第1章背景技术
1.1 iSCSI概述
2003年2月11日，IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）通过了iSCSI（Internet SCSI）标准，这项由IBM、Cisco共同发起的技术标准，经过三年20个版本的不断完善，终于得到了IETF认可。这吸引了很多的厂商参与到相关产品的开发中来，也推动了更多的用户采用iSCSI的解决方案。
iSCSI，全称：Internet Small Computer System Interface，它是通过TCP/IP网络传输SCSI指令的协议。iSCSI协议参照SAM-3（SCSI Architecture Model –3）制订。在SAM-3的体系结构，iSCSI属于传输层协议，在TCP/IP模型中属于应用层协议。
1.2 SCSI技术
要了解iSCSI协议，首先需要了解SCSI。SCSI全称是Small Computer System Interface，小型计算机接口。SCSI是1979年由美国的施加特（Shugart）公司（希捷的前身）研发并制订，由美国国家标准协会（ANSI）公布的接口标准。
SCSIArchitecture Model（SAM-3）用一种较松散的方式定义了SCSI的体系架构。
图1-1SCSI体系结构分解图
SCSIArchitecture Model-3，是SCSI体系模型的标准规范；
它自底向上分为4个层次：
物理连接层（Physical Interconnects）——如Fibre Channel Arbitrated Loop、Fibre Channel Physical Interfaces；
SCSI传输协议层（SCSI Transport Protocols）——如SCSI Fibre Channel Protocol、Serial BusProtocol、Internet SCSI；
共享指令集（SCSI Primary Command），适用于所有设备类型；设备类型
专用指令集（Device-Type Specific Command Sets）——如块设备指令集SBC（SCSI BlockCommands）；流设备指令集SSC（SCSI Stream Commands）；多媒体指令集MMC（SCSI-3 Multimedia Command Set）
简单地说，SCSI定义了一系列规则提供给I/O设备，用以请求相互之间的服务用。每个I/O设备称为“逻辑单元”（LU），每个逻辑单元都有一个唯一的地址来区分它们，这个地址称为“逻辑单元号”（LUN）。
SCSI模型采用客户端/服务器（C/S，Client/Server）模式，客户端称为initiator，服务器称为target，数据传输时，initiator向target发送request，target回应response，在iSCSI协议中也沿用了这套思路。
图1-2SCSI设备服务和任务请求交互模型
第2章 iSCSI协议
2.1 iSCSI协议栈描述
iSCSI是集成了SCSI协议和TCP/IP协议的新的协议。它是在SCSI基础上扩展了网络功能，也就是可以让SCSI命令通过网络传送到远程SCSI设备上，而SCSI协议只能访问本地的SCSI设备。
iSCSI是传输层之上的协议，使用TCP连接建立会话。在initiator端的TCP端口号随
机选取，target的端口号默认是3260。
iSCSI使用客户/服务器模型。客户端称为initiator，服务器端称为target。
Initiator：通常指用户主机系统，用户产生SCSI请求，并将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中发送到IP网络中。
Target：通常存在于存储设备上，用于转换TCP/IP包中的SCSI命令和数据。
图2-1iSCSI协议栈
2.2 iSCSI通信模型
iSCSI结构模型见下图，从图中可以看出，在iSCSI结构模型中的网络实体可以包含多个iSCSI节点（Initiator或者Target），而网络实体之间又通过网络入口（Network Portal）连接。
2.3 iSCSI名字规范
iSCSI协议中，initiator和target是通过名字进行通信的，因此，每一个iSCSI节
点（即initiator）必须拥有一个iSCSI名字。
iSCSI协议定义了3类名称结构：
1、iqn（iSCSI Qualified Name）
格式是：“iqn”+“年月”+“.”+“域名的颠倒”+“:”+“设备的具体名称”，之所以颠倒域名是为了避免可能的冲突。
举例： iqn.2008-07.com.h3c.rd:test
2、eui（Extend Unique Identifier）
eui来源与IEEE中的EUI，格式是： “eui”+ “64bits的唯一标识（16个字母）”。 64bits中，前24bits（6个字母）是公司的唯一标识，后面40bits（10个字母）是设备的标识。
举例：eui.acde48234667abcd
3、naa（Network Address Authority）
由于SAS协议和FC协议都支持naa， iSCSI协议定义也支持这种名字结构。
naa的格式： “naa”+“64bits（16个字母）或者128bits（32个字母）的唯一标识”。
举例：naa. 52004567BA64678D
naa.62004567BA64678D0123456789ABCDEF
在实际使用过程中，iSCSI节点名称可以不这么复杂。
第3章 iSCSI协议会话交互过程
3.1 背景
3.1.1 会话和连接的概念
1. 会话（Session）
Initiator和Target间的一组TCP连接，逻辑层概念（等价于SCSI规范中的I_T nexus）
2. 连接（Connection）
Initiator和Target间的一个TCP连接，实体层概念（源地址:源端口号+目的地址:目的端口号唯一确定了一个TCP连接）
iSCSI报文交互是在由连接构成的会话上进行的。
iSCSI协议在设计的时候，为了提高性能，允许在1个会话包含多个连接，在会话建立过程中，第一个连接建立成功的同时会话也成功建立。
3. 连接忠贞（ConnectionAllegiance）
在iSCSI协议中，有连接忠贞的概念：如果一个iSCSI请求是通过某个
TCP连接（称为A）发送的，那么相应的应答以及其他相关的PDU必须在该连接（A）上发送。
因此，虽然一个会话可以有多个连接，如果一个SCSI命令通过连接A发
送出去，那么必须在连接A上得到回应。
3.1.2 会话类型和会话阶段
iSCSI协议包括2种会话类型，每种会话类型又分为3个阶段。
1. 两种会话类型
发现会话（Discovery Session）—— 用于发现指定的iSCSI网关上可用的Target，该会话建立后仅允许发送TextCommand/Response，Logout Request/Response PDU，其他类型报文PDU一律拒绝，SessionType = Discovery；这种会话类型主要用在4.11中的第2种方法：“发现会话”。如果initiator只有target网关的地址，而没有target的名字，就需要使用Discovery类型的会话，发起会话建立请求。
正常操作会话（Normal Operational Session）—— 没有任何限制的会话类型，SessionType = Normal。Initiator与target会话建立成功后，使用的会话类型就是Normal类型。
2. 每种会话类型又分三种会话阶段
SecurityNegotiation Phase —— 安全协商阶段0x00
LoginOperational Negotiation Phase —— 操作协商阶段0x01
Full FeaturePhase —— 全功能阶段0x03
安全协商阶段和操作协商阶段统称为登录阶段。
Initiator和target只有到达全功能阶段后，才能进行数据读写操作。
3.2 发现会话（Discovery）
Discovery会话主要用于initiator通过target portal发现所有的target，为接下来initiator与target连接作准备。
3.2.1 过程概述
Discovery会话建立的过程主要分为以下几步：
（1）、建立TCP连接
（2）、进行安全协商
（3）、进行操作协商
（4）、获得可用资源
（5）、关闭会话
（6）、关闭TCP连接
3.3 正常操作会话
3.3.1 发现会话和正常操作会话的不同作用
实际的数据传输都是通过正常操作会话来进行，所以它和SCSI层的关系更为紧密，所有的PDU都可以在正常操作会话中传输
在发现会话建立初始化时，照例要进行login request/response（这点和发现会话的登录过程相似）
发现会话进入全功能阶段时，仅能传输Text Command和Logout Command，其他类型的报文会reject；而正常操作会话进入全功能阶段后，则开始包含SCSI指令的数据进行传输
发现会话只是为了获得Target网关上可用的Target列表，其他什么事情也不干；而正常操作会话的建立才是为了实际的数据读写操作！
发现会话是为正常会话服务的，通过发现会话，initiator可以获得target的名称和IP地址，从而与target建立正常会话。
正常会话的建立过程与发现会话类似，下面着重介绍正常会话建立完毕后，SCSI读写过程。
3.3.2 SCSI读写过程
1. 数据读写准备过程
数据读写之前，需要有一个读写准备的过程，这个过程中，initiator和target端的动作
包括：
Initiator->Target:读写前的设备状态、大小查询
Report LUNS
Inquiry
SCSI Read Capacity
SCSI Mode Sense
Target－>Initiator:
SCSI Response
SCSI Data In
ReportLUNS用于从I_T连接中获取逻辑单元的目录。
INQUIRY命令用于请求逻辑单元和SCSI目标设备发送信息给申请用户。
ReadCapacity命令属于SCSI块命令（SBC），该命令请求设备服务器向输入缓冲区传输8字节的参数数据，用于描述直接存取块设备的存储介质的格式和容量。
Modesense命令用于申请用户指定存储介质、逻辑单元或外围设备参数给设备服务器
Initiator向target发送上述信息后，target对这些信息进行回应。
下面是以上命令的大致流程，它们之间并没有明确的顺序关系，所以下图实际上是4个流程的大致组合：
2. SCSI读过程
Initiator->Target:SCSI Read（10）（ExpectedDataSegmentLength）
Target->Initiator:SCSI Data In （Solicted data）
Target->Initiator:SCSI Response (or included in the final Data In PDU)
Initiator首先向target发送读请求，其中包含了需要读的数据长度；target
收到请求后，向initiator发送Solicited data，最后target发出response报文（或者该response报文包含在最后一个Data-IN报文中）。
3. SCSI写过程
数据写有2种情况，一种是target需要确认状态；另外一种是target端不需要确认状
态。
一、需要确认状态的情况
Initiator->Target:读写前的设备状态查询和设置
Initiator->Target:SCSI Write（10）
ExpectedDataLength
Immediate Data
Target->Initiator:R2T
Initiator->Target:SCSI Data Out
Solicited Data
Target－>Initiator: SCSI Response
二、不需要确认状态的情况
Initiator->Target:读写前的设备状态查询和设置
Initiator->Target:SCSI Write（10）
ExpectedDataLength
Unsolicited Data
Target－>Initiator: SCSI Response
3.4 iSCSI错误恢复机制
3.4.1 可能的错误
iSCSI协议中，将可能发生的错误归为3类：
协议错误；可能由程序引起，需要SCSI层重启会话来恢复
CRC校验出错；这一错误可能发生在头校验位或数据校验位；重新发送PDU可能修复该错误；
TCP/IP或链路连接错误；这一错误可以通过重启连接或将会话从失败的连接上移开来恢复
3.4.2 三种错误恢复级别
根据3种可能发生的错误，有3种错误恢复级别
ErrorRecoveryLevel=0（又称会话恢复级）不论出现什么样的连接错误，都会重启会话；CRC校验出错时，Initiator会中止会话并向SCSI层返回错误码；SCSI层将负责恢复错误
ErrorRecoveryLevel=1（又称校验恢复级），如果需要，可以转向Level0；当initiator或target收到一个头部校验出错的PDU，它们通常可以恢复该错误的PDU；Initiator可以发送SNACK PDU来获得丢失的PDUs；Initiator/Target可以发现丢失的命令并重新发送
ErrorRecoveryLevel=2（又称连接恢复级），连接错误时可以将连接忠贞从失败的连接上转移到完好的连接上；TCP/IP的连接错误可以通过重新建立新的TCP/IP连接并将连接忠贞转移到新的连接上来恢复；如果需要，可以转向Level0
3.4.3 各种恢复级别的关系
错误恢复级别由高到低的顺序为2、1、0
如果一些错误无法由高级别的错误方法恢复，则转向低级别的恢复方法
在一些简单的实现中，大多仅支持到错误恢复级别0
3.4.4 ErrorRecoveryLevel=0
必须实现的错误恢复级别
可以通过较简单的软件设计来实现
当错误发生时，Initiator和Target会放弃正在执行或在队列中的任务，关闭TCP连接；当所有的状态清除后重新建立会话；该会话的所有连接会重新建立。
3.4.5 ErrorRecoveryLevel=1
除了0级所支持的会话恢复方式外，错误恢复级别1还能恢复大多数由CRC校验监测出的错误
如果头部校验值出错了，则PDU会悄悄丢弃掉，Initiator或Target通过序列号中的“Hole”来发现丢失了某个PDU
如果数据校验值出错了，则可以这样处理
Initiator发起一个SNACK PDU
Target在R2T报文后发送一个Reject PDU
Initiator或Target均悄悄丢弃它，同头部校验值出错的处理方式
3.4.6 ErrorRecoveryLevel=2
错误恢复级别2主要关注对连接和任务的恢复
假设Initiator发现一个TCP连接失败了，或它收到了一个异步消息来终止某个连接，它会将失败的连接上的任务重新分配连接忠贞，转移到完好的连接上，一切任务重新分配的工作完成后，再重启该失败的连接
为了实现它，Initiator会发送多个Task ManagementRequest PDU，每一个都包含了其原先的连接忠贞，以及需要迁移往的连接号
连接忠贞的概念（Command Allegiance），指某个连接上的请求（由Initiator TaskTag来标识），它的回复也必须在该连接上回复
如果以上方式失败，最终会转向重启会话的方式来恢复