浅析SCSI协议
文章目录
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- SCSI协议介绍
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- SCSI协议发展历程
- SCSI协议标准
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- SCSI命令集文档
- SCSI体系结构
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- SCSI基本术语
- SCSI client-server模型
- SCSI命令模型
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- 命令描述块（CDB）
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- 通用CDB字段
- 命令响应状态
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- Status code
- Status qualifier
- Sense Data
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- Sense key信息
- 相关参考
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：
| 状态码 | 状态 | 描述 |
|---|---|---|
| 00h | GOOD | 命令正常完成，未发生错误 |
| 02h | CHECK CONDITION | 命令处理返回Sense Data，需要根据Sense信息确定后续执行的动作 |
| 04h | CONDITION MET | 仅限于为其指定的命令使用 |
| 08h | BUSY | 设备处于忙碌状态，暂时无法处理新的命令 |
| 18h | RESERVATION CONFLICT | NA |
| 28h | TASK SET FULL | 设备task set资源不足 |
| 30h | ACA ACTIVE | NA |
| 40h | TASK ABORTED | 命令被终止 |
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：
| Sense Key | 定义 | 描述 |
|---|---|---|
| 0h | NO SENSE | 表示没有上报Sense信息 |
| 1h | RECOVERED ERROR | 表示命令完成，但是处理过程中设备执行了修复的动作 |
| 2h | NOT READY | 表示设备未准备就绪 |
| 3h | MEDIUM ERROR | 表示介质或者记录数据出现了错误 |
| 4h | HARDWARE ERROR | 表示设备出现了硬件错误 |
| 5h | ILLEGAL REQUEST | 表示非法请求，通常是设备在CDB中检测到了无效的参数 |
| 6h | UNIT ATTENTION | 表示出现了需要上层注意的事件，例如Lun复位、新接入设备可能触发 |
| 7h | DATA PROTECT | 表示设备在尝试访问受保护的区域 |
| 8h | BLANK CHECK | 表示遇到非预期的空白或非空白介质 |
| 9h | VENDOR SPECIFIC | 表示特定厂商定义的错误 |
| Ah | COPY ABORTED | 表示在传输某些数据之后但在传输所有数据之前，第三方复制命令被中止。 |
| Bh | ABORTED COMMAND | 表示设备终止了命令的执行 |
| Ch | Reserved | 保留 |
| Dh | VOLUME OVERFLOW | 表示缓冲的SCSI设备已到达分区末尾，数据可能保留在尚未写入介质的缓冲区中 |
| Eh | MISCOMPARE | 表示出现了数据不一致 |
| Fh | COMPLETED | 表示需要上报命令完成的Sense Data |
相关参考
- 《SCSI Architecture Model - 5(SAM-5)》
- 《SCSI Primary Commands - 4(SPC-4)》