浅析SAS协议（1）：基本介绍

概述

SAS，全称Serial Attached SCSI，即串行连结SCSI，是一种采用了串行总线的高速互连技术。通过物理上使用串行总线连结，在链路上传输SCSI协议标准命令，SAS替代了早期的并行SCSI总线传输技术，相较于后者，SAS实现了更高的传输速率、更方便的连接以及更高的扩展性。当前，SAS在服务器以及存储阵列中广泛应用，主要用于连接硬盘和硬盘框。

SAS协议发展历程

SAS协议自2005年发布SAS 1.0版本后，先后又发布了2.0、3.0以及4.0版本，每个新发布的版本传输速率较于上一代都实现了翻倍。当前，市面上应用最广泛的主要是SAS 3.0（12G SAS），涉及的产品很多，其后的SAS 4.0版本也逐渐有厂商发布了对应的存储设备，后续会陆续应用到市场当中。

协议版本	速率	发布时间
SAS-1	3Gbps	2005
SAS-2	6Gbps	2009
SAS-3	12Gbps	2013
SAS-4	24Gbps	2019/2020

SAS技术特性

SAS支持以下技术特性：

• 采用串行总线技术，可以实现更高带宽的硬件链路，目前应用最广泛的SAS 3.0版本，单条链路可以支持到12Gbps/s的速率；
• 点对点的结构，可提供端点间固定的带宽，避免了共享总线带来的瓶颈效应；
• 全双工的数据传输，SAS的物理链路包含了发送和接收两组差分信号线路，可以实现双边同时传输数据，提高数据的吞吐量；
• 高扩展性：SAS协议支持使用Expander设备扩展连接SAS设备，最高可在一个SAS域内支持65535的设备数量；
• 兼容性：SAS在链路协议以及接口上均实现了对SATA的兼容，支持接入SATA盘，并传输SATA数据帧。

SAS设备拓扑

SAS在实际应用场景中，主要用来接入硬盘以及硬盘框，如下图，是一个基础的SAS组网模型，其中，SAS主机适配器作为启动器，可以直连SAS或SATA设备；同时还接入了一个Expander设备，从而可以扩展更多的SAS设备。

SAS总线通过点对点的方式将两个设备连结到一起，连接点称为端口。每个SAS设备至少需要包含一个端口，对于SAS HBA和Expander设备通常会包含多个端口。一个SAS端口由一个或以上的Phy（对应于一条物理链路）组成，如果端口中仅有一个Phy，该端口被称为窄端口，如上图中x1端口；有包括多于一个的Phy，则称其为宽端口，如上图中x4宽端口。

在对SAS组网模型有了一个基础的认识后，我们再来看一下SAS设备拓扑相关的其它一些基本术语和概念。

SAS phy

SAS phy是一个逻辑概念，包含了一个收发器，可以在物理链路上实现发送或接收数据。当连接两个设备时，设备间的链路示意图如下：

可以看到，SAS的一条物理链路包含了两组差分信号对，分别用于发送和接收方向，并且允许同时在两个方向上进行传输，即全双工。

SAS地址

SAS地址是一个64位长度的标识符。对于设备中每个phy都配置了一个SAS地址，并且如果多个phy需要组成宽端口，需要配置相同的SAS地址。SAS协议规定，SAS地址应该使用NAA IEEE注册格式进行定义，如下：

如果SAS地址的所有字段全为0，则会被视为无效的标识。

SAS设备类型

SAS协议定义了两种类型的SAS设备：End Device和Expander Device，其中：

• End Device：SAS协议定义不是Expander设备的设备都属于End Device，包括SAS主机适配器、SAS硬盘等。End device不具备转发能力；
• Expander Device：可以提供设备扩展能力，允许系统接入更多的SAS设备。

SAS协议分层

SAS协议分为6个层次，从低到高依次是物理层、Phy层、链路层、端口层、传输层和应用层：

各个分层功能描述如下：

• 物理层（physical layer）：主要定义了SAS线缆和接口的规范，电气特性和SAS phy层中用于SAS收发器的测试条件；
• Phy层（phy layer）：负责传输上层协议的比特流，定义了编码方案、供电/复位序列等；
• 链路层（link layer）：定义了如何控制phy层连接管理。链路层根据所处理的协议不同还分为SSP链路层（串行SCSI协议链路层）、STP链路层（串行隧道协议链路层）、SMP链路层（串行管理协议链路层）；
• 端口层（port layer）：描述的是链路层和传输层的接口，包括如何请求、中断、如何选择建立连接。SAS端口层可以通过相关的SAS链路层同接口中所有的phy进行通讯；
• 传输层（transport layer）：主要负责SAS帧的封装和分解。具体的来说传输层能从端口层接收SAS帧并且解析，然后将SAS帧内要传输的内容发送给应用层，反之依然。根据所处理的具体协议不同，传输层分为：SSP传输层（串行SCSI协议传输层）、STP传输层（串行隧道协议传输层）和SMP传输层（串行管理协议传输层）；
• 应用层（application layer）：描述了如何在不同类型的应用下使用SAS的细节，它产生请求并且向相关的传输层发送请求（比如，SCSI应用层给SSP传输层发送请求，要求向一个SSP目标端口发送一条SCSI命令），并且从相关的传输层接收请求响应结果。

参考链接

• 《SAS Protocol Layer》
• 《SAS Storage Archteciture》