SCSI协议介绍

SCSI，全称Small Computer System Interface，即小型计算机接口，是一种用于连接计算机及其外围IO设备（如磁盘、光驱等）的接口标准，目前最大部分的应用是在存储设备上。SCSI协议定义了统一的信息交互模型和必要的命令集，用于计算机与不同设备间进行数据通信；同时SCSI协议不与特定的传输介质绑定，因此可以在多种传输介质上实现，如基于光纤的FCP链路协议、基于IP网络的ISCSI协议以及SAS链路协议等。

SCSI协议发展历程

SCSI协议的发展可划分为SCSI-1/SCSI-2/SCSI-3三个阶段，最新的为SCSI-3，也是目前应用最广泛的SCSI版本。下表展示了SCSI协议的整体发展历程：

早期SCSI协议都是采用的并行总线技术，随着串行高速总线技术的加入，并行SCSI技术也在后来被SAS总线技术被替代。

SCSI协议标准

时至今日，SCSI协议已经发展成了一个庞大的协议体系，并且已成为了存储企业级应用领域事实上的协议标准。由于SCSI协议并不局限于某一特定的链路传输技术，各种支持SCSI协议的链路实现标准被加入了SCSI协议当中，如今的SCSI协议是一个大量标准的集和。整体来说，SCSI协议标准文档被划分成了如下的多个部分：

这些标准文档可以大致可以分为三类：体系结构文档、设备实现文档和链路实现文档。

• 体系结构文档：包括SAM和SPC文档，其中SAM定义了SCSI协议的体系结构模型、SCSI标准集合的功能划分以及SCSI实现标准的通用要求等；SPC为所有SCSI设备类型定义模型的实施标准，此标准指定了所有SCSI设备通用的所需命令和行为，并规定了SCSI启动器设备在向任何SCSI目标设备发送命令时要遵循的要求；

• 设备实现文档：定义了同介质无关实现该设备必要的命令集，例如实现块设备（如硬盘）的SBC命令集，实现流设备（如磁带）的SSC命令集等；

• 链路实现文档：描述了SCSI协议在各种链路协议的实现细节，这些都在单独的协议文档里面定义，例如基于光纤的FC链路协议、基于SAS的链路协议以及基于IP链路的iSCSI协议。

SCSI命令集文档

SCSI命令集文档由SPC（SCSI Primary Commands）、SBC（SCSI Block Commands）、ZBC（Zoned Block Commands）、SES（Enclosure Services Commands）等构成，其中，最常使用的是SPC和SBC文档：

• SPC文档定义了适用于所有SCSI设备的通用命令集，如INQUERY、TUR等命令以及Sense信息格式；

• SBC文档中定义了适用于块设备的命令集，如READ、WRITE、VERIFY等。

通常SCSI文档推荐阅读的顺序为SAM、SPC以及特定于设备类型的命令集文档。

SCSI体系结构

SCSI体系结构主要包含了SCSI通信模型、命令模型、任务管理等方面的内容。

SCSI基本术语

SCSI协议定义了一系列概念，这里针对一些基本术语进行简单的说明。

• Initiator：启动器，可以发送SCSI命令并接收响应的设备；

• Target：目标器，充当SCSI命令接收器的设备；

• LUN：逻辑单元，是SCSI目标器中充当数据源或目的地的名字空间资源，一个目标器可以包含多个LUN，每个LUN可以具有不同的属性；

• NEXUS：NEXUS用于描述启动器端口和目标器端口之间的连接。

SCSI client-server模型

SCSI的Initiator与Target共同构成了一个典型的C/S模型，每个指令都是“请求/应答”这样的方式来实现。

SCSI client-server模型中包含两个重要的角色：

• SCSI启动器：SCSI Initiator Device，SCSI是一个C/S架构，其中Client端成为启动器，负责向SCSI目标器发送请求指令，如SAS主机适配器；

• SCSI目标器：SCSI Target Device，作为Server端，接收来自SCSI启动器的指令并解析处理，如SAS硬盘。

完整的SCSI协议的体系结构模型在SAM文档中进行描述，可以查阅以对SCSI协议有更多的了解。

SCSI命令模型

SCSI协议对链路传输没有进行严格的限制，但约束了SCSI的命令模型。协议允许使用SAS、FC以及以太网等不同的链路实现，但对所有的SCSI传输层实现而言，都必须遵循统一的SCSI命令模型。SCSI命令模型约束了SCSI命令执行过程、命令请求格式、命令响应状态以及错误描述等内容。 

命令描述块（CDB）

一个完整的SCSI请求由CDB、数据、命令属性信息构成，其中，CDB描述了该SCSI命令的具体细节，包括命令操作类型（read/write/inquiry等）、数据的处理方式等信息。最早的SCSI-1支持的是6个字节的指令，后来慢慢演变成了10字节，12字节，16字节，后续还有应用扩展为32字节的CDB。这里以16字节长度CDB为例，它的通用格式定义如下：

关于其它长度的CDB格式定义，可以参考《SCSI Primary Commands》（SPC）手册。

通用CDB字段

对于不同格式的CDB，都会包含一些通用的字段，对于这些通用的CDB字段描述如下：

• Operation Code：定义在CDB的第一个字节，描述命令请求类型，详细的命令描述可以参考SPC以及设备相关的命令手册中；

• Service action：与Operation Code配合执行特定的操作；

• Logical block address：简称LBA，描述数据读取或者写入的LUN地址；

• Transfer length：描述数据传输长度，使用扇区作为基本单位；

• Parameter list length：用于描述从Data-out缓冲区发送的字节数，可以为0；

• Allocation length：用于描述Data-in缓冲区已分配的最大字节数。

命令响应状态

当目标器设备完成命令处理后，会返回状态响应给启动器，用于指示命令的完成状态：完成或者异常。SCSI协议约定使用特定的状态码（Status code）和状态限定符（Status qualifier）来告知应用命令的处理结果。

Status code

SCSI协议定义的状态码如下表所示：

Status qualifier

Status qualifier与配合Status code，提供更多返回该状态的原因的信息。Status qualifier格式定义如下：

日常维护过程中，Status code使用的比较多，Status qualifier通常不太关注，需要了解的话可以查看SAM手册。

Sense Data

当命令以CHECK_CONDITION状态终止时，目标器设备会返回Sense Data，用于告知上层应用命令终止的原因，应用会根据Sense data确定如何进一步处理。Sense data主要通过Sense key、Asc（additional sense code）以及Ascq（additional sense code qualifier）来描述命令执行的异常信息，其中：

• Sense key描述了主要错误信息的类别；

• Asc和Ascq在Sense key的基础上进一步说明了具体的错误原因。

Sense key信息

Sense key是对错误信息做的一个分类，协议定义的Sense Key及其描述如下：