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SATA硬碟的推出已行之有年,當前的主流電腦也都以SATA硬碟,來當主要儲存設備,而一些主流NAS、工作站甚至伺服器,也有不少拿SATA規格硬碟來組RAID磁碟陣列,來存放大量資料。然除了SATA硬碟之外,市面上還有SAS硬碟可供選擇,如今高階工作站、伺服器,也都配備SAS硬碟。那麼,SAS與SATA硬碟有什麼不同?使用上有什麼限制?還有效能上有什麼差異?以下就來討論這個話題。

   
▲ SATA與SAS的Logo

簡介SAS的介面

SAS (全名Serial Attached SCSI,序列式SCSI)是一種先進的儲存裝置專用傳輸介面技術,由ANSI INCITS T10委員會所制定與維護的新一代儲存介面標準。屬於點對點的串列協定,用來取代早期的Parallel SCSI (平行式SCSI)。如今已有不少企業級硬碟、光碟、磁帶機…等大型儲存裝置,採用SAS介面的高速傳輸介面優勢,來提升大量資料存取效能與穩定性。

以SATA介面來說,目前有三代:1.5Gbps、3Gbps、6Gbps,其中主流的是6Gbps (坊間俗稱SATA III)。而SAS硬碟則有分成3Gbps、6Gbps與12Gbps,還有最新第四代的24Gbps標準。不過,當今最主流的標準,還是以SATA 6Gbps與SAS 12Gbps為準,且是目前市面上最普及且可以買到的主流標準。因此,以下的討論,將以這兩種標準的同容量產品,做為外型、規格上的比較。

SASSATA盤體比較

先來看看SAS與SATA的外型、接頭與盤體上面有何不同。以下我們就拿Toshiba MG08a系列的同容量SATA與SAS硬碟做比較。由於SATA和SAS的外觀非常相近,要區分SATA或SAS硬碟,可從上面貼紙/標籤,和接頭來分辨。


▲圖  物理外觀: SATA與SAS硬碟(以3.5″為例),在外觀上是幾乎相同的


▲圖  介面接頭: 差別在於,上面的SATA 分成訊號區與電源區,下面的SAS則兩者中間有連接起來 (SFF-8242規範)


▲圖  底部電路板: SATA與SAS硬碟的電路板看起來並無二致,這邊看起來,可發現兩者接頭不一樣


▲圖  電路板比較: 若仔細看的話,可以看到電路板上面標示的SATA或SAS字樣

再來看看標籤上,也會註明硬碟的型號、介面等級、馬達轉速等資訊,讓您快速得知硬碟是SAS還SATA規格。


▲圖  可從硬碟上的標籤敘述,來得知硬碟是SAS還是SATA

雖說SATA和SAS硬碟,在外觀與底部電路板上,幾乎長得一模一樣。就連廠商在規格書上,也都習慣將相同系列的SATA與SAS硬碟放在同一份pdf上,不過兩者的韌體與運作方式是非常不同的,且SAS規格硬碟通常會有比較好的性能與可靠性,因此下列就來說明SAS硬碟有哪些優勢。

SAS硬碟的優勢

根據 WD說明 (https://support-zh.wd.com/app/answers/detail/a_id/41183),SAS硬碟的好處有下:

● SAS是為了以任務為中心的企業應用程序而設計的,而SATA則是在消費者市場上常見的擁有一般用途的接口
● SAS支持多個啟動程序,而SATA不提供這種功能
● SAS是雙端口的,而SATA是單端口的。因此,SAS可以在沒有額外的硬件的情況下支持多路徑I/O。除此之外,SAS能夠利用雙端口而達到提高性能的目的。
● SATA採用半雙工的工作方式傳輸數據,SAS能夠採用全雙工的工作方式傳輸數據。因此,對於SAS來說,每個端口都可以同時讀寫數據,而SATA無法實現這個操作。
● SAS使用SCSI命令進行錯誤校正和錯誤報告,這比SATA採用的ATA命令集有更多的功能。
● SAS能夠支持8m長的數據線,而SATA最長只能支持1m的數據線.

此外,SAS和SATA硬碟不僅在外觀上相同,軟體使用上也相容,更可向下相容於針對SCSI介面撰寫之工具軟體與中介軟體,因此SAS硬碟無論是在一般桌機環境或是工作站/伺服器環境,都是理想的儲存媒體。

再來說明指令排序部份,先說明SATA硬碟具有NCQ (Native Command Queuing)原生指令排序功能。需搭配Windows Vista以後版本並安裝AHCI驅動程式,再需搭配軟體的優化,才能發揮出NCQ的功能。

 


▲圖 指令排序優化: 左為no NCQ指令下,硬碟需要轉至少兩圈才能將4個磁區的資料讀取出來,而搭配右邊NCQ的指令重組優化之後,便可在硬碟只轉一圈左右,即將所有磁區的資料讀取出來 (圖取自Wiki: https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8E%9F%E7%94%9F%E6%8C%87%E4%BB%A4%E6%8E%92%E5%BA%8F )

至於SAS硬碟,則跟SCSI一樣,在其進階命令中也具備原生的佇列排序功能,SAS擁有達256個佇列深度(Queue Depth),可以在一個佇列下執行更多命令,尤其在處理企業大量的資料存取工作時,可透過head-of-queue、out-of-order等佇列優化重組方式,讓硬碟可以更有效率讀寫的碟盤上的資料,提升任務處理效率。

簡單來說,SAS在命令優化上,比SATA更具優勢。

▼表 SATA/SAS規格比較 (右邊為NVMe/U.2規格,列出來做對比,本篇暫不介紹)

  SATA SAS NVMe (U.2)
IOPS 60K至100K 200K至400K 200K至10000K
傳輸介面 6 Gbps 12Gbps 16Gbps (PCIe 3 x16)

32Gbps (PCIe 4 x16)

延遲時間 < 1~100 ms < 0.001 ~ 100 ms < 10 ~ 225 µs
佇列數 1 1 65536
指令數/佇列 32 256 65536
適用儲存設備 HDD / SSD HDD / SSD SSD

▼表 SAS介面名稱與機構規範

  Lanes 機構規範 Pin-out 參考規範
Single SATA 2x SFF-8482 U.3 (SFF-9639)
Dual Port SAS 2x SFF-8242 U.3 (SFF-9639)
MultiLink SAS 4x SFF-8630 U.3 (SFF-9639)
PCIe升至4通道 6x SFF-8639 U.3 (SFF-9639)
Slim SAS 4x SFF-8654 SFF-9400/SFF-9402

 


▲SATA、SAS的接頭比較 (下方則是 U.2 / SFF-8639接頭,給SSD專用的,本篇文章暫不介紹)

NL-SAS? 走SAS協定的SATA硬碟

除了SAS和SATA之外,還有一種NL-SAS。什麼是NL (Near-Line) SAS呢? NL-SAS硬碟,本質就是改用SAS接頭的企業級SATA硬碟,機身跟傳統企業級SATA磁碟一樣,轉速大約在7200 RPM以下,但具備能處理SAS命令的功能,且傳輸速度比SATA快約30%,不受到STP (SATA Tunneling Protocol, SATA通道協定)過載等問題影響,加上可多機支援,並擁有更多Queue Depth,因此可說是SAS硬碟的入門機種。

雖說NL-SAS擁有SAS硬碟的特性,但本質上不太能算是SAS硬碟。因為其轉速、MTBF、可靠性… 都跟同規格的SATA企業碟一樣,只是換成SAS的接頭和加入SAS指令集支援罷了!總之,NL-SAS硬碟算是比較平價的慢速SAS硬碟,效能只比SATA快一點點,跟真正高速SAS硬碟效能相比,還是有距離的。因此NL-SAS比較適合應用在非關鍵任務、非密集性的資料儲存應用,算是比SAS更具成本效益的解決方案。

那麼,要如何分別你的SAS硬碟是真SAS,還是NL-SAS呢? 因為硬碟上面的標籤,只會寫這是SAS規格,一堆電商也幾乎不會特別標示出硬碟是NL-SAS規格。因此,您可以透過查閱原廠的技術規格書,來比較同型號家族的SAS和SATA硬碟,是不是都7.2K RPM,還有MTBF和Reliability是不是一樣,以判斷出,您的SAS硬碟是不是NL-SAS等級。

SAS 6Gbps還是12Gbps? 各廠硬碟標示不同

前面說到,SAS目前主流規格是12Gbps,但市面上還是有6Gbps的規格。以下就來看看幾款SAS硬碟的標籤,以及說明書,來判定是什麼規格吧。

(1) 300GB:


▲從這款硬碟的標籤上,可以清楚看到這顆2.5″ 300GB硬碟,為SAS 12Gbps規範、馬達轉速為15K RPM

(2) 600GB:


▲這兩顆2.5″硬碟都是600GB,不過,左邊的是SAS / 10RPM規格,右邊的是SAS 12Gbps / 15RPM規格。這樣您應該可以輕鬆分辨出誰的效能比較好吧! (註: 左邊那顆硬碟可從原始技術規格書裡查到是SAS 6Gbps規範: https://documents.westerndigital.com/content/dam/doc-library/en_us/assets/public/western-digital/product/data-center-drives/ultrastar-sas-series/product-manual-ultrastar-c10k600.pdf )

(3) 900GB/1.2TB:


▲這兩顆2.5″硬碟都是10K RPM的SAS硬碟。左邊的是SAS 6Gbps / 900GB規格,右邊的是SAS / 1.2TB規格。那麼右邊到底是SAS 6Gbps還是12Gbps?


▲上圖右邊那款硬碟,可從原始技術規格書裡查到是SAS 12Gbps規範: https://documents.westerndigital.com/content/dam/doc-library/en_us/assets/public/western-digital/product/data-center-drives/ultrastar-sas-series/product-manual-ultrastar-c10k1800-oem-spec.pdf

由上可知,各廠商在SAS硬碟的標示上並未統一,那些有完整標示出SAS 6Gbps或SAS 12Gbps的硬碟,就可以馬上判定出來。而那些僅表示SAS或只有SAS Logo的硬碟,就得從技術規格書去查閱出,是6Gbps還12Gbps。

 

各種SAS接頭與陣列卡等級介紹

由於SAS硬碟外觀與介面很類似SATA,而SAS硬碟擁有比SATA硬碟更多優勢,因此伺服器、高階工作站、NAS、陣列櫃,都可支援SAS介面硬碟,雖說上述機器也可以支援SATA介面,但為讓效能更好,大多都還是建議配置SAS硬碟,讓儲存效能發揮到極限。

不過,由於一般桌機並不支援SAS硬碟,因此必搭配額外加裝的HBA卡/RAID卡才能使用。這些卡有分不同功能與等級,與不同的接頭。以下就來做介紹。


(a) SFF-8482: 標準SAS接頭,與SATA相容的標準介面,可連接的儲存裝置數: 1


▲SFF-8482 (裝置端,SAS硬碟上的標準接頭)


▲SFF-8482 (線材端,一定要有這樣的接頭,才能接到SAS硬碟! 勿拿SATA線去硬接SAS接頭)

 


(b) SFF-8087: 內接用mini-SAS接頭,適用於SAS 6Gbps且與SATA相容的標準介面,單埠可連接的儲存裝置數: 4


▲搭載LSI 2208 ROC (RAID-on-Chip)晶片的 HBA卡 (上) 與 RAID卡(下)。屬於入門級的HBA或RAID 0/1/5/10/50陣列卡,這兩張卡都可以支援SATA或SAS 6Gbps的HDD,採用SFF-8087 mini-SAS接頭兩組,可連接共8台SATA/SAS 6Gbps的HDD


▲SFF-8087接頭的近照,卡上通常會有兩組接頭,一個接頭可分接4顆SATA/SAS 6Gbps硬碟,因此最多可以支援8顆HDD


▲上面的HBA/RAID卡,可搭配這種SFF-8087 to 4組SFF-8482 的傳輸線,便可支援4顆SAS 6Gbps硬碟。轉接線要接上SATA Power電源以供電


▲若要連接SATA硬碟,則可選用這種SFF-8087 to 4組SATA 的傳輸線(有一條是Sideband線),可分接4顆SATA硬碟,另外SATA硬碟本身要再另外接SATA Power電源以供電

 


(c) SFF-8088: 外接用mini-SAS接頭,適用於SAS 6Gbps且與SATA相容的標準介面,單埠可連接的儲存裝置數: 4


▲搭載LSI晶片的中階HBA卡,具備4個外接SFF-8088埠,單一埠可支援4顆SATA/SAS 6Gbps的HDD


▲SFF-8088接頭的近照,卡上通常會至少兩組接頭,一個接頭可分接4顆SATA/SAS 6Gbps硬碟


▲外接專用的SFF-8088纜線,特點是很深。用來連接相對應的HBA/RAID卡,與JBOD櫃/硬碟陣列櫃


▲外接用的SFF-8088 to SFF-8088纜線,可連接對應的HBA/RAID卡與JBOD櫃/硬碟陣列櫃

 


(d) SFF-8643: 內接mini-SAS HD接頭,適用於新一代SAS 6Gbps/12Gbps且與SATA相容的標準介面,單埠可連接的儲存裝置數: 4


▲搭載LSI 3008 ROC (RAID-on-Chip)晶片的 HBA卡 (上) 與 RAID卡(下)。屬於中階的HBA或RAID 0/1/5/10/50陣列卡,這兩張卡都可以支援SATA或SAS 6Gbps/12Gbps的HDD,採用SFF-8643 mini-SAS HD接頭兩組,可連接共8台SATA/SAS 6Gbps/SAS 12Gbps的HDD


▲SFF-8643接頭的近照,卡上通常會有兩組接頭,一個接頭可分接4顆SATA/SAS 6Gbps/SAS 12Gbps硬碟,因此最多可以支援8顆HDD


▲SFF-8643接頭的近照,此為內接Mini-SAS HD接頭


▲此為SFF-8643轉SAS接頭,只能連接一台SAS 6Gbps/12Gbps HDD,轉接線分接出去的部份須連接到SATA Power

 


(e) SFF-8644: 外接mini-SAS HD接頭,適用於新一代SAS 6Gbps/12Gbps且與SATA相容的標準介面,單埠可連接的儲存裝置數: 120


▲搭載LSI 3508 ROC (RAID-on-Chip)晶片的 RAID卡,屬於高階的RAID 0/1/5/6/10/50/60陣列卡,此卡可支援SATA或SAS 6Gbps/12Gbps的硬碟,採用SFF-8644 mini-SAS HD接頭兩組,理論上可連接高達240台SATA/SAS 6Gbps/SAS 12Gbps的HDD/SSD (搭配陣列櫃)


▲SFF-8644接頭的近照,與內接的SFF-8644腳位定義相同,但外面多了一圈金屬Shield,以讓Cable固定牢靠


▲SFF-8644 to SFF-8644纜線,可連接對應的HBA/RAID卡與JBOD櫃/硬碟陣列櫃

 

一般用戶怎麼自己裝SAS硬碟?

如上述,一般桌機或是入門NAS伺服器由於大多僅支援SATA介面,要支援SAS硬碟的話,就得添購一張硬體陣列卡(RAID卡),例如 IBM ServeRAID M5110 ( https://osslab.tv/shop/server-all/server-interface/lsi-megaraid-sas-9260-8i-6gb-s-satasas-raid/ ),就是一張可以支援SATA/SAS 6Gbps的入門陣列卡,可完美支援RAID 0/1/5/10/50等模式。當然還有其他中高階的陣列卡,可以多支援到RAID 6模式,並可支援到SAS 12Gbps規格,甚至還配備Flash Cache功能,可發揮出硬碟陣列的整體效能。

值得注意的是,硬體陣列卡(RAID卡/IR模式),是將多顆硬碟組合起來,讓作業系統認到一顆超大容量的硬碟,以存取大量資料。這類的應用,適合Windows Server、VMware…等使用環境。若您要作業系統本身支援軟體RAID功能,像是Linux、Proxmox VE、vSAN、Nutanix,或是TrueNAS、OpenMediaVault、unRAID…等NAS作業系統,那麼改買純HBA (Host Bus Adapter)硬碟控制卡(IT模式)會比較適用,這類HBA卡雖不支援陣列功能,但可完整支援SATA/SAS硬碟,讓作業系統直通硬碟的存取控制權,以便規劃系統自己的軟體RAID功能,如RAIDZ、RAIDZ2…模式等等。

有了硬碟控制卡之後,再選擇適當的迷你JBOD櫃/硬碟陣列櫃 (或者超大的可塞入多顆硬碟的機殼),再搭配正確的纜線,就可以開始存取SAS硬碟了。若您選的是RAID卡,接下來就是透過RAID卡的Configuration工具,或是MegaRAID Storage Manager,來進行SAS/SATA硬碟的RAID設定。

 
▲ 可以選擇這種迷你硬碟盒,連接好ATX電源和SATA Power,即可安裝5顆SATA/SAS硬碟。此為3.5″ HDD免Tray直裝版

自己加裝SAS硬碟的作法,比較適合8-bay以下的環境,若需要裝更多硬碟,建議還是選購外接的JBOD櫃/硬碟陣列櫃,搭配有外接埠的HBA/RAID卡與高速纜線會比較好,以達到超高容量、高速傳輸、供電穩定與資料備援…等用途,當然您可以直接購買多Bay的伺服器就可以一勞永逸。總之,在規劃使用SAS硬碟之前,建議先認識以上各種RAID/HBA卡所支援的接頭,與各種SAS纜線的接頭,以免買錯而不能用。

結論

從上面的介紹,可以發現SAS介面的硬碟,擁有與SATA相同的外觀,搭配12Gbps與更多佇列深度的功能,以及排線可以更長等特點,使其成為高階儲存應用的主流介面,更是伺服器、NAS、陣列櫃、高效能電腦…等使用環境的第一選擇。

然而市面上,SATA硬碟很容易買到,SAS硬碟就非常不容易購得。OSSLab提供輕鬆的SAS企業碟的採購管道,包含必要的HBA/RAID卡也都一併提供,幫助一般使用者與企業用戶輕鬆建構儲存專用伺服器。

各容量SAS硬碟: https://osslab.tv/shop/product-category/server-all/server-hdd/
陣列卡與介面卡: https://osslab.tv/shop/product-category/server-all/server-interface/
各式超值伺服器: https://osslab.tv/shop/product-category/server-all/server/

本篇先針對產品來做介紹。下一篇,我們將針對效能來進行比較,想了解SAS硬碟效能比SATA硬碟快多少,下一篇的實機測試將揭開答案,敬請鎖定。

 

johan

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