SCSI（Small Computer System Interface）是一种面向块设备的并行协议标准，广泛应用于企业级存储（如SAN、磁带库）。其核心设计目标是通过分层寻址和多设备管理实现高效的数据传输，下面从寻址原理、阶段划分到案例进行拆解。
一、SCSI寻址机制：三层嵌套结构
SCSI通过三级标识符唯一定位存储单元：
发起方（Initiator）
主机端HBA卡（Host Bus Adapter）的唯一ID，标识数据请求来源。
格式：通常为16位或64位WWN（World Wide Name）。
目标方（Target）
存储设备控制器（如磁盘阵列控制器、磁带机）的逻辑ID。
寻址范围：每个SCSI总线支持最多8~16个Target（传统并行SCSI）。
逻辑单元号（LUN, Logical Unit Number）
Target内部的子设备标识符（如RAID组的虚拟磁盘、磁带槽位）。
关键能力：
单个Target可管理多个LUN（最多2^64个）。
LUN是操作系统识别的最小存储单元（在Linux中映射为/dev/sdX）。
寻址示例：
Initiator 0x21 → Target 0x03 → LUN 0x01
表示主机0x21访问目标设备0x03的第1号逻辑单元（如一块虚拟磁盘）。
二、SCSI工作阶段的五步流程
一次完整的SCSI IO操作分为五个阶段（以读请求为例）：
阶段1：仲裁（ARBITRATION）
目的：竞争总线使用权（多设备共享总线时）。
原理：
设备按ID优先级（ID值越高优先级越高）发送仲裁信号。
获胜设备获得总线控制权（总线进入选择阶段）。
耗时：微秒级，并行总线瓶颈所在。
阶段2：选择（SELECTION）
目的：发起方（Initiator）选定目标设备（Target）。
过程：
Initiator拉低目标设备的SCSI ID信号线。
目标设备响应BSY（Busy）信号确认连接。
建立点对点通道（总线进入命令阶段）。
阶段3：命令（COMMAND）
目的：传输操作指令和参数。
核心结构：CDB（Command Descriptor Block），包含：
字段 长度 作用
操作码 1字节 如0x28表示SCSI Read(10)命令
LBA地址 4~8字节 数据的起始逻辑块地址
传输长度 2字节 请求的扇区数量（最大64KB）
控制位 1字节 缓存策略、错误处理标志
数据传输方向：Initiator → Target。
阶段4：数据传输（DATA）
方向：根据命令类型确定：
读操作：Target → Initiator
写操作：Initiator → Target
传输模式：
同步传输：设备协商最佳速率（Fast-20/40/80等）。
异步传输：保守低速模式（兼容旧设备）。
错误检测：每512字节附带4字节CRC校验。
阶段5：状态（STATUS）
目的：目标设备反馈操作结果。
状态码：
0x00 (GOOD)：操作成功。
0x02 (CHECK CONDITION)：错误（需读取Sense Data定位故障）。
0x08 (BUSY)：设备忙，需重试。
结束信号：Target释放总线控制权。
三、关键原理：多设备协同与错误处理
- 队列化机制（Command Queuing）
Native Command Queuing (NCQ)：
Target可对多个IO请求重排序（如电梯算法减少机械硬盘寻道）。
效果：HDD随机IO性能提升30%。
案例：数据库同时收到10个读请求（LBA: 100, 200, 300...），磁盘重排序为100→200→300顺序读取。
- Sense Key错误诊断
当返回CHECK CONDITION状态时，需读取Sense Data定位问题：
Sense Key: 0x03 (MEDIUM ERROR)
ASC: 0x11 (UNRECOVERED READ ERROR)
ASCQ: 0x00 (目标扇区数据校验失败)
表示物理介质损坏（如磁盘坏道）。
四、典型案例场景深度解析
案例1：VMware虚拟机磁盘延迟抖动
场景：
50台VM共享光纤通道SAN存储（SCSI协议），部分虚拟机磁盘响应达100ms+。
问题诊断：
分析SCSI状态码：频繁出现BUSY状态（目标阵列处理阻塞）。
检查LUN队列深度：默认VMFS LUN队列深度=32 → 超出存储控制器处理能力。
解决方案：
调整ESXi主机参数：esxcli storage core device set -d naa.xxxxx -Q 16
存储端启用主动QoS限制（每LUN最大IOPS）。
效果：延迟从100ms降至5ms。
案例2：磁带库备份失败
场景：
备份软件写入LTO-8磁带时失败（SCSI状态返回CHECK CONDITION）。
排查步骤：
读取Sense Data：
Sense Key: 0x05 (ILLEGAL REQUEST)
ASC: 0x26 (PARAMETER VALUE INVALID)
比对命令：发现发送了WRITE(10)但磁带机要求WRITE(12)（LBA地址超过32位限制）。
修复方案：升级备份软件驱动，支持SCSI长LBA命令。
案例3：Linux系统磁盘挂载失效
场景：
服务器重启后/dev/sdb丢失（日志提示SCSI device not found）。
底层原因：
SCSI总线扫描阶段（RESET-BUS）检测不到Target响应。
因RAID卡电池故障导致缓存策略配置丢失。
解决方案：
手动触发总线重扫描：
echo 1 > /sys/class/scsi_device/0:0:1:0/device/rescan
更换RAID卡电池并恢复设置。
五、SCSI vs. NVMe架构对比
特性 SCSI（SAS/光纤通道） NVMe（PCIe SSD）
寻址机制 三级分层（Target/LUN/LBA） 64位扁平地址空间（Namespace）
队列深度 单队列深度32~256 64K队列 × 64K深度
协议开销 CDB封装+状态机交互（>10μs） 精简命令集（<2μs）
适用场景 机械硬盘/磁带库/异构存储 高性能SSD阵列
💡 总结：SCSI通过层次化寻址和严格的阶段控制保障了多设备协作的可靠性，但协议开销使其难以满足超低延迟需求。现代存储架构中，NVMe正逐步替代SCSI成为SSD的主流协议，而SCSI在磁带库、传统磁盘阵列等场景仍不可替代。