SCSI總線和協(xié)議

在SNIA共享存儲模型中，SCSI負責從上層接收請求并轉發(fā)，或者從并行設備獲取數據并轉發(fā)。

例如：有一個應用程序向操作系統(tǒng)發(fā)出對磁盤設備的寫請求。在SCSI協(xié)議層，這個寫請求被看成是特定數量的數據塊以協(xié)議的形式傳遞到指定位置的命令。作為操作系統(tǒng)和存儲設備之間的一個中介，SCSI協(xié)議既不規(guī)定數據塊如何組織，也不規(guī)定怎樣把數據塊放到磁盤上。在SCSI把數據塊發(fā)送到目的地時，目標方可能是單個物理磁盤，也可能是把數據塊在多個物理盤上分條存放的RAID控制器。SCSI協(xié)議的責任，就是在確認寫操作已經正確完成后向操作系統(tǒng)報告成功，而不管在磁盤上物理存儲是如何配置以及寫操作是如何執(zhí)行的。

3.1SCSI域

SCSI設備是在一定的環(huán)境中運行的。通常需要有多個SCSI設備才能形成這樣的環(huán)境。SCSI設備間的運行環(huán)境也稱為SCSI域。在這個域內，生成和發(fā)送SCSI命令和任務管理請求的SCSI端口稱為SCSI發(fā)起方，接收和處理SCSI命令，根據請求執(zhí)行任務管理的端口稱為SCSI目標方。

SCSI域的組成包括SCSI設備，設備內的SCSI發(fā)起方和目標方以及提供數據交接的總線。SCSI總線連接了掛在它上面的所有SCSI設備。我們可以把一個實際的SCSI應用系統(tǒng)抽象為一個SCSI域，域中有多個SCSI設備，而且?guī)CSI驅動器的計算機也可以被看成是一個SCSI設備。

盡管可以允許有多個SCSI設備接在同一條總線上，SCSI協(xié)議實際定義的是設備間一對一的數據交換，即同一時刻在SCSI總線上只允許有兩個設備互相交換數據。因為，SCSI上的各個設備是以分時共享的方式使用總線的。

在一個實際的SCSI域中，必須至少有一個發(fā)起方和1個目標方，考慮到主機對數據存儲的需求，配置了SCSI控制器的主機至少有1個SCSI發(fā)起方。而磁盤設備主要是提供存儲和數據服務，一般都有目標發(fā)。

3.2SCSI協(xié)議模型

為了便于實現和理解SCSI的各個協(xié)議，SCSI采取了分層結構。SCSI大致可分為三層，即SCSI應用層，SCSI傳輸層和SCSI互連層。SCSI中的各個具體協(xié)議一般都位于其中的某一層，可以可能跨越兩層。

在應用層，SCSI體系結構把發(fā)起方（主機）和目標方（如磁盤）的通信定義為客戶/服務器交換。SCSI客戶位于主機中，代表上層應用程序，文件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)I/O請求。SCSI設備服務器位于目標設備中，對請求做出響應。客戶/服務器請求和響應通過某種形式的底層協(xié)議進行傳輸。

在傳輸協(xié)議層，SCSI設備之間通過一系列的命令實現數據的傳送，大致分成三個階段：命令的執(zhí)行，數據的傳送和命令的確認。

SCSI互聯(lián)層完成SCSI設備對總線的連接以及發(fā)送方和目標方的選擇等功能。

3.3尋址機制

為了對連接在總線上的設備尋址，SCSI協(xié)議引入了SCSI設備ID和邏輯單元號LUN.在SCSI總線上的每個設備都必須有一個唯一的ID，其中包括服務器中的主機總線適配器也擁有設備ID.取決域SCSI標準的版本，每條總線最多可允許有8個或者16個設備ID。

諸如RAID磁盤子系統(tǒng)和磁帶庫這樣的存儲設備可能包括若干個子設備，如虛擬磁盤，磁帶驅動器和介質更換器等。因此SCSI引入了邏輯單元號，以便于對大的設備中的子設備進行尋址。另外一個服務器可能配置了多個SCSI控制器，從而就可能有多條SCSI總線。因此，操作系統(tǒng)用一個三元描述標識一個SCSI目標：總線/目標設備/邏輯單元號

傳統(tǒng)的SCSI適配卡連接單個總線，相應的只具有一個總線號。在引入存儲網絡之后，每個光纖通道HBA（Host Bus Adapter）或iSCSI（Internet SCSI）網卡也都連接一條總線，分配一個總線號，在他們之間依靠不同的總線號加以區(qū)分。

目標設備標識在一條總線菊花鏈上的單個設備，邏輯單元號則表示一個目標設備中的一個子設備。通常，單個物理磁盤只具有一個邏輯單元號，而RAID磁盤陣列雖然也只有一個目標設備，但卻有多個邏輯單元號。

在一條總線上各個設備具有不同的優(yōu)先級。起初的SCSI協(xié)議只允許有8個目標設備ID，規(guī)定ID7具有最高權限。后來版本的SCSI協(xié)議允許有16個不同的目標設備ID。出于兼容性的考慮，從7到0的目標設備依然具有高優(yōu)先級，而從15到8的設備ID具有較低優(yōu)先級。

設備（服務器和存儲設備）在可以通過SCSI總線發(fā)送數據之前必須預定總線（仲裁）。在總線的仲裁期間，具有最高優(yōu)先權的目標設備總能獲勝。在總線負載重的情況下，這可能導致具有較低優(yōu)先級的設備總是不被允許發(fā)送數據，因此，SCSI的仲裁過程是不平等的。

出于配置和管理的需要，操作系統(tǒng)使用總線號/目標設備ID/邏輯單元號三元組來標識一個SCSI目標，然而用戶和應用程序所看到的只是一個邏輯標識符，如D盤。因此在總線號/目標設備ID/邏輯單元號和邏輯盤符之間存在著一個映射，提供在物理設備和上層文件系統(tǒng)之間不同表示形式的轉換。

3.4交互方式

SCSI協(xié)議把發(fā)起方(主機)和目標方(例如磁盤)之間的交互定義為客戶/服務器方式。應用客戶位于主機中，代表上層應用程序、文件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的I/0請求。設備服務器位于目標設備中，它響應客戶的請求。請求和響應通過某種形式的下層分布設施進行傳輸，該分布設施稱作分布子系統(tǒng)，可以是并行電纜，也可以是光纖通道協(xié)議或iSCSI。

一個發(fā)起方可能會有多個請求同時發(fā)給目標方。多個請求產生應用客戶的多個實例，從而在設備服務器上產生多個事務。

發(fā)起方在其發(fā)往一個或多個目標的多個請求正在被相關的設備服務器處理的時候，需要能夠執(zhí)行上下文交換(ContextSwitching)，即具有從一個任務快速切換到另一個任務的能力。例如，作為一個發(fā)起方的文件服務器可以向一個目標方發(fā)送一個寫請求。‘當該文件服務器在等待這個目標方準備好緩沖區(qū)以接收數據的那段時間內，可以切換到另一個掛起的任務，例如處理已經到達的對先前的另一個請求的響應，從而提高運行效率，最大化吞吐量。如果SCSI任務只能依次串行地執(zhí)行，那么等待每個寫或讀請求完成的時間就都被白白地浪費了。一般來說，上下文交換是由主機適配卡完成的，可以是并行SCSI，也可以是光纖通道或iSCSI。

由于SCSI體系結構模型是層次化的，因此它對主機I/0請求的處理可以獨立于底層的分發(fā)子系統(tǒng)。一個應用客戶主機可以處理涉及不同種類的目標設備的I/0操作，例如一個應用服務器可以有直接附接的SCSI目標方，也可以有通過千兆位速率接口連接的串行SCSI目標方。

在SCSI發(fā)起方和目標方之間讀寫數據是通過SCSI命令、分發(fā)請求、分發(fā)操作和響應來完成的。SCSI命令和參數在CDB(CommandDescriptorBlock，命令描述塊)中指定。作為交互示例，在執(zhí)行對磁盤的SCSI寫過程時，在發(fā)起方(例如主機總線適配器)創(chuàng)建一個應用客戶，該客戶發(fā)送SCSI命令請求給目標方，令其準備緩沖區(qū)以接收數據。目標設備服務器在其緩沖區(qū)準備好之后，發(fā)送一個數據分發(fā)操作請求進行響應。接著，發(fā)送方就執(zhí)行分發(fā)操作，開始發(fā)送數據塊。依賴于底層的分發(fā)子系統(tǒng)，數據塊可能按字節(jié)并行傳輸(例如并行SCSI總線)，也可能以分段成幀的形式串行傳輸(例如光纖通道或iSCSI)。

從應用程序或操作系統(tǒng)的角度看，寫操作只是一個事務。但實際上，對應一個寫操作，發(fā)送方和目標方可能要進行多次的分發(fā)請求和分發(fā)操作的交互，才能把命令請求的所有數據都發(fā)送給目標方。

在一次讀操作中，SCSI命令塊遵循相反的數據分發(fā)請求和確認序列，然而由于是發(fā)起方發(fā)出讀命令，所以命令就假定自己已經準備好了緩沖區(qū)以接收第1批數據塊。在讀寫事務的每個階段所發(fā)送的數據塊數量，由發(fā)起方和目標方根據對方的緩沖區(qū)容量協(xié)商決定。例如，高性能磁盤陣列一般都能提供較大的緩沖區(qū)，可以完成大規(guī)模的數據傳送，從而提高了產品性能。

3.5SCSI總線信號

SCSI在物理信號的基礎上定義了一組總線信號。這些信號可劃分為數據信號和控制信號兩類。它們都是二進制信號，并且只有“真”和“偽”兩個穩(wěn)定狀態(tài)。其中有指示總線已經被占用的“BSY”信號，有清除并重新設置SCSI總線的“RST”信號等。

下面對這些信號的名稱和功能逐一進行介紹。

1.BSY(Busy，忙)信號

該信號是“或態(tài)”信號，表示已經有設備占用總線。

2.SEL(Select，選擇)信號

該信號是“或態(tài)”信號，由發(fā)起方用以選擇目標方，或者由目標方用以重新選擇發(fā)起方。

3.C/D(Control/Data，控制/數據)信號

該信號由目標方驅動，表示在數據總線上傳送的是數據信號還是控制信號。該信號處于真狀態(tài)時表示控制信號。

4.I/O(Input/Output，輸入輸出)信號

該信號由目標方驅動，控制數據在數據總線上的移動方向。當I/0信號為“真”時表示是對發(fā)起方的輸入，數據由目標方向發(fā)起方傳送；若I/0信號為“偽”，則表示數據由發(fā)起方向目標方傳送。該信號也被用來區(qū)分選擇和重選階段。

5.MSG(Message，通信)信號

該信號由目標方驅動，表示總線處于信息傳送的通信階段。

6.REQ(Request，請求)信號

該信號由目標方驅動，表示有信息傳輸請求，請求一個REQ/ACK數據傳送握手過程。

7.ACK(Acknowledge，應答)信號

該信號由發(fā)起方驅動，表示對REQ信號的應答。

8.ATN(Attention，提醒)信號

該信號由發(fā)起方驅動，指示一個提醒信息，表明發(fā)起方有一個消息要給目標方發(fā)送。

9.RST(Reset，重置)信號

該信號是“或態(tài)”信號，表示一個硬件重置狀態(tài)，指示總線進入重新設置階段，清除所有使用總線的SCSI設備。

10.DB(DataBus，數據總線)信號

DB信號有兩種，分別是用于8位數據總線的DB(7-0，P)和用于16位數據總線的DB(l5~O，P)。這些信號都用于傳送信息的值，它們包括數據比特信號，加上奇偶檢驗比特信號。

由于在SCSI總線上掛有多個設備，一些控制信號可能同時被多個SCSI設備驅動。這些信號被稱作“或態(tài)”信號。對于“或態(tài)”信號，SCSI設備不會主動將其驅動成“偽”，而是依賴總線終接器，在總線上的所有設備都沒有驅動該信號時將其設置成“偽。”只要有1個或多個設備驅動該信號，該信號就是“真”。與“或態(tài)”信號相對照的是“非或態(tài)”信號。對于“非或態(tài)”信號，SCSI設備可以將其驅動成“偽”。

3.6SCSI總線的使用階段

根據對總線不同的使用，可以把SCSI總線狀態(tài)劃分成8個不同的階段：空閑階段，仲裁階段，選擇階段，重選階段，命令階段，數據階段，狀態(tài)階段和通信階段。

其中命令階段，數據階段，狀態(tài)階段和通信階段都設計信息在總線的傳送，所以又稱為：信息傳送階段。

除了空閑階段外，其他階段的總線都被SCSI設備占用。

3.6.1.總線空閑階段

總線空閑表明沒有一個設備在使用SCSI總線，也表示在此狀態(tài)下，SCSI設備如果需要，可以使用總線。SCSI設備需要在總線上的SEL信號和BSY信號都是“偽”之后，才可以檢測總線是否處于空閑狀態(tài)。

作為例子，SCSI總線可能在下列情況下進入空閑狀態(tài)：

1.RST信號被設置；

2.不成功的總線選擇或重選；

3.目標設備解除連接；

4.目標設備命令完成。

一旦一個SCSI設備確定總線處于空閑階段，它就可以申請總線仲裁，從而進入仲裁階段。

3.6.2.總線仲裁階段

在SCSI總線上的設備必須先獲得總線連接權，然后才可以進行其他的操作。在默認條件下，看似掛在總線上的設備在邏輯上是與總線斷開的，沒有參與總線上的活動。SCSI設備只有在需要進行數據傳輸和設備狀態(tài)報告時才會申請總線連接權。SCSI設備一旦得到了總線連接權，就將在發(fā)起方和目標方之間形成一個物理連接的通道，然后就可以進行數據傳輸。

一般情況下，總線的獲取與對目標方的選擇都由發(fā)起方完成。為了更加高效地使用總線，在某些情況下，例如在有較長時間的CPU處理等待或設備存取等待時，需要釋放總線以供其他設備使用。在等待的相關任務完成后，再重新進行總線仲裁和連接權獲取操作，以繼續(xù)進行暫停的工作。因此，有時目標方也可以執(zhí)行總線操作和連接權獲取操作，準確地講，是再獲取操作。

SCSI總線上的設備的優(yōu)先級是由它的地址即SCSI ID決定的。在窄SCSI中的ID范圍是0-7，對應的優(yōu)先級是從1到8。在寬SCSI中的ID范圍是O~l5，其中對應IDO~7的優(yōu)先級是從9到16遞增，而對應ID8~l5的優(yōu)先級是從1到8遞增。在這里，我們用較大的數值表示較高的優(yōu)先級，因此，ID7具有最高優(yōu)先級。在窄SCSI中，ID 0具有最低優(yōu)先級；在寬SCSI中，ID8具有最低優(yōu)先級。

SCSI總線上的ID數目是與SCSI數據總線寬度一致的，因此，窄SCSI有8個ID，寬SCSI有16個ID。在窄SCSI中的8根數據線的編號是從0到7，在寬SCSI中的16根數據線的編號是從0到15。有趣的是，具有某個編號的數據線上的信號，還被用來表示具有對應號碼ID的SCSI設備是否在執(zhí)行選擇或相關操作。例如當數據總線中的數據線DB(2)在某個特定的階段被驅動成真時，就可以表示其ID為2的設備已經在總線上執(zhí)行了選擇或相關操作。

在SCSI域中，主機是存儲設備的主要使用者，且對存儲的響應要求較高，因此通常主機的優(yōu)先級最高，其分配的ID值也最大，在窄SCSI中是ID7，在寬SCSI中是IDl5。

總線仲裁就是在可能同時有多個設備請求的情況下，最終只給予其中的一個SCSI設備總線控制權的過程。SCSI設備在檢測到“總線空閑”并等待一個時延后即可以把總線置成BSY，并把與它的SCSIID對應的數據線信號置為“真”，開始總線仲裁申請。

在等待1個時延后，該SCSI設備需檢測在數據總線上是否有更高優(yōu)先級的SCSIID也為“真”。如果總線上確有更高優(yōu)先級的設備在進行總線申請，則該SCSI設備不再置BSY和對應的數據線為“真”。放棄總線仲裁申請，直到下一次“總線空閑”；否則，該設備就獲得了總線控制權，并由該設備把SEL信號置為“真”。同時，總線上的其他SCSI設備則檢測到SEL信號為“真”后，不再置BSY信號和對應的數據線為“真”，放棄總線仲裁申請。為了保證確實已經獲得了總線控制權，該設備在置SEL信號為“真”后、傳送其他信號前，需要有一定的時延。

在總線仲裁階段結束時，總線上有BSY、SEL和與獲得總線的SCSI設備的ID，其對應的數據線的信號為“真”。

3.6.3.選擇階段

在選擇階段，得到總線使用權的SCSI設備在總線上選擇目標設備，以便隨后可以向該目標設各發(fā)送諸如讀和寫這樣的命令。這個階段主要是完成對具有特定SCSIID的設備的選擇，其相關協(xié)議的定義主要是在SCSI體系結構的互連層。需要注意的是，邏輯單元號LUN的尋址是邏輯單元通過SCSI傳輸層協(xié)議完成的，不在互連層。與LUN編址相關的協(xié)議在傳輸協(xié)議層描述。

贏得仲裁的SCSI設備在把BSY和SEL信號置成“真”，經過一小段時延后，即可進入選擇階段。作為發(fā)起方，贏得仲裁的SCSI設備不可以把1/0信號置成“真”。在此階段，發(fā)起方需要把與自己的SCSIID對應的數據線的信號和對應所要選擇的目標設備的SCSIID的數據線的信號置成“真”，經過一小段時延，再把BSY信號置成“偽”，然后等待目標方的響應。

例如，SCSI ID為6的主機把對應自己的ID的數據線DB(6)和對應目標設備的ID(=6)的數據線DB(0)置成“真”后，數據總線上信號值的狀態(tài)將如下所示。

DS(0)DS(1)DS(2)DS(3)DS(4)DS(5)DS(6)DS(7)

10000010

此時，只有兩個數據線的信號值是“真”。如果有多于兩個的數據線為“真”，則目標方認為有誤。目標方在SEL和對應它的ID的數據線的信號為“真”并且BSY和I/0信號為“偽”的情況下，就可以確定它自己已經被選為目標設備。此時，目標方設備應該重新把BSY信號置成“真”。發(fā)起方在檢測到BSY為“真”的信號后，就把SEL信號置成“偽”。特別需要注意的是，在該階段結束時，BSY信號是由目標方置位的。

3.6.4.重選階段

在SCSI目標設備忙于處理其內部事務(通常是對于執(zhí)行對存儲數據的讀或寫操作)期間，它可以在等待操作(比如把存儲在設備中的數據讀入緩沖區(qū)或把暫存在緩沖區(qū)的數據寫入緩沖區(qū))完成時釋放總線供其他設備使用，并在操作完成后重新申請對總線的使用權。因此，重選階段也發(fā)生在“總線仲裁階段”之后。但與選擇階段不同，重選階段由目標方啟動，重新建立由發(fā)送方啟動成功但被目標方掛斷的連接。

在目標設備釋放了總線之后，BSY和SEL信號處于被置成“真”的狀態(tài)。此時日標設備通過把I/0信號置成“真”使自己成為贏得對總線使用權的一方。在重選階段，目標方也需要把與自已的SCSIID對應的數據線的信號和對應發(fā)送方設備的SCSIID的數據線的信號置成“真”，經過一段短的時延，再把BSY信號置成“偽”，然后等待發(fā)起方的響應。

發(fā)起方在SEL、I/0和對應它的ID的數據線的信號為“真”并且BSY為“偽”的情況下，就可以確定它自己已經被重選。被重選的發(fā)起方可以通過查看數據總線來驗證重迭的目標方的SCSIID。然后，發(fā)起方設各重新把BSY信號置成“真”。目標方在檢測到BSY為“真”的信號后，它也執(zhí)行把BSY驅動成“真”的操作，并把SEL信號置成“偽”。

被重選的發(fā)起方在檢測到SEL信號為“偽”后，它就把BSY置成“偽”，而目標設備則繼續(xù)把BSY設置成“真”，直到它放棄對總線的使用權為止。這樣，在該階段結束時，信號的狀態(tài)與選擇階段一樣，也是由目標方設置的BSY信號。