本文將為您詳細(xì)介紹三種主要的SSD接口協(xié)議：SAS、SATA和NVMe。

1 SAS（Serial Attached SCSI）

1.1 SAS誕生背景

SAS，即串行連接SCSI（Serial Attached SCSI），是一種高性能接口協(xié)議，廣泛應(yīng)用于企業(yè)級存儲解決方案。SAS誕生于并行總線技術(shù)達(dá)到發(fā)展瓶頸的背景，當(dāng)時并行總線的帶寬已接近極限，而其他串行總線技術(shù)（如Fibre Channel、InfiniBand和Ethernet等）在存儲應(yīng)用中存在明顯不足：

• FC：價格昂貴，適用于復(fù)雜組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸場景

• InfiniBand：組網(wǎng)復(fù)雜且價格昂貴

• iSCSI：時延高，傳輸速率慢

為克服這些問題，SAS協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是提供高帶寬、高可靠性和高擴展性，通過采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速率和更好的擴充性，并兼容SATA硬盤。SAS采用點對點架構(gòu)，支持全雙工模式，傳輸速率高達(dá)3Gbps、6Gbps、12Gbps甚至更高，成為數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器環(huán)境的理想選擇。

1.2 SAS協(xié)議層次

下圖是一個帶有一個Narrow Port設(shè)備的SAS協(xié)議棧：

其中，

• SSP：Serial SCSI Protocol，串行SCSI協(xié)議，用于在串行連接上傳輸SCSI命令。它使得SAS系統(tǒng)能夠高效地與各種存儲設(shè)備通信，提供高性能、高可用性和高擴展性。

• STP：Serial ATA Tunneled Protocol，SATA通道協(xié)議，允許SAS發(fā)起者（Initiator）通過擴展器（Expander）與SATA設(shè)備通信。它使得SAS系統(tǒng)能夠與SATA設(shè)備無縫集成。

• SMP：Serial Management Protocol，串行管理協(xié)議，用于發(fā)現(xiàn)和管理SAS系統(tǒng)中的Expander擴展器以及背板設(shè)備。

1.3 SAS協(xié)議特點

• 允許與多個設(shè)備進(jìn)行全速通信

• 支持多個窄端口捆綁形成寬端口

• 全雙工

• 可通過擴展器（Expander）進(jìn)行接口擴展，單個SAS域最多可以連接16384個磁盤設(shè)備，具有非常好的擴展能力：

  

1.4 SAS物理接口形式

SAS驅(qū)動器插頭連接器：

SAS驅(qū)動器背板插座：

1.5 SAS應(yīng)用場景

• 企業(yè)級服務(wù)器和存儲系統(tǒng)

• 大型數(shù)據(jù)中心

• 高性能計算和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用

2 SATA（Serial ATA）

2.1 SATA誕生背景

ATA（Advanced Technology Attachment）是一種歷史悠久的接口標(biāo)準(zhǔn)，用于定義硬盤等存儲設(shè)備與CPU的連接方式。ATA最初為并行接口（PATA），與許多其他IO接口一樣，PATA有一個高速串行的“表親”，稱為串行ATA（SATA）。SATA設(shè)計初衷是為與ATA/ATAPI 6規(guī)范的軟件兼容，同時解決以下問題：

• 減少引腳數(shù)量以降低成本
• 更小的芯片尺寸、更低的電壓

• 提高驅(qū)動器和主機適配器之間的傳輸速度

• 增強可靠性

• 改進(jìn)電纜/連接器

• 將ATA應(yīng)用于服務(wù)器環(huán)境

以下是SATA和PATA物理接口對比圖：

目前，SATA仍是一種廣泛應(yīng)用于個人電腦和消費級存儲設(shè)備的接口協(xié)議，因其設(shè)計簡單、成本低和兼容性良好而備受青睞。

2.2 SATA的演進(jìn)

SATA 自誕生以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代，從 SATA I 演進(jìn)至 SATA III：

• SATA 1（版本1.x）接口，正式名稱為SATA 1.5Gbps，支持150MB/s帶寬。

• SATA II（版本2.x）接口，正式名稱為SATA 3Gbps，支持300MB/s帶寬。

• SATA III（版本3.x）接口，正式名稱為SATA 6Gbps，支持600MB/s帶寬。

SATA II具備向下兼容SATA I接口的功能，SATA III則向下兼容SATA I和SATA II接口。然而，由于接口速度的限制，驅(qū)動器的最大速度會受到相應(yīng)影響。

2.3 SATA協(xié)議層次

2.4 SATA物理接口

SATA數(shù)據(jù)及電源連接器，如下圖所示：

2.5 SATA的特點

• 低成本：相較于SAS和NVMe硬盤，SATA硬盤成本更低，適用于普通用戶和中小企業(yè)。

• 中等性能：SATA硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度和IOPS低于SAS和NVMe硬盤，但可滿足大多數(shù)日常應(yīng)用需求。

• 單設(shè)備連接：SATA接口一般只支持單設(shè)備的連接。

3 NVMe（Non-Volatile Memory Express）

3.1 NVMe誕生背景

為提升性能，SATA II引入了AHCI（Advanced Host Controller Interface）協(xié)議，支持NCQ（Native Command Queuing）功能和熱插拔技術(shù)。NCQ最大隊列深度為32，即主機最多可以向HDD或者SSD發(fā)送32條命令執(zhí)行。相較于傳統(tǒng)硬盤逐條執(zhí)行命令的方式，這種改進(jìn)顯著提升了硬盤性能。AHCI能夠滿足HDD和早期SSD的性能需求，系統(tǒng)性能的瓶頸集中在硬盤端（低速和高延時）。

隨著SSD技術(shù)的飛速發(fā)展，SSD盤性能飆升，底層閃存的帶寬越來越寬，介質(zhì)訪問延時越來越低，系統(tǒng)性能瓶頸已經(jīng)由存儲介質(zhì)本身轉(zhuǎn)移到了上層的接口和協(xié)議。于是，專為SSD設(shè)計的NVMe協(xié)議應(yīng)運而生。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一種基于PCIe接口的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它在設(shè)計之初就充分考慮了PCIe SSD的低延時和高并行性，同時也針對當(dāng)代處理器、平臺以及應(yīng)用的并行特性進(jìn)行了優(yōu)化。

3.2 NVMe相對AHCI的優(yōu)勢

3.3 NVMe協(xié)議架構(gòu)及命令集

NVMe協(xié)議由一個龐大的家族組成，包括基礎(chǔ)規(guī)范、I/O命令集、傳輸規(guī)范和管理規(guī)范等，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中，命令集規(guī)范包含如下類型：

在2024.01.16新加入了Subsystem Local Memory Command Set和Computational Programs Command Set規(guī)范，可見，NVMe協(xié)議仍在持續(xù)演進(jìn)發(fā)展中。

3.4 NVMe協(xié)議特點

• 高帶寬：NVMe支持高達(dá)32Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，遠(yuǎn)超SAS和SATA。

• 低延遲：NVMe協(xié)議優(yōu)化了命令隊列和處理機制，顯著降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。

• 多隊列支持：NVMe支持多個命令隊列，提高并發(fā)處理能力，顯著提升系統(tǒng)性能。

• 靈活的擴展性：NVMe支持多種物理接口，包括M.2、U.2和PCIe插槽，提供了靈活的安裝選項。

4 三種協(xié)議的選擇

SAS、SATA和NVMe接口的SSD在性能上有顯著差異：

選擇合適的SSD接口協(xié)議需要根據(jù)您的具體需求和應(yīng)用場景來決定：

• 企業(yè)級應(yīng)用：如果您需要高性能、高可靠性和高擴展性的存儲解決方案，SAS和NVMe是理想選擇。SAS適合傳統(tǒng)的服務(wù)器和存儲系統(tǒng)，而NVMe則更適合需要極致性能的高性能計算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

• 個人和消費級應(yīng)用：如果您需要高性價比、安裝和維護簡便的存儲解決方案，SATA是理想選擇。SATA接口的廣泛兼容性和使用簡易性使其成為個人電腦和消費級存儲設(shè)備的首選。

• 高性能需求：如果您對數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲有極高要求，NVMe是理想選擇。

NVMe協(xié)議憑借其出色的性能和低延遲特性，在高性能計算和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

無論您是企業(yè)用戶還是個人用戶，選擇合適的SSD接口協(xié)議都是確保數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)性能和可靠性的重要一步。SAS、SATA和NVMe協(xié)議各具優(yōu)勢，適用于不同的應(yīng)用場景。希望本文能幫助您更好地了解這些接口協(xié)議，從而根據(jù)存儲需求做出明智的選擇。

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