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Linux SCSI子系统剖析


Small Computer Systems Interface (SCSI) 是一组标准集,它定义了与大量设备(主要是与存储相关的设备)通信所需的接口和协议。 Linux® 提供了一种 SCSI 子系统,用于与这些设备通信。Linux 是分层架构的一个很好的例子,它将高层的驱动器(比如磁盘驱动器或光驱)连接到物理接口,比如 Fibre Channel 或 Serial Attached SCSI(SAS)。本文向您介绍了 Linux SCSI 子系统,并且讨论了这些子系统将来的发展方向。

GNU/Linux 和 SCSI 是很好的一个组合,因为二者在各自的环境中具有类似的特征。GNU/Linux 是一种安全可靠的操作系统,可以不间断地运行。SCSI 适合于可靠和高性能存储。二者都是开源的。您可以下载和查阅 International Committee on Information Technology Standards (INCITS) T10 Technical Committee 的各种 SCSI 规范。同样地,您也可以下载 GNU/Linux 源代码以理解其实现。它们在各自的行业都具有主导性,所以相对其他操作系统而言,GNU/Linux 能更好地支持 SCSI,这一点就不足为奇了。

SCSI 的演化

SCSI 是一种很有趣的接口,它是早期的接口之一,如今还在不断演化。第一种 SCSI 标准称为 SCSI-1,是由 Shugart Associates 在 1979 年前后创建的。SCSI-1 定义了一种具有 5MHz 数据时钟的 8-bit 并行接口,能提供最高 5 兆字节每秒(5 MB/s)的数据传输速率。

SCSI-2 标准出现于 1985 年,它的出现使数据速率更快(10MHz),总线也更宽(16 位)。被称为 Fast/Wide 的 SCSI-2 允许的数据传输速率高达 20 MB/s,并具有与 SCSI-1 的向后兼容性,但是速率也会限制到 SCSI-1 的数据速率。

SCSI-3 的开发开始于 1993 年,现已成为了一组标准集,可以定义协议、命令集和信令方法。在 SCSI-3 中,包含一组命名为 Ultra 的并行 SCSI 标准和基于串行 SCSI 的协议,比如 IEEE 1394 (FireWire)、Fibre Channel, 、Internet SCSI (iSCSI) 和新兴的 SAS。这些标准通过引入存储网络技术(比如 FC-AL 或 iSCSI)改变了传统的存储理念,将数据速率扩展到了 1 Gbit/s,将最大的可寻址设备数增加到了 100 以上,并将最大的电缆长度扩展到了 25 米。图 1 展示了从 1986 至 2007 年 SCSI 的数据速率的变化


图 1. SCSI 数据速率的演化

 

SCSI 工作原理

SCSI 实现了一种客户机/服务器风格的通信架构。发起者向目标设备发送命令请求。该目标处理此请求并向发起者返回响应。发起者可以是托管计算机中的一个 SCSI 设备,而 SCSI 目标则可以是一个磁盘、光盘和磁带设备或特殊设备(比如箱体设备)。

 

SCSI 命令

SCSI 传输所采用的协议已经时过境迁,SCSI 命令却保持了最初的元素。SCSI 命令是在 Command Descriptor Block (CDB) 中定义的。CDB 包含了用来定义要执行的特定操作的操作代码,以及大量特定于操作的参数。

SCSI 命令支持读写数据(各有四个变量)以及很多非数据命令,比如 test-unit-ready(设备是否已就绪)、inquiry(检索有关目标设备的基本信息)、read-capacity(检索目标设备的存储容量)等等。目标设备支持何种命令取决于设备的类型。发起者通过 inquiry 命令识别设备类型。表 1 列出了最常用的 SCSI 命令。


表 1. 常见 SCSI 命令

命令 用途
Test unit ready 查询设备是否已经准备好进行传输
Inquiry 请求设备基本信息
Request sense 请求之前命令的错误信息
Read capacity 请求存储容量信息
Read 从设备读取数据
Write 向设备写入数据
Mode sense 请求模式页面(设备参数)
Mode select 在模式页面配置设备参数

 

借助大约 60 种可用命令,SCSI 可适用于许多设备(包括随机存取设备,比如磁盘和像磁带这样的顺序存储设备)。SCSI 也提供了专门的命令以访问箱体服务(比如存储箱体内部当前的传感和温度)。

 

Linux 内核中的 SCSI 架构

图 2 显示了 SCSI 子系统在 Linux 内核中的位置。内核的顶部是系统调用接口,处理用户空间调用到内核中合适的目的地的路由(例如 open、read 或 write)。而虚拟文件系统(VFS) 是内核中支持的大多数文件系统的抽象层。它负责将请求路由到合适的文件系统。大多数文件系统都通过缓冲区缓存来相互通信,这种缓存通过缓存最近使用的数据来优化对物理设备的访问。接下来是块设备驱动器层,它包括针对底层设备的各种块驱动器。SCSI 子系统是这种块设备驱动器之一。


图 2. SCSI 子系统在 Linux 内核中的位置 

与 Linux 内核中的其他主流子系统不同,SCSI 子系统是一种分层的架构,共分为三层。顶部的那层叫做较高层,代表的是内核针对 SCSI 和主要设备类型的驱动器的最高接口。接下来的是中间层,也称为公共层或统一层。在这一层包含 SCSI 堆栈的较高层和较低层的一些公共服务。最后是较低层,代表的是适用于 SCSI 的物理接口的实际驱动器(参见图 3)。


图 3. Linux SCSI 子系统的分层架构 

在 ./linux/drivers/scsi 可以找到 SCSI 子系统(SCSI 较高层、中间层和各种驱动器)的源代码。SCSI 数据结构则位于 SCSI 源目录,在 ./linux/include/scsi 也可以找到。

 

SCSI 较高层

SCSI 子系统的较高层代表的是内核(设备级)最高级别的接口。它由一组驱动器组成,比如块设备(SCSI 磁盘和 SCSI CD-ROM)和字符设备(SCSI 磁带和 SCSI generic)。较高层接受来自上层(比如 VFS)的请求并将其转换成 SCSI 请求。较高层负责完成 SCSI 命令并将状态信息通知上层。

SCSI 磁盘驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sd.c 内实现。SCSI 磁盘驱动器通过调用 register_blkdev(作为块驱动器)进行自初始化并通过 scsi_register_driver 提供一组函数以表示所有 SCSI 设备。其中 sd_probesd_init_command 这两个函数很重要。只要有新的 SCSI 设备附加到系统, SCSI 中间层就会调用 sd_probe 函数。sd_probe 函数可决定此设备是否由 SCSI 磁盘驱动器管理,如果是,就创建新的 scsi_disk 结构来表示它。sd_init_command 函数将来自文件系统层的请求转变成 SCSI 读或写命令(为完成这个 I/O 请求,sd_rw_intr 会被调用)。

SCSI 磁带驱动器在 ./linux/drivers/scsi/st.c 内实现。磁带驱动器是顺序存取设备,会通过 register_chrdev_region 将自身注册为字符设备。SCSI 磁带驱动器还提供了一个 probe 函数,称为 st_probe。该函数会创建一种新磁带设备并将其添加到称为 scsi_tapes 的向量。SCSI 磁带驱动器的独特之处在于,如果可能,它可以直接从用户空间执行 I/O 传输。否则,数据会通过驱动器缓冲被分段。

SCSI CD-ROM 驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sr.c 内实现。CD-ROM 驱动器是另一种块设备并为 SCSI 磁盘驱动器提供类似的函数集。sr_probe 函数可用来创建 scsi_sd 结构以表示 CD-ROM 设备,并用 register_cdrom 注册此 CD-ROM。SCSI 磁带驱动器还会导出 sr_init_command,以将请求转换成 SCSI CD-ROM 读或写请求。

SCSI generic 驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sg.c 内实现。该驱动器允许用户应用程序向设备发送 SCSI 命令(比如格式化、模式感知或诊断命令)。通过 sg3utils 包还可以从用户空间利用 SCSI generic 驱动器。这个用户空间包包括多种实用工具,可用来发送 SCSI 命令和解析这些命令的响应。

 

SCSI 中间层

SCSI 中间层是 SCSI 较高层和较低层的公共服务层(可以在 ./linux/drivers/scsi/scsi.c 内部分地实现)。它提供了很多可供较高层和较低层驱动器使用的函数,因而可以充当这两层间的连接层。中间层很重要,原因是它抽象化了较低层驱动器(LLD)的实现,可以在 ./linux/drivers/scsi/hosts.c 中部分地实现。这意味着可以以同样的方式使用带不同接口的 Fibre Channel 主机总线适配器(HBA)。

低层驱动器注册和错误处理都由 SCSI 中间层提供。中间层还提供了较高层和较低层间的 SCSI 命令排队。SCSI 中间层的一个重要功能是将来自较高层的命令请求转换成 SCSI 请求。它也负责管理特定于 SCSI 的错误恢复。

中间层可以连接 SCSI 子系统的较高层和较低层。它接受对 SCSI 事务的请求并对这些请求进行排队以便处理 (如 ./linux/drivers/scsi/scsi_lib.c 中所示)。当这些命令完成后,它接受来自 LLD 的 SCSI 响应并通知较较高层此请求已经完成。

中间层最重要的职责之一是错误和超时处理。如果 SCSI 命令没有在合理的时间内完成或者 SCSI 请求返回错误,中间层就会管理错误或重新发送此请求。中间层还可管理较高层恢复,比如请求 HBA (LLD) 或 SCSI 设备重置。SCSI 错误和超时处理程序在 ./linux/drivers/scsi/scsi_error.c 内实现。

 

SCSI 较低层

在最低层的是一组驱动器,称为 SCSI 低层驱动器。它们是一些可与物理设备(比如 HBA)链接的特定驱动器。LLD 提供了自公共中间层到特定于设备的 HBA 的一种抽象。每个 LLD 都提供了到特定底层硬件的接口,但所使用的到中间层的接口却是一组标准接口。

较低层包含大量代码,原因是它要负责处理各种不同的 SCSI 适配器类型。例如,Fibre Channel 协议包含了针对 Emulex 和 QLogic 的各种适配器的 LLD。面向 Adaptec 和 LSI 的 SAS 适配器的 LLD 也包括在内。

 

Linux 和 SCSI 的未来展望

毫无疑问,SCSI 的发展前景很好,并且它会与 Linux 紧密相关。随着 SCSI 的演化,Linux 将会一如既往地为不断发展的技术提供支持。Linux 借助面向 HBA 的驱动器为新的 SAS 协议提供支持。随着协议向更快的速度发展(比如 6 Gb SAS 或 8 Gb FC),Linux 必将处在发展和部署的前沿。

您还会发现 Linux 恰恰就是新 SCSI 协议的先进之处。FCoE(Fibre Channel over Ethernet)颇值得一提。FCoE 是全双工 Ethernet 网络(通常是 1Gb 或 10Gb Ethernet)上的一种 Fibre Channel 框架的映射。FCoE 之所以重要,是因为它将主流的网络媒介与主流的企业存储协议连接起来。这种新技术必然受人瞩目,而且 Linux 也将不会例外。

针对 SCSI 的端到端数据保护也在开发中,它源于 T10 的新数据完整性标准。这个标准为每扇区都增加了一个数据完整性字段(DIF)以保护介质上的数据。这个新的 8 字节 DIF 字段包括一个循环冗余代码(CRC)用以保护数据,一个参考标签用以保护数据免遭误导写入,以及一个应用程序标签。应用程序标签特定于应用程序,并且可以定义数据的用途,例如,一个 PDF 文件的一部分。

 

结束语

Linux 内核是抽象的分层结构的另一个典型示例。它将各种文件系统连接到不同的物理存储介质。若这些存储介质与 SCSI 相关,SCSI 子系统会将公共 Linux 块请求转化为针对特定底层设备的 SCSI 请求。SCSI 子系统本身在过去若干年中经历了很多变化,而且这些变化还在继续。诸如端到端数据保护这样的新技术,与 FCoE 这样的新协议一样,都在想方设法寻找与 Linux 建立关系的途径。

本文永久更新链接:http://embeddedlinux.org.cn/emb-linux/kernel-driver/201010/08-910.html



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