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引言在過去的幾年裡，西部數據在高性能、大容量的台式機和發燒友市場上一直保持著虛擬的副鎖。 久負盛名的 WD Caviar 系列結合了令人羨慕的速度和容量以及合理的價格。 然而，除了一條相對晦澀、短命的 SCSI 產品線外，當涉及到利潤豐厚的企業領域時，該公司只是遠遠地看著希捷、邁拓和日立等巨頭爭奪市場份額。 一年多以前，WD 通過推出世界上第一個 10,000 RPM ATA 驅動器 Raptor WD360GD 來測試企業水域。 Raptor 將 SCSI 級機械裝置與新的且相對便宜的串行 ATA 接口相結合，試圖降低 SCSI 子系統所需的相當高的溢價。 然而，StorageReview 的性能結果顯示，雖然 WD360GD 提供了世界級的單用戶結果，但與現有的 10k RPM SCSI 設備相比，其多用戶性能仍然不盡如人意。 |
WD360GD 缺少 SCSI 世界多年來享有的關鍵元素 - 標記命令隊列 (TCQ)，該功能可以智能地重新排序請求以最大限度地減少執行器移動。 2003 年 740 月，Western Digital 宣布推出後續的 Raptor WD74GD，這是第二代產品，為生產線帶來了許多改進。 儘管將 Raptor 的容量翻倍至 XNUMX GB 是最明顯的改進，但最吸引人的無疑是 TCQ 的實施。
TCQ 簡介
不要與操作系統重新排序和優化混淆，標記命令隊列是一個硬件級過程，旨在簡化重負載下高度隨機訪問中的數據交付。 如果沒有 TCQ，驅動器一次只能接受一個命令。 因此，它以先到先得的方式運作，按照收到的順序完成請求。 這並不總是服務數據請求的最有效方式，尤其是在密集的非本地化環境中。
通過標記命令排隊的過程，主機適配器將特殊標記添加到各個命令。 驅動器本身了解其自身在三個維度上的扇區物理佈局，可以考慮旋轉和尋道距離並重新排序命令以更有效地為它們服務。 因此，請求的數據以更流線型的方式返回給控制器； 然後它可以使用之前添加的附加信息將數據透明地返回給操作系統。
考慮左邊的圖表。 在傳統的非排隊範例中，驅動器將接受對數據片段 A 的請求，移動執行器並檢索它，接受對 B 的請求，檢索它，然後移動到片段 C。可以緩沖和排隊請求的驅動器但是，將能夠檢索 A，然後選擇先檢索 C，然後再檢索 B，從而在完成這三個請求時節省了時間。
TCQ 必須得到控制器和硬盤驅動器本身的支持。 它早在 1990 年就被引入 SCSI 領域，並於 2 年正式編入 SCSI-1994 標準。該功能迅速證明了自己在多用戶服務器領域的價值，並且如今已在幾乎所有主機適配器和磁盤上得到一致部署. 同樣，TCQ 在 1998 年的 ATA-4 標準中正式實施。 然而，與 SCSI 設備不同的是，ATA 驅動器根本沒有用於熱插拔性和低訪問時間等功能至關重要的企業應用程序中。 此外，傳統的 ATA 大本營單用戶機器並沒有從 TCQ 中受益； 事實上，在許多情況下，額外的開銷實際上降低了而不是提高了這些領域的性能。 結果，該功能在很大程度上被業界忽略了。
然而，今天，串行 ATA 的出現、其相關的熱插拔功能及其與即將推出的串行連接 SCSI (SAS) 標準承諾的互操作性，為 ATA 在企業中的應用帶來了光明的未來。 即將出台的 SATA II 標準包括將標記命令隊列納入 la ATA-4 標準的規定。 希捷 Barracuda 7200.8 和邁拓 MaXLine III 等原生 SATA 驅動器架構標榜包含“原生 SATA”標記的命令隊列，或簡稱為“原生命令隊列”(NCQ)。 NCQ 的基本範例與標記命令隊列的範例相同； NCQ 名稱只是將 SATA II 標準與現有的 ATA-4 型號區分開來。
憑藉雄厚的研發資金，希捷是唯一一家在其首款 SATA 產品中避免使用成本更低、上市速度更快的 PATA-to-SATA 橋接器的製造商。 出於財務和時間的原因，西部數據等其他製造商推出了他們的第一款具有橋接操作的產品。 Raptor WD740GD 就是其中一種設計。 雖然實際影響可以忽略不計（畢竟重要的是底線性能！），但 Raptor 的橋接器阻止它使用 SATA II NCQ 標準。 因此，為了及時在其嶄露頭角的面向企業的產品線中實施標記命令隊列，Western Digital 選擇在 Raptor 中加入 ATA-4 風格的 TCQ。 對 WD 來說幸運的是，該公司收到了許多控制器製造商的熱烈響應。 大多數設計支持 NCQ 的 SATA 主機適配器的公司也採用了 Raptor 風格的隊列。 Promise Technology 就是這樣的製造商之一。
測試
在這幾篇文章的第一篇中，我們將研究 SATA 的標記命令隊列的影響，我們將看看即將推出的 Promise FastTrak TX4200 與目前出貨的、未啟用 TCQ 的 FastTrak S150 TX4 相比如何。 這兩個控制器之間的關係特別有趣，因為 TX4200 只是一個添加了 TCQ 代碼的 FastTrak S150 TX4。 反過來，S150 TX4 只是支持 RAID 的 SATA150TX4，是 SR Testbed 的長期參考 SATA 控制器。 因此，兩個 Promise RAID 控制器之間的直接對比可以將 TCQ 的影響與其他變量隔離開來。
Promise FastTrak TX4200 具有以下特點：
- 4 個串行 ATA 端口，最多可連接 4 個驅動器
- RAID 0/1/10 和 JBOD
- 32 位/33-66 MHz PCI 操作
- NCQ 和 SATA TCQ 支持
當然，TCQ 在 SCSI 領域已經存在了一段時間——所有當前的主機適配器、RAID 控制器和硬盤驅動器都支持非常成熟的實現。 為了發現 SATA TCQ 與更成熟的 SCSI 解決方案相比有哪些缺點（如果有的話），這些測試中包含了 Mylex AcceleRaid 170 RAID 控制器與最多四個 73 GB Seagate Cheetah 10K.6 驅動器配對的結果。
Mylex AcceleRaid 170 具有以下特點：
- 1 個 68 針 LVD 端口，最多可連接 15 個驅動器
- RAID 級別 0、1、0+1、3、5、10、30、50、JBOD
- 32 MB ECC SDRAM 緩存
- 32 位/33 MHz PCI 操作
儘管 TCQ 即使在單個驅動器在重隨機負載下運行時也會帶來好處，但當還有多個執行器一起工作時，它的真正潛力就會大放異彩。 因此，接下來的測試還仔細研究了陣列在多用戶和單用戶場景中提供的擴展——我們兩年多來首次正式採用 RAID。
在以下測試中，Testbed3 的硬件和基準測試從多個維度梳理出潛在的性能驅動因素：
- TCQ 如何提高多用戶和單用戶性能？
- TCQ 如何影響 RAID 陣列在添加更多驅動器時向上擴展性能的能力？
- SATA TCQ 與 SCSI 的實施相比如何？
- RAID 陣列如何在日益繁重的隨機 I/O 下擴展？
- RAID 陣列對主導非服務器（單用戶）使用的高度本地化 I/O 有何好處？
由於這些測試利用了標準 SR 測試台，讓我們花點時間考慮機器硬件的潛在限制，即 33 MHz、32 位 PCI 插槽。
PCI 總線的局限性
標準 133 位、32 MHz PCI 總線的 33 MB/秒限制可能引起某些人的關注，尤其是那些出於各種原因尋求最大化順序傳輸速率的人。 實際的現實世界限制仍然略低於該閾值 - 與以下結果相關的 STR 測試最高為 126 MB/秒。 位於其外部區域的單個 Raptor 可以推動近 72 MB/秒，而 Cheetah 10K.6 可以達到 69 MB/秒 - 兩者只需要兩個就可以使 PCI 總線飽和。
然而，讓我們仔細看看 STR 在大多數應用中究竟有多重要。 StorageReview檔案伺服器 DriveMark測試的平均傳輸大小為 22 KB。換句話說，該測試套件中平均每次 I/O 操作包括將執行器重新定位到所需位置，然後讀取或寫入 22 KB 的資料。同樣，SR Office DriveMark 的平均傳輸大小為 23 KB。 SR High-End DriveMark 基於包含視訊和音訊編輯等應用的測試套件，是唯一一個傳輸大小顯著超過這些數值的測試，其每次 I/O 操作的傳輸大小高達 69.5 KB。
單個 Raptor WD740GD 的最大傳輸速率為 72 MB/秒，可以在以下位置傳輸 22 KB：
PCI 節流的 RAID0 陣列可以傳輸 22 KB 的數據：
右圖說明了典型的單用戶和多用戶場景中定位和傳輸之間的關係。 觀察定位執行器和盤片（紅色）所花費的時間如何支配讀取/寫入數據本身所花費的相對較少的時間（黃色）。 即使是通過無限快的總線釋放無限傳輸速率的漸近情況，也只會消除服務一個請求所需總時間的黃色部分。
因此，雖然 PCI 總線可以限制順序傳輸速率，但它在典型使用中限制實際速度的實際效果並不像人們乍一看所認為的那樣重要。 因此，本文中展示的縮放比例也代表了在高速總線上運行的陣列所帶來的增長。
我們的第三個 Raptor WD740GD 樣品
西部數據公司提供給SR用於去年1月評測的評估樣品生產日期為2003年12月4日。本次評測，西部數據公司又寄了四塊樣品，生產日期皆為2004年3月4日。雖然本文主要關注多硬碟陣列，但為了進行對照測試，我們還是需要用參考級Promise SATA150TX4控制器重新測試這批新樣品中的一塊硬碟。結果發現有些差異：
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在比較我們的第二個和第三個樣本時，請注意擴展 MDL 名稱的最後一位數字的差異。 1 月的單元以 XNUMX 結尾，而 XNUMX 月的單元以 XNUMX 結尾。為什麼要更改？ 首先，我們應該指出，所有製造商在首次發布後都會悄悄地定期更新所有驅動器上的固件，以糾正錯誤或隨著大量配置經驗的湧入調整性能。
其次，正如在過去幾個月中顯而易見的那樣，SATA 命令隊列已被證明是一個不斷變化的目標，而驅動器和控制器製造商也在不斷調整他們的產品。 隨著太平洋數字、矽映和喬鼎科技等控制器製造商不斷開發預發布適配器樣品，西部數據等驅動器製造商被迫重新優化固件以獲得最佳效果。 同樣，相反的方向也是如此。 儘管 Western Digital 於 740 年 2003 月發布了 WD00GD，並且自去年 1 月以來通過渠道廣泛銷售的設備都具有 TCQ 功能，但 Raptor 團隊仍被驅使定期重新評估驅動器的潛在配套主機適配器並相應地重新調整固件。 結果是“XNUMXFLAXNUMX”修訂版，該單元更適合當今支持 TCQ 的主機適配器的狀態，儘管某些性能指標略有下降。
掃一眼上面的數字就會發現，儘管存在差異，但它們在所有意圖和目的上都是微不足道的。 人們根本不會注意到主觀使用速度的差異。 專門獲取早期 00FLA0 修訂版的嘗試可能會令人沮喪且毫無結果。 我們不會為差異而煩惱。
關於組織的一句話
呈現以下結果可能會讓人望而生畏。 當人們試圖形成“大局”時，會出現許多不同的績效維度。 當所有其他變量保存隊列深度保持不變時，性能如何提高？ 向陣列中添加更多驅動器會帶來哪些好處？ 選擇鏡像而不是條帶化對性能有何影響？ 問題列表繼續。 因此，我們避免使用我們的標準“HTML 生成”圖表，轉而使用靜態圖表。 希望它們能準確地傳達要收集的大量信息。
事不宜遲，讓我們來看看一些結果吧！
隊列深度增加時的多用戶性能首先，我們來看看在 StorageReview 檔案伺服器 DriveMark 高隨機性測試中，隨著佇列深度（負載）的增加，效能是如何變化的。有關 FS DriveMark 的更多信息，請參閱此說明。為了方便比較，我們也包含了 Testbed3 標準 Promise SATA150TX4 SATA 控制器和 Adaptec AHA-29160 SCSI 控制器在單碟場景下的測試結果。以下展示的 RAID 0 測試結果採用 64 KB 條帶大小。 |
當負載達到 4 個未完成的 I/O 時，29160 拉到了包的頭部，逐漸超過了 AcceleRaid。 FastTrak S150 TX4 和 SATA150TX4 繼續保持相同的性能，而 TX4200 仍然領先，設法縮小了一些差距。
深度為 16 會產生相當大的變化。 Adaptec 以令人印象深刻的每秒 237 次 I/O 躍居領先地位。 Mylex 繼續保持良好的擴展性，但 TX4200/Raptor 對的 TCQ 實施開始讓人感覺到它的存在並略微落後。
當我們最終達到 64 個未完成請求的沉重負載時，就會出現一個清晰的層次結構。 Adaptec SCSI 主機適配器一直是流行、可靠的選擇。 29160 也被證明是一個偉大的表現者，它讓其他控制器在重負載下處於塵土中。 儘管 TX4200 和 AcceleRaid 未能達到如此高的高度，但它們仍然提供了人們期望從具有 TCQ 功能的子系統獲得的負載下擴展。 相比之下，兩個非 TCQ ATA 控制器位於電池組的後部，這與它們在只有一個請求未完成時的快速性能形成鮮明對比。
當深度達到 16 時，S150 TX4 的斜率趨於平穩，表明縮放比例低於 AcceleRaid 和 TX4200。 最後，在 64 個 I/O 時，AcceleRaid 和 TX4200 比 S150 TX4 具有顯著優勢，TX4200 達到每秒 385 個 I/O。
非 TCQ S150 TX4 在隊列達到 16 時落後於其他兩個適配器。當深度達到 64 個未完成的 I/O 時，TX4200 再次領先於其他適配器。
驅動器數量增加時的多用戶性能隨著 RAID0 陣列驅動器數量的增加，對比控制器之間的性能也會產生有說服力的結果。 下圖展示了在保持所有其他變量不變的情況下添加更多磁盤的效果。 下面顯示的結果具有 64 KB 條帶大小。 |
但是，當將第二個驅動器添加到陣列時，AcceleRaid 的擴展性比 ATA 控制器要小一些； 這三個地方彼此非常接近。
當我們達到三個和四個驅動器計數時，AcceleRaid 緩坡將其保持在兩個 Promise 控制器之後。 增加的致動器數量使 S150 TX4 能夠克服其缺乏 TCQ 功能的問題，並領先於 AcceleRaid 和 TX4200，儘管差距相對較小。
SCSI AcceleRaid 提供比只有一個驅動器的 SATA TX4200 更好的性能。 但是，隨著更多磁盤添加到陣列中，TX4200 的擴展性更好； 在 13 驅動器陣列中，它的斜率比 AcceleRaid 高出 4%。
多用戶鏡像從學術角度來看，隨著驅動器數量的增加，從 RAID0 陣列中剔除的結果很有趣，這主要是由於可以添加獨立執行器的線性特性。 然而，不可否認，RAID0 在生產服務器中的實際使用非常有限——性能提升被風險的顯著增加所抵消。 如果一個四驅動器條帶陣列出現故障，所有數據都將丟失。 鏡像 (RAID1) 是一種更有可能出現的情況。 在這樣的陣列中，每條數據至少寫入兩個磁盤。 雖然寫入必須一致發生，但讀取卻不需要； 因此，智能設計的 RAID 控制器確實通過在使用多個執行器時實施獨立讀取來提高性能。 RAID1 在一個驅動器發生故障時提供冗餘的好處，同時還通過兩個獨立的讀取機制提供改進的性能。 RAID01 在兩組 RAID0 陣列之間提供冗餘 - 如果一個陣列發生故障，數據將保留在另一個陣列上。 RAID10 鏡像兩個驅動器上的數據，然後將生成的陣列與另一個陣列條帶化。 RAID01 和 RAID10 都通過兩個寫入和最多四個讀取機制來增強性能。 Mylex 控制器提供 RAID01 和 RAID10，而 Promise 單元包含 RAID10。 |
正如人們所預料的那樣，對一對鏡像陣列 (RAID10) 進行條帶化可提供更大的性能優勢。 在這裡，適度的 S150 TX4 實際上在相對較輕的 4 個未完成請求的負載下跳出了一個顯著的早期領先優勢。 到負載達到 16 時，情況基本平衡； 到 64 歲時，S150 TX4 的溫和改進導致它有些落後。 在 RAID10 配置中，TX4200 在 16 和 64 之間並沒有表現出相同的奇數下降。相反，它按預期擴展。
單用戶性能儘管已有證據表明並非如此，但由於過度行銷以及普遍缺乏相關知識，RAID 在單一用戶工作站的高級用戶群中仍然廣泛應用。 RAID1 提供的冗餘性固然值得稱道，但 RAID0 帶來的傳輸速率提升和高 I/O 隨機存取效能對於大多數非伺服器應用而言並無實際意義。 同樣，儘管最新的 Raptor 提供了出色的單用戶性能，但 Western Digital 一直在努力將 TCQ 功能整合到驅動器中，這並不是為了擴大其在單用戶競爭中的領先優勢，而是為了確保 Raptor 將其主張作為一種可行的替代方案傳統上基於 SCSI 的服務器世界。 |
即便如此，我們也意識到全球許多讀者都翹首以盼Raptor搭配合適的TCQ控制器後的性能表現。 StorageReview的桌面DriveMarks測試提供了一個絕佳的機會，讓我們能夠評估RAID陣列在非伺服器、單一用戶應用中究竟能帶來多大的效能提升。本文將探討RAID、TCQ、SCSI和SATA對效能的影響。以下展示的RAID0測試結果採用的是64 KB的條帶大小。
在 SCSI 方面，Adaptec AHA-29160 和 Mylex AcceleRaid 170 交換了位置。 雖然 29160 證明了自己在單驅動器、多用戶場景中的卓越性能，但 AcceleRaid 全面提供了更好的單用戶分數。 但是請注意，即使受到 TCQ 操作的阻礙，Raptor 在四項單用戶測試中的三項中仍設法保持領先於 Cheetah。 Western Digital 在設計出色的單用戶預讀和回寫緩衝區策略方面的經驗繼續大放異彩。
讓我們繼續研究 RAID 控制器如何隨著驅動器數量的增加在每個訪問模式中擴展。
升級到三塊硬碟後，效能提升顯著遞減。而升級到四塊硬碟甚至會導致效能下降。雖然有人可能會認為測試平台的 32 位元、33 MHz PCI 總線限制了條帶化帶來的效能提升，但讀者應該記住，尤其是在這種 I/O 水平下，這種限制並不顯著。無論硬碟數量如何，S150 TX4 更簡潔高效的操作使其在性能上比其他兩款控制器具有顯著優勢。
單用戶鏡像
在所有其他訪問模式中，三個控制器在這里和那裡表現出非常輕微的變化，沒有明顯的趨勢可辨。 請注意，非 TCQ S150 TX4 再次在所有鏡像組合中提供最佳性能。
結論從上面提供的大量數據中，我們可以得出幾個結論： SATA TCQ 和 SATA RAID 為伺服器市場帶來的益處潛力與 SCSI TCQ 和 SCSI RAID 不相上下。 Promise FastTrak TX4200 和 Mylex AcceleRaid 170 分別是針對 SATA 和 SCSI 介面的入門級 RAID 控制器。事實上，前者只是在 Promise 現有的 FastTrak S150 TX4 控制器的基礎上增加了 SATA TCQ（和 NCQ）功能。 |
與其他主流硬碟不同，西部數據並沒有成熟的基於 SCSI 的產品線需要維護。因此，該公司尋求透過以更注重成本的 ATA 介面的價格提供 SCSI 式的機械結構和功能來獲得競爭優勢。截至撰寫本文時，StorageReview 的贊助商HyperMicro給出的價格如下：73GB Cheetah 10K.6 售價 339 美元，Raptor WD740GD 售價 219 美元，AcceleRaid 170 售價 379 美元。 Promise TX4200 將於今年 8 月發布，其價格將與它旨在取代的 S150 TX4 持平。在 HyperMicro，它的售價為 159 美元。
因此，出現以下定價（不包括電纜和附件）：
雖然 WD 提供了一種可以與基於 SCSI 的解決方案的速度和可擴展性相媲美的解決方案，但還必須牢記基礎設施和可靠性的關鍵因素。 與 TCQ 本身一樣，與 SCSI 硬件的成熟和壽命相比，SATA 的支持硬件（如背板、一體化解決方案等）仍處於起步階段。 另請記住，雖然 Western Digital 聲稱擁有企業級 1.2 萬小時的 MTTF 規格並為 Raptors 提供 5 年保修，但與希捷的 Cheetah 系列等成熟解決方案相比，該產品線仍然是新的並且相對未經證實。 最後，請記住，上面列出的價格僅代表存儲子系統的成本——在考慮主板、CPU 和 RAM 時將服務器硬件的總成本考慮在內可以顯著縮小差異。
說到底，SATA進軍中低端服務器市場的潛力是有的。 性能肯定是有的。 如果 Raptor 的可靠性證明與競爭對手相當，並且如果基礎設施/支持硬件浮出水面，WD 將擁有一個可行的競爭者。
2.命令佇列旨在輔助多使用者場景，而非單一使用者設定。隨著英特爾 9xx 系列晶片組的發布，專家和發燒友紛紛宣稱命令隊列將成為桌上型電腦的下一個重大突破。然而事實並非如此。 FastTrak S150 TX4 和 TX4200（除了後者增加了 TCQ 功能外，其他方面完全相同）之間的差異就證明了這一點：命令隊列引入了顯著的性能開銷，即使在最繁重的單用戶多任務處理場景下，這種開銷也無法在高度局部化、低深度的場景中帶來相應的性能提升。事實上，TCQ 在 SCSI 領域的成熟度和全面應用正日益凸顯，這正是機械性能更優越的 SCSI 硬碟在與 ATA 硬碟相比時表現不佳的主要原因之一。考慮到上述四種單一使用者存取模式、一到四盤位 RAID0 陣列以及 RAID1/10 鏡像陣列所產生的 24 種組合，非 TCQ 的 S150 TX4 在所有情況下都以顯著優勢勝出。 TCQ 僅適用於伺服器，就像下文提到的技術一樣。
3. RAID 對多用戶應用的幫助遠大於單一用戶場景。高階用戶群的熱情，加上迎合這類用戶的公司鋪天蓋地的營銷宣傳，導致了一種極其錯誤的觀念：將數據條帶化分佈在兩個或多個硬碟上，能為大多數非伺服器應用帶來顯著的效能提升。事實並非如此！即使在繁重的多工處理場景下，非伺服器應用程式也會產生深度較低、高度局部化的存取模式，預讀和寫回策略佔據主導地位。理論早已告訴願意聽意見的人，條帶化並不能帶來顯著的表現提升。不久前，一項受控的實證測試也證實了理論的觀點。儘管如此，人們仍然心存疑慮——許多人非理性地認為，如果陣列基於 SATA 或 SCSI 接口，結果會有所不同。但正如上文所示，結果是一樣的。省下你的時間、金錢和數據——把 RAID 留給伺服器吧！
我們還遠遠沒有結束！ Pacific Digital Corp. 和 Highpoint Technologies 的競爭性 SATA TCQ 產品目前已上市，而 Silicon Image 的芯片組尚未集成到出貨產品中。 我們將繼續與其他控制器製造商合作，為讀者帶來與各種產品配對的 Raptor TCQ 結果。 SATA NCQ也剛剛進入黃金時段。 一如既往，StorageReview 將在那裡。
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