• Thứ Hai, 13/03/2006 08:47 (GMT+7)

    Chuẩn giao tiếp PC: Ưu thế thuộc chuẩn lưu trữ nối tiếp

    Bộ nhớ là một trong những thành phần cơ bản trong máy tính, trong đó, giao tiếp giữa bộ nhớ (memory) và thiết bị lưu trữ (storage) với các thành phần khác đóng vai trò quyết định về khả năng xử lý và tốc độ của hệ thống.

    Bộ nhớ là một trong những thành phần cơ bản trong máy tính, trong đó, giao tiếp giữa bộ nhớ (memory) và thiết bị lưu trữ (storage) với các thành phần khác đóng vai trò quyết định về khả năng xử lý và tốc độ của hệ thống.

    Ưu thế thuộc chuẩn lưu trữ nối tiếp
    Theo đà mở rộng qui mô của bài toán cần giải quyết, máy tính nhận và xuất ngày càng nhiều dữ liệu. Chính vì thế, tuyến bus dành cho hệ thống lưu trữ thường xuyên được cải tiến theo 3 tiêu chí: nhanh, tin cậy và chi phí thấp. Hiện tại, giao tiếp lưu trữ trên máy tính cá nhân đang chuyển dần từ cơ chế song song của IDE sang cơ chế nối tiếp trên kiến trúc Serial ATA. Bên cạnh đó, chuẩn lưu trữ mạng cũng đang phát triển phong phú và cho phép triển khai nhiều giải pháp sao lưu mới rất an toàn.

    IDE
    Năm 1986, khái niệm IDE (Integrated Device Electronics) được Western Digital và Compaq đưa ra vì băng thông qui định trong chuẩn ST506 và ESDI (Enhanced Small Device Interface) quá chật hẹp so với nhu cầu ứng dụng thực tiễn. Bản thân IDE không phải là chuẩn phần cứng mà chỉ là một phần trong bộ đặc tả giao tiếp công nghiệp ATA (AT Attachment). Chuẩn Parallel ATA (P-ATA), được phát triển từ giao tiếp IBM Advanced Technology (AT), thực hiện nhiệm vụ định nghĩa tập lệnh và thanh ghi để tạo nên ngôn ngữ giao tiếp giữa ổ đĩa lưu trữ với PC.
    Việc tích hợp bộ điều khiển IDE lên ổ đĩa cứng được xem là một bước tiến rất quan trọng vì tách biệt được chức năng điều khiển ra khỏi chuẩn giao tiếp. Nhờ vậy, nhà sản xuất có thể độc lập nghiên cứu nâng cao băng thông mà không làm thay đổi giao tiếp; đạt được cả yếu tố thời gian và hiệu quả đầu tư.
    Thị trường nhanh chóng chấp nhận IDE bởi nó đáp ứng được hai yếu tố quan trọng là chi phí rẻ và tương thích rộng. Đặc tả IDE được thiết kế hỗ trợ 2 ổ đĩa cứng gắn trong dung lượng tối đa 528 MB/ổ đĩa: đủ vào thời điểm 1986 nhưng lại quá chật hẹp chỉ sau 10 năm.

    EIDE
    Chuẩn ATA đã giúp PC Lột xác nhưng đến năm1993, Western Digital lại phải tiếp tục đưa ra chuẩn EIDE (Enhanced IDE) để giải quyết 'thắt cổ chai' ATA. EIDE hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu cao 16,6MBps và đĩa cứng dung lượng 137GB (vào giữa năm 1998, trước đấy chỉ hỗ trợ 8,4GB).
    Bốn thiết bị có thể gắn trên một hệ thống EIDE và được chia thành hai kênh. Mỗi kênh hỗ trợ hai thiết bị và phân biệt thứ bậc master/slave (chính/phụ). Bus EIDE được nối trực tiếp vào bus cục bộ (như PCI), dùng chung địa chỉ và giá trị IRQ như trên hệ thống IDE. Nhờ vậy, hệ thống vẫn tương thích với thiết bị IDE và tiếp tục nhận được sự hỗ trợ từ hệ điều hành, phần mềm hỗ trợ IDE trước đây. Tuy nhiên, hệ thống IDE cũ cũng cần nâng cấp và bổ sung phần mềm.


    Ổ đĩa cứng cá nhân 5MB đầu tiên dược Seagate giới thiệu năm 1979

    Đặc tả ATAPI (AT Attachment Packet Interface), cũng do Western Digital đưa ra, hỗ trợ cả thiết bị ngoại vi như ổ CD-ROM và ổ băng. Phần mở rộng ATAPI của giao thức ATA định nghĩa một tập lệnh, thanh ghi đơn cho phép thiết bị khác chia sẻ bus ATA với ổ cứng ATA truyền thống và bổ sung thêm lệnh điều khiển CD-ROM.
    Ngoài ATAPI, EIDE còn hỗ trợ chuẩn giao tiếp phát triển bởi Ủy Ban ATA. Chế độ Programme Input/Output  (PIO) cho phép ổ đĩa và bộ điều khiển IDE sử dụng thanh ghi bộ xử lý để trao đổi dữ liệu ở nhiều mức tốc độ khác nhau. Trong khi, Direct Memory Access (DMA) cho phép đĩa cứng trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ hệ thống và đặc biệt phát huy hiệu quả trên máy tính đa nhiệm vì cho phép CPU xử lý trong khi truyền dữ liệu. Tuy nhiên, chế độ DMA chỉ chạy được trên hệ thống cho phép CPU truy xuất bộ nhớ, bus ISA đồng thời với bus PCI và cần có sự hỗ trợ từ trình điều khiển thiết bị và BIOS hệ thống.
    Giới công nghiệp ổ đĩa cứng cũng vạch ra nhiều con đường mới để nâng cao hiệu năng. Trước tiên, họ tập trung nâng dung lượng đĩa bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa hai track (track density) và tăng mật độ dữ liệu trên từng track (linear density). Nhờ tăng lượng dữ liệu sẵn sàng trong từng vòng quay mà tốc độ truyền dữ liệu cục bộ cũng tăng lên. Cũng có một số nhà sản xuất chọn phương pháp tăng tốc độ quay của đĩa, điều chỉnh giải thuật bộ đệm. Nhưng cách giải quyết triệt để nhất chính là thay đổi giao thức ATA/IDE.
    Đặc tả ATA nguyên gốc nối vào bus ISA nên băng thông tối đa chỉ lên đến 2MBps hoặc 3MBps. Giao tiếp mới, ATA-2 hoặc Fast ATA, nối thẳng vào bus cục bộ nên băng thông được nâng lên đáng kể. Để phân biệt, nhà sản xuất hệ thống và đĩa cứng dùng nhãn Fast ATA dành cho ổ đĩa cứng EIDE hỗ trợ PIO Mode 3 và DMA Multiword Mode 1, còn Fast ATA-2 thì đặt cho ổ đĩa hỗ trợ PIO Mode 4 và DMA Multiword Mode 2.

    Ultra  ATA
    Vào nửa cuối năm1997, giới hạn 16,6MBps của EIDE bị phá vỡ và nâng
    lên gấp đôi (33MBps) trong chuẩn Ultra ATA (còn gọi ATA-33 hoặc Ultra DMA mode 2). Không chỉ đơn thuần nâng tốc độ truyền dữ liệu, Ultra ATA còn nâng độ chính xác dữ liệu bằng cách dùng mã phát hiện lỗi truyền dữ liệu Cyclical Redundancy Checking (CRC).
    Giao tiếp ATA gốc được xây dựng dựa trên giao tiếp bus luận lý transistor-transistor (TTL - transistor-transitor logic) dùng cơ chế truyền dữ liệu bất đồng bộ; tương tự nền tảng giao thức ISA cũ: dữ liệu và tín hiệu điều khiển được truyền dưới sự 'bắt nhịp' của xung strobe nhưng tại mỗi thời điểm chỉ có một loại tín hiệu được truyền. Vì thế, lệnh và tín hiệu dữ liệu phải chờ đến khi yêu cầu dữ liệu truyền hết. Bắt đầu từ ATA-2, cơ chế đồng bộ bắt đầu được sử dụng. Ổ đĩa cứng kiểm soát tín hiệu strobe, tiến hành truyền xen kẽ dữ liệu với lệnh và tiến hành đồng bộ theo cạnh lên của xung.
    Về mặt logic, tăng tốc độ xung strobe cũng đồng nghĩa với tăng tốc độ băng thông nhưng lại làm phát sinh hiện tượng nhiễu điện từ (electromagnetic interference -EMI) gây sai lệch giá trị dữ liệu. Trong ATA-2, chế độ PIO mode 4 hoặc DMA mode 2 có thể truyền với tốc độ 16,6MBps.

    ATA-3 có thêm tính năng tự phân tích và báo cáo (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology - SMART) giúp tăng độ tin cậy của ổ đĩa cứng.

    ATA-4,  kể cả Ultra ATA, tách tín hiệu  cạnh lên và cạnh xuống của xung strobe thành hai tín hiệu đồng bộ độc lập để giảm tác động của nhiễu điện từ và tăng gấp đôi băng thông dữ liệu. Trong khi ATA-2 và ATA-3 truyền dữ liệu với mức 16,6MBps, Ultra ATA cho phép truyền 33,3MBps. Bên cạnh chế độ PIO 0-4 và DMA 0-2, đặc tả ATA-4 còn bổ sung chế độ Ultra DMA mode 2 (33,3MBps). ATA-4 được tích hợp vào đặc tả AT Attachment Program Interface (ATAPI) chung cho cả ổ CD-ROM, ổ băng và thiết bị lưu trữ di động.
    Hiện thực CRC trong Ultra DMA cũng là một điều mới với đặc tả ATA. Mỗi đợt truyền dữ liệu, giá trị CRC được tính đồng thời trên cả nơi gửi lẫn bộ điều khiển đĩa cứng và được lưu vào thanh ghi CRC. Cuối đợt truyền, giá trị CRC tại hai nơi sẽ được so trùng nhau. Nếu có sự khác biệt, bộ điều khiển đĩa cứng sẽ báo lỗi và thực hiện lại lệnh truyền.

    ATA-5, gồm cả Ultra ATA/66, tăng băng thông gấp đôi so với Ultra ATA bằng cách giảm thời gian thiết lập và tăng tốc độ xung strobe. Nhiễu điện từ bắt đầu xuất hiện rõ rệt nên tuyến cáp 40 dây trước đây dùng trong chuẩn ATA và Ultra ATA buộc lòng phải thay thế. Tuyến cáp mới có đến 80 dây, trong đó dùng 40 dây làm vật dẫn tiếp đất. Tuy nhiên, đầu nối vẫn giữ nguyên thiết kế 40 chân nên ổ đĩa Ultra ATA/66 hoàn toàn tương thích với thiết bị Ultra ATA/33 và DMA, EIDE/IDE, ổ CD-ROM,... Đặc tả ATA-5 giới thiệu mã phát hiện lỗi CRC mới và có thêm chế độ Ultra DMA mode 3 (44,4MBps) và mode 4 (66,6MBps).

    ATA-6, còn được gọi là Ultra DMA mode 5, cũng xuất hiện không lâu sau. Tăng tốc độ truyền dữ liệu lên mức tối đa 100MBps bằng cách giảm điện thế tín hiệu từ 5V xuống 3,3V (đồng nghĩa với giảm thời gian yêu cầu).
    Mặc dù mọi người đều xem Ultra ATA/100 như phiên bản cuối cùng của giao tiếp Parallel ATA trước khi chuyển sang Serial ATA. Tuy nhiên, vào giữa năm 2001, chuẩn ATA/133 (Ultra DMA 133) lại ra đời 'ngoài kế hoạch' và nâng băng thông lên 133MBps.

    Serial ATA
    Vào năm 1999, một số công ty gồm APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Quantum và Seagate Technologies quyết định hợp tác thiết kế chuẩn giao tiếp Serial Advanced Technology Attachment (Serial ATA) cho ổ cứng và thiết bị ATA Packet Interface (ATAPI) với mục tiêu thay thế Parallel ATA.
    So với Parallel ATA, Serial ATA dùng điện áp thấp, đầu chân cắm nhỏ gọn và ít dây hơn. Đặc biệt, Serial ATA tương thích hoàn toàn với phần mềm trước đây dành cho thiết bị Parallel ATA và ATAPI. Trên thiết bị Serial ATA, nhà sản xuất có thể tích hợp chip hỗ trợ kết nối với thiết bị chuẩn khác hoặc thiết kế jumper cho phép chọn lựa chế độ song song hoặc nối tiếp, và ngược lại.
    Thế hệ sản phẩm Serial ATA đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào giữa 2002, đạt tốc độ 150MBps. Trong tương lai, các phiên bản kế tiếp có thể đạt băng thông 300MBps và 600MBps.

    SCSI
    Song song phát triển với giao tiếp IDE là chuẩn giao tiếp dữ liệu thông minh SCSI (Small Computer System Interface, đọc sờ-cơ-zi). Chuẩn SCSI đầu tiên được hoàn chỉnh vào năm 1986 và lập tức chuyển sang giai đoạn phát triển phiên bản SCSI-2. Chuẩn được phát triển là nhờ nỗ lực của Shugart and NCR trong quá trình tìm kiếm giao tiếp mới cho hệ máy chủ. Nội dung cơ bản của giao tiếp vẫn là tập lệnh điều khiển truyền dữ liệu và giao tiếp giữa các thiết bị. Tập lệnh chính là sức mạnh của SCSI nhưng cũng chính là điểm yếu nhất vì chưa đủ tính chuẩn hóa dưới con mắt của các nhà sản xuất thiết bị. Kết quả tất yếu là vào giữa thập niên 80, bộ mở rộng Common Command Set (CCS) được phát triển nhằm chuẩn hóa tập lệnh SCSI.
    Tương tự EIDE, SCSI là bus điều khiển dòng dữ liệu (I/O) giữa bộ xử lý và thiết bị ngoại vi (thông dụng nhất chính là đĩa cứng). Nhưng khác EIDE, SCSI nối vào bus PCI và ISA thông qua host adapter - thiết bị không giữ chức năng điều khiển mà chỉ


    điều phối, liên kết thiết bị SCSI thành chuỗi luận lý. Bộ điều khiển SCSI thực sự nằm trên mạch của từng ổ đĩa cứng.
    Nếu xét về số lượng thiết bị quản lý, SCSI thực sự mạnh vì có thể quản lý đến 8 thiết bị (tính cả host adapter); trong khi IDE chỉ quản lý được 2 ổ đĩa cứng và EIDE hỗ trợ 4 thiết bị. Hơn nữa, giao tiếp SCSI còn thích hợp với nhiều chủng loại thiết bị: ổ đĩa cứng, ổ CD-ROM, ổ CD-R, ổ quang, máy in, máy quét, bộ chuyển đĩa, card mạng,...

    Mỗi thiết bị trong chuỗi, kể cả host adapter, đều được cấp một định danh duy nhất để phân biệt. Định danh thiết bị phải không trùng nhau và không cần tương ứng theo thứ tự vật lý. Hầu hết host adapter SCSI đều có cổng trong và ngoài để người dùng linh hoạt mở rộng chuỗi thiết bị. Khác với các chuẩn giao tiếp đĩa cứng khác, bạn phải đặt thiết lập kết thúc (terminate) tại hai thiết bị đầu và cuối chuỗi nhằm loại bỏ hiện tượng dội tín hiệu và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu truyền trên bus. Thiết lập terminate cũng linh hoạt: có thể dùng jumper vật lý hoặc thiết lập từ phần mềm.
    Chuỗi thiết bị SCSI hỗ trợ đến 8 thiết bị, sử dụng ID từ 0 đến 7. Card SCSI (host) thường chọn ID 7 và khởi động hệ điều hành từ thiết bị có ID nhỏ nhất. Hầu hết hệ thống SCSI đặt ID ổ đĩa cứng khởi động bằng 0, giá trị ID từ 1 đến 6 được dành cho những thiết bị không khởi động. Khi hệ thống SCSI khởi động, tất cả thiết bị trên bus được liệt kê kèm với giá trị ID.
    Card SCSI chỉ lấy một IRQ từ hệ thống còn các thiết bị gắn vào adapter này thì không cần. Vì thế, hệ thống cho phép mở rộng khá dễ dàng. Chỉ cần gắn thêm card SCSI thứ hai, bạn đã có thể mở rộng thêm 7 thiết bị nữa. Tuy nhiên, dùng adpater SCSI đôi (twin-channel) lại hấp dẫn hơn: 15 thiết bị ngoại vi chỉ yêu cầu một IRQ. Đặc biệt, thiết bị ngoại vi SCSI có thể giao tiếp với máy tính qua cổng parallel nhưng tốc độ thấp.

    Fibre channel
    Hội đồng phát triển trên Fibre channel được ANSI thành lập vào năm 1989. Hai năm sau, IBM, Hewlett-Packard và Sun Microsystems hợp lực thành lập tổ chức FCSI (Fibre Channel  Systems Initiative) nhằm đảm bảo tính liên tác giữa các sản phẩm và xúc tiến chuẩn bị cho sự ra đời của Fibre Channel. Năm 1994, Fibre Channel được ANSI đưa thành chuẩn. Một năm sau, nhiệm vụ của nhóm FCSI chính thức chuyển cho hội Fibre Channel.
     Fibre Channel nhắm vào thị trường lưu trữ mạng. Khi mới chào đời, tốc độ của Fibre Channel chậm hơn SCSI-3 nên chỉ có ưu thế về phạm vi triển khai. Fibre Channel đạt bán kính 10km nhưng có thể mở rộng thành 100km nếu dùng bộ thu phát quang học đặc biệt; vượt rất xa khả năng của SCSI. Năm 2000, 'thế cờ' đã thay đổi khi Fibre Channel phiên bản 2Gbps ra đời; vượt SCSI cả tốc độ lẫn khoảng cách.
     
    Fibre Channel được tổ chức thành tập chức năng thứ bậc tương tự mô hình ISO OSI Reference. Nó được phân thành 5 lớp, mỗi lớp chịu trách nhiệm thực hiện chức năng riêng (xem bảng 'Kiến trúc Fibre Channel').
     
    Fibre Channel có thể hiện thực thành FCAL (Form of a Continous Arbitrated Loop) gồm hàng trăm thiết bị lưu trữ độc lập và hệ thống chủ, với đầu nối dùng kết cấu chuyển tốc độ cao (giống switch mạng). Đặc biệt, công nghệ cho phép gắn trực tiếp thiết bị sao lưu và ổ đĩa vào FCAL mà không cần thông qua máy chủ nên bạn có thể tạo dễ dàng một mạng lưu trữ (SAN-Storage Area Network) độc lập. Hơn thế, dữ liệu truyền theo chuẩn Fibre Channel hầu như không hoặc chiếm dụng rất ít băng thông mạng nên rất hữu ích với ứng dụng chuyên xử lý dữ liệu dạng client/server hoặc kho dữ liệu.


    Cơ chế Fibre Channel

    Tính sẵn sàng và khả năng quản lý của SAN được nâng lên rõ rệt khi triển khai trên kiến trúc Fibre Channel. Do phạm vi triển khai của Fibre Channel có thể đến hàng trăm máy chủ, thiết bị lưu trữ; và hệ thống có thể xử lý đồng thời nhiều giao dịch. Nếu kết nối vào WAN, phạm vi Fibre Channel có thể lên đến hàng trăm kilomet.
    Phần cứng Fibre Channel kết nối thiết bị lưu trữ với máy chủ vào khung Fibre Channel gồm lớp vật lý, thiết bị kết nối và thiết bị dịch. Lớp vật lý dùng cáp đồng và cáp quang để chuyển tín hiệu Fibre Channel giữa các cặp phát - nhận. Thiết bị kết nối như hub và switch xử lý khung Fibre Channel với tốc độ Gbps. Thiết bị dịch (như host bus adapter, router, adapter, gateway và bridge) là lớp trung gian giữa giao thức Fibre Channel và lớp giao thức bên trên (gồm SCSI, Ethernet và ATM). Với bản đặc tả 10Gbps gần đây, Fibre Channel hoàn toàn đủ sức thay thế SCSI và các công nghệ kênh truyền thống.
    Nhờ hội tụ được cả yếu tố tốc độ và khoảng cách, Fibre Channel rất phù hợp với ngành truyền thông đa phương tiện, xử lý hình ảnh y khoa và khoa học giả lập. Nhờ bán kính triển khai rộng và cho phép thay thế thiết bị từ xa, Fibre Channel còn hữu dụng trong giải pháp sao lưu dữ liệu.         

    SSA
    Ứng  dụng xử lý dữ liệu và cơ sở dữ liệu lớn cần lượng dữ liệu rất lớn nên và việc truyền phát khối thông tin lớn này cũng cần một công nghệ mạnh, tin cậy và mở rộng được. Serial Storage Architechture (SSA) là giao thức kết nối được IBM phát triển cho thiết bị, hệ thống lưu trữ, máy chủ, máy trạm trong ứng dụng trọng yếu. Tuy nhiên, từ đầu năm 1999, chuẩn này đã không được nhiều sự hỗ trợ nên dần mờ nhạt so với chuẩn Fibre Channel.
    SSA đảm bảo dữ liệu cho ứng dụng quan trọng bằng cách không để lỗi cáp làm gián đoạn quá trình truy xuất. Tất cả thiết bị trong hệ thống con SSA kiểu mẫu đều dùng cáp hai chiều. Đường đi của dữ liệu không còn dạng đường thẳng điểm-điểm mà tạo thành mạch vòng nối điểm xuất phát với điểm đích. Khi phát hiện mạch vòng luận lý bị mất, SSA tự động cấu hình lại hệ thống để tạo mạch vòng luận lý mới.
    Tính năng sao lưu của hệ thống SSA đáng tin cậy và an toàn. Hệ thống hỗ trợ 192 ổ đĩa cứng (dung lượng 2,25GB, 4,51GB), cho phép chuyển đổi nóng và chỉ định được ổ đĩa cứng dự phòng. Ngoài ra, một adapter quản lý được 32 hệ thống RAID và hỗ trợ tạo ảnh thông qua máy chủ. Trong kiến trúc SSA, hai thiết bị có thể đặt cách nhau 25m (nối bằng cáp đồng) hoặc 2,4km (nếu dùng cáp quang).
    Với đặc tính mở rộng linh hoạt và dễ dùng, SSA (băng thông lý thuyết 80MBps) đang được triển khai trong môi trường máy chủ với tốc độ dữ liệu ổn định 60MBps trong chế độ không RAID và 35MBps trong chế độ RAID.ÿ

    Duy Khánh

     

    ID: A0312_89
    Ý kiến của bạn? Ý kiến của bạn?
    Tin ngày :