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SCSI、IDE、FC及SATA……，這些令人眼花繚亂的存儲協(xié)議和接口之間都有怎樣“剪不斷理還亂”的關(guān)系呢？今天，我們就聽瓜哥細細道來吧。
一．頂層協(xié)議描述了什么
在存儲系統(tǒng)中，上層協(xié)議可以泛指“指令”，也就是比如“讀出從某某開始的多少長度的扇區(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：從哪開始讀。如果是文件的話，精確到字節(jié)。如果是硬盤的話，精確到LBA（扇區(qū)）。
3.長度：從起始地址往后多長的一段字節(jié)或者扇區(qū)。
二．下層協(xié)議及接口又有什么用
那么，指令如何傳遞給對端的設(shè)備？你可以自己將上述指令的二進制碼再編碼一下，用手電筒的亮滅傳遞給對方，對方收到之后閃一下手電筒表示已經(jīng)收到。此時，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，最終通過物理層，也就是光在真空中傳播來將信息發(fā)送到對方。
同理，SCSI指令/協(xié)議和NVMe指令/協(xié)議，是存儲系統(tǒng)面向機械盤和固態(tài)介質(zhì)分別開發(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Ψ?，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，因為目前來講，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，但是里面的信號針腳數(shù)量都是一樣的。
三．各類存儲系統(tǒng)使用的協(xié)議及接口一覽
存儲系統(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？因為SCSI這個標(biāo)準(zhǔn)最早的時候把上層協(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。面向消費級，與SCSI接口處于同一個時代。同屬并行總線接口，***接2個設(shè)備。物理層速率比同時代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：用于存儲系統(tǒng)時則承載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)層拓撲。磁盤接入的是FCAL拓撲。物理層接口如下圖所示。為了滿足企業(yè)級對可用性的要求，F(xiàn)C盤被作為雙數(shù)據(jù)接口，接入兩個成環(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，每個通道只能接入一個設(shè)備，采用特殊的Mux可以復(fù)用多個設(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：在存儲系統(tǒng)中用來取代FCAL接口。目前速率達到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，仔細觀察會發(fā)現(xiàn)SATA連接器中間的缺口在SAS上是被補平的，其反面其實還有7根數(shù)據(jù)線，這就是企業(yè)級冗余所要求的雙端口，這第二個數(shù)據(jù)口接入到第二個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。用于存儲系統(tǒng)時，一般直接承載NVMe協(xié)議，也可以承載SCSI協(xié)議，但是后者沒有普及。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)初定義它的那個協(xié)議。比如，SATA連接器可以承載以太網(wǎng)物理層信號，RJ45連接器可以承載串行通信協(xié)議物理層信號。SAS協(xié)議定義的HD miniSAS連接器可以承載PCIE物理層信號，等等。有個原則就是，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，將三套金手指信號做到接口上，各干各的。意味著可以插入一塊SAS或SATA或PCIE盤。樣子乍一看和SAS差不多，但是別搞混了，還是有差別的。U.2實質(zhì)上是一種combo組合接口。其定義了：連接器。
4.M.2連接器廣泛用于平板電腦里的固態(tài)存儲介質(zhì)。其底層可承載PCIE傳輸協(xié)議，然后可以SCSI over PCIE，NVMe over PCIE。其也可以直接跑SATA信號。
下期預(yù)告
本篇先暫告一段落，大家可以繼續(xù)點擊我們今天推送的第二篇文章《瓜哥圖解SAS RAID》，我們將繼續(xù)討論：
4、各類存儲系統(tǒng)控制器/HBA一覽
5、帶RAID功能的HBA被稱為RAID卡
6、SAS/SATA硬盤、HBA、接入到服務(wù)器中的方式
敬請期待
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