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第五讲 直连存储和SCSI介绍 主讲人：储王伟
主要内容 存储设备的发展历史 直连存储DAS 磁盘驱动器接口协议 SCSI体系结构与编址
存储设备的发展史 时代的发展，科技的进步造就了当今的社会，而存储器 的百年发展也同样的惊人的，从最初的打孔机到现在的蓝光 DVD和固态硬盘，存储器每一步的发展都留下了坚实 的脚 印。下面就让我们寻着这条脚印再来回顾下它的发展史。相 对最早期的打孔纸卡以及穿孔纸带都以离我们太久远，不妨 让我们 从磁带开始回忆吧。。。。
大型磁带记录——盘式磁带 在 1950年代，IBM最早把 盘式磁带用在数据存储上。 因为一卷磁带可以代替 1万张 打孔纸卡，于是它马上获得 了成功，成为直到 80年代之 前最为普及的计算 机存储设 备。在 80年代末的时候，大 家都聚在一起看老电影，当 时看待巨大的圆盘来回转， 这就是盘式磁带，现在磁带 的最大容量已经达到 1 TB。
最珍贵的回忆——盒式录音磁带 盒式录音磁带应该是 80年代人，小 时候珍贵的记忆之一。它显然也是磁带 的一种，可是它实在是太普及了，所以 要专门说一下。这是飞利浦公司在 1963 年发明的，可是直到 1970年代才开始流 行开来。 一些计算机，ZX Spectrum, Commodore 64和Amstrad CPC 使用它来存储数据。一盘 90分钟的录音磁带，在每一面（ 记得录音磁带是可以翻面的吗）可以存储 700 KB到 1 M的数 据。现在的一张DVD 9光盘，可 以保存 4500张这样磁带的 数据，如果现在要把这些数据全部读出来，那要整整播放 281天。
超长的存储设备——磁鼓 一支磁鼓有12英寸长，一分钟可以转 1万2千5百转。它 在IBM 650系列计算机中被当成主存储器，每支可以保存 1 万个字符（不到 10 K）。
软盘的鼻祖—— 8英寸软盘 软盘是个人计算机（PC）中作为一种可移贮存硬件，它是用于那些需要被物理移动的小文件的理 想选择。软盘有八寸、五又四分一寸、三寸半之分。当中又分为硬 磁区Hard-sectored 及软磁区Soft. Sectored。软式磁盘驱动器则称FDD，软盘片是覆盖磁性涂料的塑料片。 在 60年代末 70年代初期，IBM推出的全球第一台PC，是计算机业里程碑似的革命性的飞 跃。但是IBM的System 370计算机面临这样一个问题，就 是这种计算机的操作指令存储在半导 体内存中，一旦计算机关机，指令便会被抹去。于是在 1967年，IBM的San. Jose实验室的存储 小组受命开发一种廉 价的设备，为大型机处理器和控制单元保存和传送微代码。这种设备成 本必须在 5美元以下，以便易于更换，而且必须携带方便，于是软盘的研制之路开始了。 4年 后又推出一种直径8英寸的表面涂有金属氧化物的塑料质磁盘，发明者是艾伦·舒加特（Alan Shugart，后离开IBM创办了希捷seagate公司），这就是我们常说的软盘标准“软盘”的父辈， 最大容量 1. 2 MB。
5. 25英寸软盘和餐巾 8英寸/5. 25英寸/3. 5英寸对比 8英寸的软盘虽然从技术原理上 已经很接近现代软盘，但缺陷就是体积 过大，携带很不方便，于是 5. 25英寸的 软盘诞生了。这里 5. 25英寸软盘的发明 还有一个小故事，美国王安电脑公司当 时打算发布用于字处理的计算机，感到 8 英寸的软盘太大，于是开始与 Shugart. Associates公司合作生产小一 点的磁盘。一天晚上，在波士顿一家昏暗 的酒吧中，他们最后一致同意采用某种 尺寸的软盘，这种尺寸就是餐桌上的一 块鸡尾酒餐巾的尺寸，它的大小恰好是 5. 25英寸。从此这种软盘成为电脑的最 佳移动存储设备，容量也达到 360 K。 5. 25英寸软盘一直持续到 90年代，后来 终于被另一种体积更小、容量更大的产 品替代了，那就是 3. 5英寸软盘，最大容 量 1. 2 MB。
大行其道的3. 5英寸软盘 5. 25英寸的软盘有很多缺点，比如软盘采用的外包装比 较脆弱，容易损坏，体积也比较大。新一代软盘的开发被日 本的索尼公司拔得头筹。1980年，索尼公司率先推出体积更 小、容量更大的3. 5英寸软驱和软盘，不过刚推出的时候在 当时并没有被一些主要PC厂家所接受，市面上流行的依旧 是 5. 25英寸的软盘。 直到 1987年 4月，IBM推出基于386的IBM Personal System/2（PS/2）个人电脑系列，正式配置了3. 5英寸的软 驱后，这才引起了很多人的注意。大家都被这种体积更为 小巧、容量却是 5. 25英寸软 盘的几倍的新软盘所吸引，从 那时起，在IBM、康柏为代表的厂商极力推崇下，这种3. 5 英寸的软盘开始大行其道，3. 5寸软盘以其便宜的价格、相 对巨大的 存储量（1. 44 M，百万级字节存储量）很快全面 占领市场，而3. 5英寸软盘驱动器也开始正式取代 5英寸的 软驱成为PC的标准配置，走向了它一生中最辉煌 的时期。 这一绝对的垄断地位持续了十几年，一直到 2002年，最大 容量 1. 44 MB。
第一张视频光盘——LD光盘 图中大的是LD盘，小的是普通 5寸光盘 1958年就发明光盘技术了，可是直到 1972年，第一张视 频光盘才问世，6年后的1978年它开始在市场上卖。那 个时候的光盘是只读的，虽然不能写，但是能够保存达 到VHS录像机水准的视频，使得它很有吸引力。
CD—全称：COMPACT DISC（激光唱片，光盘） • CD代表小型镭射盘，最大容量 700 MB。1982年 8月31日，SONY．CBS／SONY．荷兰飞利 浦与POLYGRAM四家公司共同举办了CD这个数字录音格式的发布会，并决定从秋季起开 始在日本发售。 直径仅仅12 cm，利用数字信号录音，只要一个按钮就可执行选曲，能 够半永久的使用，CD实现了许多乐迷的梦想。是年 10月1日，SONY推出了第一台 CD机 CDP-101。16万8, 000日圆的价格，对一般消费者而言是很难接受的。不过只要想到里面 的技术与开发时间，能做成商品的确是一个奇迹。进入 1983年后，其它公司的CD机也 相继上市，销售形势一片大好。但是，大家看到了，由于网络下载、mp 3的出现，现在 的CD也已经没落。
磁光盘—又叫MO光盘 MO全称Magneto-Optical Disk，即磁光盘 的意思。1991年第一张MO盘就已经开始发行， 它具有体积小，不用安装驱动程序，容量大等优 点。但最终受到价格因素制约，没能在个人 用户 中普及开来。可是凭着超高的安全性和稳定性， 目前仍有不少科研、政府机构或是苹果机使用比 较多的广告公司仍在使用。最大容量可达 9. 1 GB， 普遍应用于电子邮件存储，医疗图像传送与保存， 声音记录，金融记录存储。
采用红外激光——DVD光盘 DVD是使用了不同激 光技术的CD，它采用了780纳 米的红外激光（标准CD则采 用 625－650纳米的红色激光） ，这种激光技术使得DVD可 以在同样的面积中保存更多 的数据。一张双层DVD容量 可达 8. 5 GB。
最先进存储——蓝光DVD、HD-DVD 现在最引人瞩目的，是蓝光DVD和HD-DVD这 两种竞争的光盘技术。蓝色激光使得存储的容量进 一步增长，目前看起来，好像蓝光DVD更流行一些。 不过如 果我们目光放更长远一些，也许一种被称为 “Holographic Versatile Disc”的光盘，可以提供比蓝 光DVD大 160倍的容量－－高达 3. 9 TB，相当于保存 4600到 11900小时的MPEG 4格式的电影。
蓝光光盘不算什么—— 300 G全息光盘 In. Phase Technologies公司日前宣布已经开始量产并销售全息存储驱动器和 300 GB容量的全息光盘(HVD)，其中驱动器“Tapestry HDS-300 R”要价 18000美元， 300 GB容量的全息光盘也高达 180美元。目前主要的客户是政府机构和大型企业。 In. Phase在 2005年 4月就实现了200 Gbit/平方英寸的存储密度，06年 初它们则宣布了，存储密度达到了515 Gbit/平方英寸，容量可达 360 GB全息光盘。这一存储密度已经远远超过了包含硬盘在内的现所 有存储媒体（目前实验室里硬盘单碟最高为 345 Gbit/平方英寸）。
双光子 3 D技术—— 12 cm光盘存储 1 TB 美国Call/Recall公司称，它 们已经成功开发并测试了TB级光 盘。TB级光盘采用双光子吸收 3 D 技术，利用双光子吸收现象进行 记录时，由于能够抑制上下记录 层之间的干涉（串扰），因此在 多层记录 时便于通过缩小层间 隔来提高记录密度。
最普遍用到的存储产品——U盘与移动硬盘 全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的 一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接 口进行连接。而之后生产的类似技术的设备由 于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优 盘”，而改称谐音的“U 盘”。发展至今，他已经 成为人手必备之物，与人们生活 作密不可分， 最大容量 256 GB。 顾名思义是以硬盘为存储介制，计算机之间交换大 容量数据，强调便携性的存储产品。目前市场上绝大多 数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的，而只有很少部 分的 是以微型硬盘(1. 8英寸硬盘等)，但价格因素决定着 主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。因为采用 硬盘为存储介制，因此移动硬盘在数据的读写模式与 标 准IDE硬盘是相同的。移动硬盘多采用USB、IEEE 1394 等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数 据传输。目前主流2. 5英寸品牌移动 硬盘的读取速度约为 15 -25 MB/s, 写入速度约为 8 -15 MB/s，最大容量 2 TB。
新一代存储新秀——卡片存储设备 ● SD卡 即Secure Digital Card卡，是一种基于 半导体快闪记忆器的记忆设备，在数码相机、 多媒体播放器等便携式数码产品上被广泛使 用。SD卡看上去只有邮票大小，重量只有2 克，但却拥有高 忆容量、快速数据传输率、 极大的移动灵活性以及很好的安全性。 ● SDHC卡 ● CF卡：（Compact Flash）具有PCMCIAATA功能，并与之兼容；CF卡重量只有14 g， 仅纸板火柴般大小（43 mm × 36 m m× 3. 3 mm）， 是一种固态产品，也就是 作时没有运动部 件。大多数数码相机选择CF卡作为其首选存 储介质。 SDHC是“High Capacity SD Memory Card”的缩写，也就是“高容量SD存储卡”。 作为SD卡的继任者，SDHC主要特征在于文 件各式从以前的FAT 12、FAT 16提升到了 FAT 32， 而且最高支持32 GB。
双光子 3 D技术—— 12 cm光盘存储 1 TB ● MMC卡 MMC卡：（Multi. Media Card）MMC的 发展目标主要是针对数码影像、音乐、 手机、PDA、电子书、玩具等产品，其 尺寸只有32 mm × 24 mm × 1. 4 mm。 ● TF卡 TF卡：（micro. SD）是一种超小型卡（ 11 mm× 15 mm× 1 mm），约为SD卡的1/4， 可以算目前最小的储存卡了。TF卡可经 SD卡转换器后， 当SD卡使用。利用适 配器可以在使用SD作为存储介质的设备 上使用。
今日存储霸主 首款硬盘诞生 在 20世纪 50年代中期，虽然之前人 们已经在使用打孔卡和磁带进行数据的存 储，但是要想在上述存储介质上查找某个 数据却非常困难，往往需要数小时的时间， 就是因为这些存储产品采用的是顺序存取 技术。而那些被昵称为“牛仔”的IBM实验 室的技术人员一个十分单纯的想法就是， 找到一种随机存取的方 法，加快数据的存 取速度。4年之后，他们终于宣布开发出 了一种将对全 球计算领域产生重大影响的 产品，那就是统计控制随机存取法（ Random Access Method for Accounting Control，RAMAC）”。这款商用磁盘存储 系统就是RAMAC 305，有两个冰箱那么宽， 内部安装了50个直径两英尺的磁盘，重量 约 1吨，当时可以存储“惊人”的500万个字 符(5 MB)。
60至 70年代的主宰——比微波炉还大的硬盘 时间转移到 1962年，这时 已经是 14英寸的硬盘占据市场的 统治地位，直到 70年代中期，14 英寸硬盘几乎占据了全部硬盘市 场，几乎所有这些设备都出售给 大型计算机制造商。那个时候那 种大型硬盘也并不是普通用户能 消费的起的，而且容量不过百兆 左右。 左面的照片就是最近到本 网站的14吋硬盘，我们将它和一 个可乐罐做对比，可以明显看出 他的体积有多庞大，其实真正的 它要比一个微波炉都大。可想那 个时代的计算机体型会是一个什 么样子，不过到了70年代末期，8 英寸硬盘就已经诞生，体积也相 应减小了不少。
苦苦挣扎终成正果!8英寸硬盘发展不易 1978 -1980年，更小的8英 寸驱动器被开发出来，其中包括 Shugart Assaciates、Micropolis、 priam和昆腾这些老牌硬盘厂商， 不过容量仅为 10 M、20 M、30 M 以及40 M，相比 14英寸硬盘而言 要小了很多，所以这种型号受到 了当时只需要大容量硬盘的大型 计算机制造商的冷落，因此这些 8英寸型号的市场新入者将他们 的创新性硬盘投入新的应用：小 型计算机。
80年首款 5. 25英寸硬盘诞生 时间转到了1980年，硬盘的体积终于又出现了变化，下面这款就是世界第 一台 5. 25英寸硬盘驱动器ST-506，作为首款真正面向台式机的硬 盘，5. 25吋的出现 势必具有其特殊的意义，对于许多 80后的电脑玩家来说，所接触到的第一块电脑硬 盘大部分是 5. 25英寸开始的，虽然它的容量仅有 5 MB，但它的出现却带动了一个时 代。
谁曾想现在的霸主 3. 5英寸曾被厂商放弃 时隔四年，到了1984年，一 家苏格兰企业Rodime首先开发出了 3. 5吋硬盘，相信当时谁也没有料到， 这个尺寸现在会成就如此伟大的时 代，因为就如同 8英寸硬盘出世之 初一样，3. 5英寸结构硬盘在一开始 推出时根本不被重视，其原因也是 因为成本高而容量太小，难以满足 人们的需求，到了88年为止，也仅 有到一半的硬盘厂商开始生产 3. 5英 寸硬盘。
直连存储DAS 定义：直连存储 (Direct-Attached Storage, DAS)是一种存储器直接连接到服务 器的架构。 主机内部的磁盘，磁带库和直接连接的外部磁 盘组，都是 DAS的实例。 DAS架构仍是少量服务器访问和共享本地数据 的理想方案， DAS适合小型企业、部门、个人，也 可以作为中型企业的文件服务器和邮件服务器， 以及大型企业 SAN和 NAS的辅助。 分类： 1，内置DAS：存储设备通过串行或并行总 线 连接 到 主机。 2，外置DAS：服务器直接连接到外部存 储设备，之间采用 SCSI或 FC协议 进行 通信。
DAS的优缺点 DAS的优点： 相对其他存储架构，只需较低的前期投资 简单快捷的部署，基于主机操作系统便可安装管理 设置操作的软硬件少，管理任务少 DAS的缺点： 不易扩展。有限的端口和带宽限制了存储设备数量和I/O处理能力。 无法优化资源使用。未被使用的资源不能方便的重新分配，导致 过载或欠载的孤立存储池。 对服务器的依赖性比较强，对其性能要求也比较高。
磁盘驱动器接口 上一讲中，有介绍硬盘的接口 IDE/ATA SATA SAS SCSI FC IDE/ATA、SAS、SCSI、FC都是主机与存储设 备通信的预定义协议，它们都集成在硬盘驱动器 的控制器上。
IDE/ATA 集成电路设备/高级技术(Integrated Device Electronic/Adwanced Technology Attachment, IDE/ATA)磁盘 支持IDE协议。 IDE协议定义了连接到主板上控制器的规范。ATA协议规定 了存储设备到主板的连接接口。 IDE/ATA拥有多种标准和命名，如ATA、ATA/ATAPI、EIDE、 ATA-2、Fast ATA、ATA-3、Ultra. ATA以及Ulrea DMA等，最 新的支持133 MB/s的吞吐率。 IDE/ATA磁盘性能良好且价格低廉，成为很受欢迎并被广泛 使用的硬盘。
SATA SATA(Serial ATA)是IDE/ATA规范的 一个串行版本，目的是取代ATA技 术。SATA很大的特点就是它支持 热插拔。 SATA提供点对点，距离可达 1米的 连接，数据传输率可达 150 MB/s， 增强的甚至可达 600 MB/s。 SATA总线使用小型的7针连接器和 细缆进行连接，一个SATA端口使 用 4个信号针脚，与并行的ATA相 比，大大提高了针脚的利用率。
SAS 一：串行SCSI(Serial Attached SCSI, SAS)是在 SCSI Ultra 320发展后的版本，使用SCSI指令 进行通信，并与SATA的针脚相兼容。支持 3 Gb/s的数据传输率，支持双端口，全双 ， 设备寻址。通过扩展甚至可以连接多个设 备。这对于需要高速度磁盘存储的高端服 务器来说是个很好的选择。
SCSI及其演化 并行SCSI(简称SCSI)，是一种最早期和最流行的主机存储器接口模式，是 一套外围设备与计算机进行连接和数据传输的标准。通信使用的是SCSI 指令集 。今天，SCSI已经作为一种广泛使用的硬盘接口。然而，SCSI还 可以用于增加其他设备，例如磁带驱动器和光媒介驱动器，而且不需修 改系统的硬件或软件。 SCSI-1只是为了与其他SCSI版本区别而重新命名，实际上就是最原始的 经ANSI批准通过的标准。SCSI-1定义了第一个SCSI总线的基础规范，包 括线缆长度、信号特性、指令和传输模式。SCSI-1设备只支持单端的传 输和被动终端。SCSI-1使用一个窄口的8位总线，提供的数据传输率最大 为 5 MB/s。 SCSI-2 为了解决SCSI-1的非标准实现引起的问题，SCSI-2被定义为SCSI设备的 一套标准指令。这套标准称为“通用指令集（Common Command Set， CCS）”。SCSI-2专注于提高性能和增强可靠性以及在SCSI-1接口上增加 额外的特性，除此之外，它还标准化和规范化了SCSI的指令。 SCSI-3 在 1993年，发展下一代SCSI标准版本的 作开始进行，称为SCSI-3。不 同于SCSI-2，SCSI-3标准文档包含了不同的但又有所关联的许多标准， 而不只是一份大型的标准文档。
IDE/ATA与SCSI的对比 特性 速率 IDE/ATA 100 133 150 MB/s SCSI 320 MB/s 连接类型 内置 内置或外置 费用 低廉 中等偏高 热插拔 不可以 可以 性能 中等偏低 高 配置易用性 高 低到中等 最大支持设备数 2 16
SCSI各阶段对比 接口 标准 总线位宽 时钟速率 最大吞吐率 最大设备数 SCSI-1 8 5 MHz 5 MB/s 8 Fast SCSI-2 8 10 MHz 10 MB/s 8 Fast Wide SCSI-2; SCSI-3 SPI 16 10 MHz 20 MB/s 16 Ultra SCSI-3 SPI 8 20 MHz 20 MB/s 8 Ultra Wide SCSI-3 SPI 16 20 MHz 40 MB/s 16 Ultra 2 SCSI-3 SPI-2 8 40 MHz 40 MB/s 8 Ultra 2 Wide SCSI-3 SPI-2 16 40 MHz 80 MB/s 16 Ultra 3 SCSI-3 SPI-3 16 40 MHz DDR 160 MB/s 16 Ultra 320 SCSI-3 SPI-4 16 80 MHz DDR 320 MB/s 16 Ultra 640 SCSI-3 SPI-5 16 160 MHz DDR 640 MB/s 16
SCSI-3协议的架构 SCSI-3指令协议：这包含 了对于所有设备来说最主 要的指令，同时也包括特 定设备的指令，即对给定 类别的设备来说是唯一的。 传输层协议：这是一套设 备间通信和共享信息的标 准集规则。 物理层互连：这是关于接 口的一些细节，例如电子 信号方法和数据传输模式 等。
SCSI通信的客户／服务器模型 一个SCSI发起方，或者说一个客户，发送一个请求给SCSI目标方或者说一个服 务器。然后这个目标方执行任务请求，并且使用协议服务接口发送输出信息给发起方。 一个SCSI目标方设备包含一个或多个逻辑单元。逻辑单元处理SCSI 发起方发送 过来的指令。一个逻辑单元包含两个部件：一个设备服务器和一个任务管理器。设备 服务器确定客户请求，任务管理器执行管理功能。
SCSI端口 SCSI端口是SCSI的连接SCSI线缆的物 理连接器，用于SCSI设备的数据通 信。 一个SCSI设备可以包含目标端口、 发起端口和目标/发起端口或带多 端口的目标端口
SCSI通信模型 与OSI七层模型很相似。 • SCSI应用层(SCSI application layer, SAL)包含客户端和服务 端的应用程序，通过SCSI应 用程序协议发起和处理SCSI 的I/O操作。 • SCSI传输层协议(s. CSI transport layer, STPL)包含发 起方和目标方通信的服务和 协议。 • 互连层，这一层实现了目标 方和发起方之间的数据传输。
并行SCSI编址 在并行SCSI发起方-目标方的通信中， 发起方ID唯一标识了发起方，并且被用作 初始地址。这个ID在 0到 15的范围内，通 常 0到 7是最常用的。一个目标方ID唯一确 定了一个目标方，并且被用于与发起方交 换指令和状态信息。目标方ID在 0到 15的 范围内。
SCSI指令模型1：CDB结构 CDB(Command Description Block)： 发起方使用CDB结构发送指令到目标方。CDB定义了与发起方请 求相关的，会被设备服务器执行的操作。CDB包含了1个字节的操 作码，后接 5个或更多字节的特定指令参数，结尾是 1个字节的控 制字段。指令规定小于等于16个字节。而CDB的长度会根据不同的 指令及其参数而改变。
SCSI指令模型2：操作码 操作码包含分组码字段和指令码字段，分组码 字段是一个 3比特的字段。指令码字段是一个 5比特 的字段，允许每个分组有32个指令码，一共有256 个可用的操作码。但是，只有60个不同的SCSI指令 用于发起方和目标方之间的通信。
SCSI指令模型3：控制字段和状态码 控制字段是一个 1字节的字段，是CDB的最后一个字节。 控制字段实现了标准自动应急处理（normal auto contingent allegiance，NACA）和链接比特。控制字段结构如下图所 示。 状态码：在指令执行之后，逻辑单元发送状态和标 记给客户应用程序。这个状态（除INTERMEDIATE 和INTERMEDIATE-CONDITION MET）都表示一 个任务的终结。
本讲小结 回顾了存储设备的发展历史 介绍了DAS的特点和应用 对存储设备各类接口协议进行了介绍 介绍了SCSI的演变以及架构和编址 DAS拥有几个优势，如简便、容易配置和管理等，但它在可 扩展性和可用性方面的局限限制了其在企业存储解决方案 中的应用。由于DAS的局限性，企业更偏好于使用SAN和 NAS，我们将在后面学习SAN和NAS。
第六讲 存储区域网络 储王伟
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