封装与解析，将构造的帧发送出去或解析收到的帧，图1为应用层发送读命令时的帧传输序列。

图1读命令帧传输序列

    端口层把帧按目标地址加入队列中，向链路层申请链接发送帧到链路层。其主要用于负责发起，重试连接请求，发送数据到链路层以及关闭连接。

    链路层是SAS协议的核心层，用于发送地址帧并请求连接，为帧加入CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余检验），产生原语，检查和删除原语，通过掺杂字符来减少EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰），管理时钟和速率同步，支持流控和接受帧确定。

    物理层用于在发送和接受码流时进行8B/10B编码和解码，用以保证直流平衡，即出现连续的5个“1”或“0”后插入一位“0”或“1”，这样避免了高速串行信号多个位没有变化而造成的信号错误；还用于接受差分信号，增强噪声抑制，提高信号完整性。

    1.2面向连接的通信过程

    连接是指在启动器和目标器之间暂时的联合，为保证数据的可靠性，SAS启动器和目标器端口之间要想进行通信，必须先建立连接。图2为LeCroy协议分析仪抓帧情况，建立连接的大致过程为启动器端口先发送open地址帧，目标器端口接收到open地址帧后返回open_accept表示同意建立这次连接，最后双方返回DONE NORMAL关闭对话。

    open地址帧中指定使用SSP（Serial SCSI Protocol，串行SCSI协议），STP（Serial ATA Tunnel Protocol，串行ATA通道协议），SMP（Serial Management Protocol，串行管理协议）三种协议之一进行通信，SAS端口支持的最大连接数不超过SAS端口内PHY的数量，也就是说，每个PHY只支持一个连接。一旦连接建立，物理路径就已确定，在连接的生命周期中不再改变。

图2 LeCroy协议分析仪抓帧情况

    1.3可靠的SAS数据传输帧结构

    数据的传输过程是以帧的形式进行的，传输之前也必须先建立连接。对于SSP帧来说，如图3，每个SSP帧在传输过程中是由若干个Dword（双字）组成的，每个帧的前端都会加入一个SOF（Start Of Frame primitive，帧传输开始原语），并在结尾加上CRC效验和EOF（End Of Frame primitive，帧传输结束原语）。对于STP帧来说，SAS是支持SATA的，这体现在STP上，在SATA设备看来，自己连接的是SATA主机适配器，实际情况却是SAS主机进行了SATA翻译工作，STP传输和SSP帧的传输类似，但是STP可构造最大8K的数据帧，而SSP最大的数据帧为1K。

图3 SSP帧结构

2 SAS的存储扩展解决校园网扩容

    随着教育业计算机的广泛应用，一些校园网的数据量急剧膨胀，迫切需要扩充计算机存储系统，这里提供了一种高可靠的存储系统解决方案。考虑到学校需要投资保护，这需要扩容必须建立在现有的基础之上，所以采用NAS(Network Attached Storage，网络连接式存储)构架，保证系统的安全壳可靠，也易于管理。图4为校园网的扩容拓扑图，采用SAS技术的存储阵列直接通过网络接口连接到网络上，只需简单配置一下IP地址，就可以被网络上的用户所共享，存储系统采用SAS连接技术，不仅提供高速数据传输，更重要在数据可靠性上体现优势。校园网扩容大小可通过增减级联Expander设备来达到理想容量。

图4校园网扩容拓扑

    在图4SAS体系中，包含了多个级联器Expander，Expander设备属于SAS域中服务传输子系统中的一部分，它让多个SAS设备可以进行通信，Expander设备可包含多个SAS盘，而Expander可以级联另外的Expander设备，通过不同的路由算法，启动器便可以访问到任意一个SAS域中的SAS终端。

3 结束语

    在计算机技术和互联网高度发达的今天，云存储时代已经来临，而云存储节点的稳定性和数据传输速度将直接影响云计算性能。SAS可提供高速的数据存储方式。SAS域丰富的级联结构，不仅启动器可快速的定位到目标器，在Expander的帮助下，单个SAS域最多包含16K个SAS终端设备，能够适应日益增长的数据量的要求，同时SAS协议兼容SATA设备，让磁盘阵列不仅可以使用高速的SAS硬盘和固态硬盘，还可以兼容廉价的SATA硬盘，降低了企业的生产成本。

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