Introduktion till SSD. Del 2. Gränssnitt

I den föregående delen av serien «Introduktion till SSD» berättade vi om historien bakom diskar. Den andra delen kommer att ta upp gränssnitt för interaktion med lagringsenheter.

Kommunikationen mellan processorn och kringutrustningen sker enligt förutbestämda avtal, kallade gränssnitt. Dessa avtal reglerar den fysiska och programvarunivån för interaktionen.

Ett gränssnitt är en uppsättning verktyg, metoder och regler för interaktion mellan systemets element.

Den fysiska implementeringen av gränssnittet påverkar följande parametrar:

• bandbredden i kommunikationskanalen;
• det maximala antalet enheter som kan anslutas samtidigt;
• antalet uppkommande fel.

Diskgränssnitt är byggda på in- och utgångsportar, vilket är motsatsen till in- och utdata genom minnet och inte tar upp utrymme i processorns adressutrymme.

Parallella och seriella portar

När det gäller datakommunikation delas in- och utgångsportar in i två typer:

• parallella;
• serielle.

Som namnet antyder, skickar den parallella porten en maskinvarusats bestående av flera bitar. Den parallella porten är det enklaste sättet att överföra data, eftersom det inte kräver komplicerade kretslösningar. I det enklaste fallet skickas varje bit av maskinvarusatsen över sin egen signalledning, och för återkoppling används två signalledningar: Data är klara och Data har mottagits.

Parallella portar verkar, vid första anblicken, vara mycket skalbara: fler signalledningar – fler bitar skickas åt gången och därmed högre bandbredd. Ändå leder det ökade antalet signalledningar till interferens mellan dem, vilket orsakar förvrängning av de överförda meddelandena.

Seriella portar är motsatsen till parallella. Överföring av data sker en bit i taget, vilket minskar det totala antalet signalledningar, men försvårar in- och utgångskontrollern. Sändarkontrollern tar emot maskinvarusatsen som helhet och måste överföra en bit i taget, medan mottagarkontrollern i sin tur måste ta emot bitar och lagra dem i samma ordning.

Det begränsade antalet signalledningar gör det möjligt att utan störningar öka överföringsfrekvensen.

SCSI

Small Computer Systems Interface (SCSI) introducerades redan 1978 och utvecklades ursprungligen för att kombinera olika enheter i ett enda system. SCSI-1-specifikationen tillät anslutning av upp till 8 enheter (inklusive kontrollern), såsom:

• skannrar;
• bandstationer (streamers);
• optiska enheter;
• disklagringsenheter och andra enheter.

SCSI kallades ursprungligen Shugart Associates System Interface (SASI), men den standardiserande kommittén godkände inte namnet efter företaget, och efter en brainstorming-session kom namnet Small Computer Systems Interface (SCSI). SCSI:s 'far', Larry Boucher, menade att akronymen skulle uttalas som 'sexy', men Dal Allan läste det som 'sсuzzy'. Senare blev uttalet 'suzzy' djupt rotat i denna standard.

Inom SCSI-terminologi delas anslutna enheter in i två typer:

• initiatorer;
• mål-enheter.

Initiatorn skickar ett kommando till mål-enheten, som sedan skickar ett svar tillbaka till initiatorn. Initiatorer och mål-enheter är anslutna till en gemensam SCSI-buss, vars bandbredd i SCSI-1-standarden är 5 MB/s.

Den användna topologin 'gemensam buss' medför ett antal begränsningar:

• specialenheter - terminatorer - behövs i ändarna av bussen;
• bussbandbredden delas mellan alla enheter;
• det maximala antalet anslutna enheter är begränsat.

Enheter på bussen identifieras med ett unikt nummer som kallas SCSI Target ID. Varje SCSI-enhet i systemet representeras av minst en logisk enhet, vars adressering sker med ett unikt nummer inom det fysiska enheten. Logical Unit Number (LUN).

Kommandon i SCSI skickas i form av kommandobeskrivningsblock (Command Descriptor Block, CDB), som består av en operationskod och kommando-parametrar. Standarden beskriver över 200 kommandon, uppdelade i fyra kategorier:

• Obligatoriska — måste stödjas av enheten;
• Valfria — kan implementeras;
• Tillverkar-specifika — används av en specifik tillverkare;
• Utdaterade — föråldrade kommandon.

Bland de många kommandona är endast tre av dem obligatoriska för enheter:

• TEST UNIT READY — kontrollerar enhetens beredskap;
• REQUEST SENSE — begär felkod från den föregående kommandot;
• FÖRFRÅGAN — begär grundläggande specifikationer för enheten.

Efter att ha mottagit och bearbetat kommandot skickar den målenhet en statuskod till initiatorn som beskriver resultatet av utförandet.

Vidare förbättringar av SCSI (specifikationerna SCSI-2 och Ultra SCSI) utvidgade listan över kommandoanvändningar och ökade antalet anslutna enheter till 16, samt hastigheten för datakommunikation över bussen till 640 MB/s. Eftersom SCSI är en parallell gränssnitt var ökningen av datakommunikationshastigheten kopplad till en minskning av den maximala kabellängden och ledde till olägenheter vid användning.

Med standarden Ultra-3 SCSI introducerades stöd för "hot plugging" — anslutning av enheter medan strömmen är på.

Den första kända SSD-enheten med SCSI-gränssnitt är M-Systems FFD-350, som släpptes 1995. Enheten var dyr och hade inte bred spridning.

För närvarande är parallell SCSI inte en populär gränssnittsmetod för anslutning av diskar, men kommandosatsen används fortfarande aktivt i USB- och SAS-gränssnitt.

ATA / PATA

Gränssnitt ATA (Advanced Technology Attachment), även känd som PATA (Parallel ATA) utvecklades av Western Digital 1986. Det marknadsförda namnet IDE (eng. Integrated Drive Electronics — "elektronik inbyggd i enheten") betonade den viktiga innovationen: kontrollerkortet var inbyggt i enheten, istället för på ett separat expansionskort.

Beslutet att placera kontrollerkortet inuti enheten löste flera problem. För det första minskade avståndet från lagringsenheten till kontrollerkortet vilket hade en positiv inverkan på enhetens prestanda. För det andra var den inbyggda kontroller enbart anpassad för en viss typ av enhet och därför billigare.

ATA, precis som SCSI, använder en parallell metod för in- och utdata, vilket återspeglas i de använda kablarna. För att ansluta diskar med IDE-gränssnittet krävs 40-tråds kablar, även kända som flatkablar. I senare specifikationer används 80-tråds flatkablar: mer än hälften av dem är jordningar för att minska interferens vid höga frekvenser.

På ATA-kabeln finns det mellan två och fyra kontakter, varav en ansluts till moderkortet och de andra till lagringsenheterna. När två enheter ansluts med en kabel måste en av dem konfigureras som Master, och den andra som Slave. Den tredje enheten får endast kopplas in i "endast läsning"-läge.

Jumperns placering bestämmer vilken roll den specifika enheten får. Termerna Master och Slave i relation till enheter är inte helt korrekta, eftersom alla anslutna enheter i förhållande till controllern är Slaves.

En särskild nyhet inom ATA-3 är introduktionen av Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Fem företag (IBM, Seagate, Quantum, Conner och Western Digital) gick samman och standardiserade teknologin för att bedöma tillståndet hos lagringsenheterna.

Stödet för solid-state-enheter infördes med den fjärde versionen av standarden, som släpptes 1998. Denna version av standarden möjliggjorde dataöverföringshastigheter på upp till 33,3 MB/s.

Standarden ställer strikta krav på ATA-kablar:

• kabeln måste vara platt;
• maximal längd på kabeln är 18 tum (45,7 centimeter).

Den korta och breda kabeln var obekväm och hindrade kylningen. Att öka överföringsfrekvensen med varje nästa version av standarden blev allt svårare, och ATA-7 löste problemet radikalt: den parallella gränssnittet ersattes med ett serielt. Därefter fick ATA namnet Parallel och kom att kallas PATA, och den sjunde versionen av standarden fick ett annat namn — Serial ATA. Numreringen av SATA-versioner började med ett.

SATA

Standard för Serial ATA (SATA) presenterades den 7 januari 2003 och löste problemen som dess föregångare hade genom följande ändringar:

• den parallella porten ersattes av en seriell;
• den breda 80-ledade kabeln ersattes av en 7-ledad;
• topologin "gemensam buss" ersattes med punkt-till-punkt-anslutning.

Även om SATA 1.0-standarden (SATA/150, 150 MB/s) var något snabbare än ATA-6 (UltraDMA/130, 130 MB/s), var övergången till en seriell dataöverföring en "förberedelse" för att öka hastigheterna.

Sexton signal linjer för dataöverföring i ATA har ersatts med två tvinnade par: ett för överföring och det andra för mottagning. SATA-kontakterna är utformade för att vara mer motståndskraftiga mot flera återkopplingar, och SATA 1.0-specifikationen möjliggjorde "hot-pluggning".

Vissa pinnar på enheterna är kortare än alla andra. Detta görs för att stödja "hot-swap". Vid byte "tappar" enheten och "hittar" linjer i en förutbestämd ordning.

Lite mer än ett år senare, i april 2004, släpptes den andra versionen av SATA-specifikationen. Förutom hastigheten på 3 Gbit/s introducerades i SATA 2.0 teknologin Native Command Queuing (NCQ). Enheter som stöder NCQ kan självständigt organisera ordningen för genomförande av mottagna kommandon för att uppnå maximal prestanda.

Under de följande tre åren arbetade SATA Working Group med att förbättra den befintliga specifikationen och i version 2.6 infördes kompakta kontakter Slimline och micro SATA (uSATA). Dessa kontakter är en miniatyrversion av den ursprungliga SATA-kontakten och är utvecklade för optiska enheter och små diskar i bärbara datorer.

Även om bandbredden i den andra generationen SATA var tillräcklig för hårddiskar, krävde SSD:er mer. I maj 2009 släpptes den tredje versionen av SATA-specifikationen med en ökad bandbredd på 6 Gbit/s.

Särskild uppmärksamhet åt solid state-enheter gavs i redigeringen av SATA 3.1. En Mini-SATA (mSATA) kontakt infördes för att ansluta solid state-enheter i bärbara datorer. Till skillnad från Slimline och uSATA liknade den nya kontakten PCIe Mini, även om den inte var elektriskt kompatibel med PCIe. Förutom den nya kontakten kunde SATA 3.1 stoltsera med att köra TRIM-kommandon i kö tillsammans med läs- och skrivkommandon.

TRIM-kommandot informerar solid state-enheten om data Block som inte bär nyttiga uppgifter. Fram till SATA 3.1 ledde utförandet av detta kommando till att cache-minnen nollställdes och I/O-operationer pausades tills TRIM-kommandot utfördes. Denna metod försämrade diskens prestanda vid borttagningsoperationer.

SATA-specifikationen hängde inte med i den snabba tillväxten av hastigheter för solid-state-enheter, vilket ledde till framväxten av en kompromiss kallad SATA Express i SATA 3.2-standarden 2013. Istället för att återigen dubbla SATA:s bandbredd, använde utvecklarna den utbredda PCIe-bussen, vars hastighet överstiger 6 Gbit/s. Enheter med stöd för SATA Express fick en egen formfaktor kallad M.2.

SAS

Den "konkurrerande" standarden SCSI stod inte stilla och bara ett år efter att Serial ATA introducerades, år 2004, återföddes den som en seriell gränssnitt. Namnet på det nya gränssnittet är Serial Attached SCSI (SAS).

Trots att SAS ärver SCSI-kommandona, var förändringarna betydande:

• seriellt gränssnitt;
• en 29-polig kabel med ström;
• punkt-till-punkt-anslutning

SCSI-termerna ärvdes också. Styrenheten kallas fortfarande initiator, och anslutna enheter kallas mål. Alla mål-enheter och initiator bildar ett SAS-domän. I SAS beror bandbredden på anslutningen inte på antalet enheter i domänen, eftersom varje enhet använder sin dedikerade kanal.

Det maximala antalet samtidigt anslutna enheter i en SAS-domän enligt specifikationen överstiger 16 000, och istället för SCSI ID används en identifierare World-Wide Name (WWN).

WWN är en unik identifierare som är 16 byte lång, liknande en MAC-adress för SAS-enheter.

Trots likheterna i kontakterna på SAS och SATA är dessa standarder inte helt kompatibla. En SATA-enhet kan dock anslutas till en SAS-kontakt, men inte vice versa. Kompatibiliteten mellan SATA-enheter och SAS-domänen säkerställs genom SATA Tunneling Protocol (STP).

Den första versionen av standarden SAS-1 har en bandbredd på 3 Gbit/s, och den mest moderna, SAS-4, har förbättrat denna siffra sju gånger: 22,5 Gbit/s.

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) är ett seriellt gränssnitt för datatransfer, som introducerades 2002. Utvecklingen inleddes av Intel och överfördes senare till en specialiserad organisation - PCI Special Interest Group.

Det seriella gränssnittet PCIe var inget undantag och blev en logisk fortsättning på det parallella PCI, som är avsett för anslutning av expansionskort.

PCI Express skiljer sig avsevärt från SATA och SAS. PCIe-gränssnittet har ett varierande antal linjer. Antalet linjer är lika med potenser av två och varierar från 1 till 16.

Termen "linje" i PCIe betecknar inte en specifik signalledning utan en separat helduplex kommunikationskanal bestående av följande signalledningar:

• mottagning+ och mottagning-;
• överföring+ och överföring-;
• fyra jordledningar.

Antalet PCIe-linjer påverkar direkt den maximala bandbredden för anslutningen. Den moderna standarden PCI Express 4.0 möjliggör en hastighet av 1,9 GB/s per linje, och 31,5 GB/s vid användning av 16 linjer.

"Appetiten" för SSD-enheter växer mycket snabbt. Både SATA och SAS hinner inte öka sin bandbredd för att "hänga med" SSD, vilket har lett till utvecklingen av SSD-enheter med PCIe-anslutning.

Även om PCIe-tilläggskort fästs med skruvar, stödjer PCIe "hot swap". Korta stift PRSNT (från engelskans present — närvarande) säkerställer att kortet är helt installerat i slotten.

SSD-enheter som ansluts via PCIe regleras av en separat standard Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification och kommer i många formfaktorer, men mer om dem i nästa del.

Fjärrlagring

Vid skapandet av stora datalager uppstod behovet av protokoll som tillåter koppling av lagringsenheter placerade utanför servern. Den första lösningen på detta område var Internet SCSI (iSCSI), utvecklad av IBM och Cisco 1998.

Idén med iSCSI-protokollet är enkel: SCSI-kommandon "inkapslas" i TCP/IP-paket och överförs över nätverket. Trots den fjärranslutna kopplingen skapas en illusion för klienter av att lagringsenheten är ansluten lokalt. Ett lagringsområde (Storage Area Network, SAN) baserat på iSCSI kan byggas på den befintliga nätverksinfrastrukturen. Användningen av iSCSI minskar avsevärt kostnaderna för att organisera SAN.

iSCSI har en "premium"-variant — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN med FCP byggs på dedikerade fiberoptiska kommunikationslinjer. En sådan lösning kräver ytterligare optisk nätverksutrustning, men erbjuder stabilitet och hög bandbredd.

Det finns många protokoll för att skicka SCSI-kommandon över datanätverk. Det finns dock endast en standard som löser den motsatta uppgiften och möjliggör att IP-paket skickas över SCSI-bussen — IP-over-SCSI.

De flesta protokoll för att organisera SAN använder ett set SCSI-kommandon för att styra lagringsenheter, men det finns undantag, såsom den enkla ATA över Ethernet (AoE). AoE-protokollet skickar ATA-kommandon i Ethernet-paket, men i systemet visas lagringsenheterna som SCSI.

Med utvecklingen av NVM Express-lagringsenheter har protokollen iSCSI och FCP slutat att tillfredsställa de snabbt växande kraven från SSD:er. Två lösningar har dykt upp:

• utdragning av PCI Express-bussen utanför servern;
• skapandet av NVMe over Fabrics-protokollet.

Utdragning av PCIe-bussen kräver skapande av komplexa switchutrustningar, men gör inga förändringar i protokollet.

NVMe over Fabrics-protokollet har blivit ett bra alternativ till iSCSI och FCP. I NVMe-oF används fiberoptiska kommunikationslinjer och NVM Express-kommandon.

DDR-T

Standarderna iSCSI och NVMe-oF löser uppgiften att ansluta fjärrdiskar som lokala, medan Intel har valt en annan väg och så mycket som möjligt närmar sig den lokala disken till processorn. Valet föll på DIMM-slots där RAM-minnet ansluts. Den maximala bandbredden för DDR4-kanalen är 25 GB/s, vilket överstiger hastigheten för PCIe-bussen. Så kom den Intel® Optane™ DC Persistent Memory SSD till.

För att ansluta en lagringsenhet i DIMM-slots uppfanns ett protokoll DDR-T, som är fysiskt och elektriskt kompatibelt med DDR4, men kräver en speciell kontroller som ser skillnaden mellan minnesmodulen och lagringsenheten. Åtkomsthastigheten till lagringsenheten är lägre än till RAM-minnet, men högre än till NVMe.

DDR-T-protokollet är endast tillgängligt med Intel®-processorer av Cascade Lake-generationen eller nyare.

Slutsats

Nästan alla gränssnitt har genomgått en lång utveckling från seriel till parallell datatransmission. Hastigheterna för SSD-enheter ökar snabbt; igår var SSD:er en nyhet, och idag är NVMe inte längre så förvånande.

I vårt laboratorium Selectel Lab kan du själv testa SSD- och NVMe-enheter.

Endast registrerade användare kan delta i omröstningen. Logga in, tack.

Kommer NVMe-enheter att ersätta klassiska SSD inom en snar framtid?

• 55.5%Ja100

• 44.4%Nej80

180 användare har röstat. 28 användare avstod.

Källa: habr.com