存储设备SCSI接口标准
Linux开发架构之路 2024-06-21

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:


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