SAS传输协议处理流程
SAS传输协议处理流程
SAS协议支持三种主要的传输协议，每种协议用于不同的应用场景：
- SSP (Serial SCSI Protocol): 用于SCSI命令传输
- SMP (Serial Management Protocol): 用于管理SAS拓扑
- STP (Serial ATA Tunneling Protocol): 用于SATA命令传输
1. SSP协议处理流程
SSP (Serial SCSI Protocol) 是SAS中用于SCSI命令传输的协议，支持完整的SCSI功能集。
1.1 SSP协议特点
- 基于SCSI命令集
- 支持全双工通信
- 提供可靠的数据传输
- 支持任务管理功能
- 使用CRC校验保证数据完整性
1.2 SSP帧结构
+----------------+----------------+----------------+----------------+
| SOF (1 byte) | 帧头 (8 bytes) | 数据负载 | CRC (4 bytes) |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
- SOF: 帧起始标记
- 帧头: 包含目标/源SAS地址、帧类型等信息
- 数据负载: 根据帧类型不同，包含命令、数据或响应
- CRC: 循环冗余校验，确保数据完整性
1.3 SSP目标端处理流程
-
连接建立
- 接收OPEN地址帧
- 验证发起方SAS地址和权限
- 确认连接类型为SSP
- 建立双向通信通道
-
命令接收
- 接收COMMAND帧
- 验证帧CRC
- 解析SCSI命令
- 提取LUN、CDB和任务属性
-
命令处理
- 将命令转发给STE模块
- STE模块根据命令类型分发
- 执行SCSI命令操作
- 准备响应数据
-
响应发送
- 生成RESPONSE帧
- 包含状态码、感知数据等
- 发送响应数据
- 对于读命令，先发送DATA帧，再发送RESPONSE帧
-
连接关闭
- 发送CLOSE原语
- 更新任务状态
- 释放资源
1.4 SSP发起端处理流程
-
连接建立
- 发送OPEN地址帧
- 指定SSP协议
- 包含目标SAS地址
- 等待连接确认
-
命令发送
- 构造COMMAND帧
- 包含LUN、CDB和任务属性
- 计算并添加CRC
- 发送SCSI命令
-
响应接收
- 接收RESPONSE帧
- 验证帧CRC
- 解析响应数据
- 对于读命令，先接收DATA帧，再接收RESPONSE帧
-
连接关闭
- 接收CLOSE原语
- 更新任务状态
- 通知上层应用
1.5 SSP错误处理
-
传输错误:
- CRC校验失败时重新发送
- 连接断开时重新建立连接
- 达到重试上限后报告错误
-
任务管理:
- 支持ABORT TASK、ABORT TASK SET等任务管理功能
- 可以中止特定任务或一组任务
- 支持目标设备重置
1.6 SSP与STE模块交互
+---------------+ +---------------+
| SSP传输层 | | STE模块 |
+---------------+ +---------------+
| |
|------- SCSI命令 ------------->|
| |
| |---处理命令-->|
| | |
| |<--处理结果---|
| |
|<------ 命令响应 --------------|
| |
2. SMP协议处理流程
SMP (Serial Management Protocol) 是SAS中用于管理SAS拓扑和设备的协议。
2.1 SMP协议特点
- 用于SAS拓扑发现和管理
- 简单的请求-响应模型
- 不支持数据流传输
- 主要用于Expander配置和状态查询
2.2 SMP帧结构
+----------------+----------------+----------------+----------------+
| SOF (1 byte) | 帧头 (8 bytes) | SMP函数数据 | CRC (4 bytes) |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
- SMP函数数据: 包含SMP函数代码和相关参数
2.3 SMP目标端处理流程
-
连接建立
- 接收OPEN地址帧
- 验证发起方SAS地址
- 确认连接类型为SMP
- 建立双向通信通道
-
请求接收
- 接收REQUEST帧
- 验证帧CRC
- 解析SMP函数
- 提取函数参数
-
请求处理
- 执行SMP函数
- DISCOVER: 发现PHY信息
- REPORT GENERAL: 报告一般信息
- REPORT PHY SATA: 报告PHY SATA信息
- CONFIGURE PHY: 配置PHY参数
- 其他SMP函数
- 准备响应数据
- 执行SMP函数
-
响应发送
- 生成RESPONSE帧
- 包含函数结果和返回数据
- 计算并添加CRC
- 发送响应数据
-
连接关闭
- 发送CLOSE原语
- 释放资源
2.4 SMP发起端处理流程
-
连接建立
- 发送OPEN地址帧
- 指定SMP协议
- 包含目标SAS地址
- 等待连接确认
-
请求发送
- 构造REQUEST帧
- 包含SMP函数代码和参数
- 计算并添加CRC
- 发送SMP函数请求
-
响应接收
- 接收RESPONSE帧
- 验证帧CRC
- 解析响应数据
- 提取函数执行结果
-
连接关闭
- 接收CLOSE原语
- 通知上层应用
- 更新拓扑信息(如适用)
2.5 常见SMP函数
| 函数名称 | 功能描述 | 典型用途 |
|---|---|---|
| DISCOVER | 获取PHY信息 | 拓扑发现 |
| REPORT GENERAL | 获取设备一般信息 | 设备状态查询 |
| REPORT PHY SATA | 获取SATA PHY信息 | SATA设备管理 |
| CONFIGURE PHY | 配置PHY参数 | PHY速率设置 |
| REPORT ROUTE INFO | 获取路由信息 | 路由表查询 |
| CONFIGURE ROUTE INFO | 配置路由信息 | 路由表设置 |
3. STP协议处理流程
STP (Serial ATA Tunneling Protocol) 是SAS中用于在SAS网络中传输SATA命令的协议。
3.1 STP协议特点
- 允许SATA设备连接到SAS网络
- 将SATA FIS封装在STP帧中传输
- 保留SATA协议特性
- 支持SATA设备的所有功能
3.2 STP帧结构
+----------------+----------------+----------------+----------------+
| SOF (1 byte) | 帧头 (8 bytes) | SATA FIS | CRC (4 bytes) |
+----------------+----------------+----------------+----------------+
- SATA FIS: SATA帧信息结构，包含SATA命令和数据
3.3 STP处理流程
-
连接建立
- 发送OPEN地址帧
- 指定STP协议
- 包含目标SAS地址(映射到SATA设备)
- 等待连接确认
-
SATA命令传输
- 将SATA FIS封装在STP帧中
- Register FIS: 包含命令寄存器值
- Data FIS: 包含读/写数据
- PIO Setup FIS: 设置PIO传输参数
- DMA Setup FIS: 设置DMA传输参数
- Set Device Bits FIS: 设置设备状态
- 传输SATA命令和数据
- SAS/SATA桥接器转换STP帧为原生SATA信号
- SATA设备执行命令并返回结果
- 桥接器将SATA响应封装回STP帧
- 将SATA FIS封装在STP帧中
-
连接关闭
- 发送CLOSE原语
- 释放资源
3.4 STP与SATA设备交互
+---------------+ +---------------+ +---------------+
| SAS主机 | | SAS/SATA | | SATA设备 |
| (STP发起端) | | 桥接器 | | |
+---------------+ +---------------+ +---------------+
| | |
|------- STP帧 --------------->| |
| |------- SATA FIS ------------->|
| | (协议转换) |
| | |---执行命令-->|
| | | |
| | |<--命令结果---|
| | |
| |<------ SATA FIS --------------|
|<------ STP帧 ----------------| |
| (协议转换) | |
4. 协议选择与连接建立
当SAS设备需要与另一个设备通信时，它会根据目标设备类型和操作需求选择适当的协议：
-
协议选择依据:
- 与SAS设备通信SCSI命令: 使用SSP
- 与SAS Expander进行管理操作: 使用SMP
- 与SATA设备通信: 使用STP
-
OPEN地址帧中的协议指示:
+----------------+----------------+----------------+----------------+ | 目标SAS地址 | 源SAS地址 | 连接速率 | 协议标识 | +----------------+----------------+----------------+----------------+协议标识字段指定要使用的协议(SSP/SMP/STP)
-
连接建立后的协议切换:
- 一旦连接建立，协议不能在同一连接中更改
- 需要关闭连接并重新建立新连接才能切换协议
5. 总结
SAS支持的三种传输协议(SSP、SMP、STP)各自针对不同的应用场景进行了优化:
- SSP: 提供完整的SCSI功能，适用于与SAS设备的数据传输
- SMP: 提供管理功能，适用于SAS拓扑的发现和配置
- STP: 提供SATA兼容性，使SATA设备能够连接到SAS网络
这三种协议共享相同的物理层和部分链路层，但在传输层有各自独特的处理流程和帧格式。通过这种设计，SAS协议栈能够同时支持存储数据传输、拓扑管理和SATA兼容性。
6. 主机通过Expander与下游设备通信
6.1 基本概念
Expander是SAS网络中的交换设备，主要功能有：
- 连接多个SAS/SATA设备到网络
- 路由连接请求到正确的目标设备
- 管理设备之间的通信
6.2 主机与下游设备通信的三种协议
-
SMP协议 - 用于主机与Expander通信
- 管理Expander配置
- 查询拓扑信息
- 获取设备状态
-
SSP协议 - 用于主机与SAS设备通信
- 传输SCSI命令和数据
- Expander仅转发数据，不处理
-
STP协议 - 用于主机与SATA设备通信
- 将SATA命令封装在SAS网络中传输
- Expander执行协议转换
6.3 SAS网络通信架构与协议流程
6.3.1 SAS网络架构图
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| | SMP (管理) | | | |
| |------------->| | | |
| | | | | |
| SAS主机 | SSP (数据) | Expander | SSP (数据) | SAS设备 |
| (发起端) |------------->| (交换设备) |------------->| (目标端) |
| | | | | |
| | STP (数据) | | SATA (转换) | |
| |------------->| |------------->| SATA设备 |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
SAS网络通信架构说明：
-
SAS主机与Expander通信
- SMP协议：主机直接管理Expander本身
- Expander是SMP命令的终点和处理者
- 用于配置、查询和控制Expander
- SSP协议：主机通过Expander访问SAS设备
- Expander仅转发SSP命令，不做处理
- 主机和SAS设备是实际的通信双方
- STP协议：主机通过Expander访问SATA设备
- Expander在SAS和SATA协议间进行转换
- 使SATA设备能够接入SAS网络
- SMP协议：主机直接管理Expander本身
-
Expander的三种角色
- SMP目标设备：直接处理管理命令
- SSP透明中继：纯粹转发SSP通信
- STP/SATA桥接器：在两种协议间进行转换
6.3.2 SAS通信协议层次图
+-------------------------------------------------------------------+
| 应用层 |
| |
| +-----------------+ +-------------------+ +----------------+ |
| | SCSI应用 | | SAS管理应用 | | SATA应用 | |
| +-----------------+ +-------------------+ +----------------+ |
+-------------------------------------------------------------------+
| 传输层 |
| |
| +-----------------+ +-------------------+ +----------------+ |
| | SSP (Serial | | SMP (Serial | | STP (Serial | |
| | SCSI Protocol) | | Management | | ATA Tunneling | |
| +-----------------+ | Protocol) | | Protocol) | |
| +-------------------+ +----------------+ |
+-------------------------------------------------------------------+
| 链路层 |
| |
| +-----------------------------------------------------------+ |
| | SAS链路层 (连接管理、地址帧、原语) | |
| +-----------------------------------------------------------+ |
+-------------------------------------------------------------------+
| 物理层 |
| |
| +-----------------------------------------------------------+ |
| | SAS物理层 (OOB、速率协商、8b/10b编码) | |
| +-----------------------------------------------------------+ |
+-------------------------------------------------------------------+
协议层次说明：
-
物理层
- 提供物理媒介接口和信号传输
- 负责OOB信号交换和速率协商
- 处理信号编码/解码(8b/10b)
- 所有协议共享相同的物理层
-
链路层
- 管理连接的建立和释放
- 处理地址帧和原语交换
- 提供基本的错误检测
- 所有协议共享相同的链路层
-
传输层
- SSP: 封装SCSI命令，提供SCSI服务
- SMP: 提供管理功能，处理配置和查询
- STP: 封装SATA FIS，提供隧道服务
- 每种协议有各自独立的传输层实现
-
应用层
- 实现最终的用户功能
- 处理SCSI命令、管理功能和SATA操作
- 与上层软件和驱动程序交互
总结
三种协议数据流对比
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| 主机 | | Expander | | 目标设备 |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| | |
| SMP 请求帧 | |
|------------------>| |
| |--[处理SMP命令]--->|
| | |
| SMP 响应帧 | |
|<------------------| |
| | |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| 主机 | | Expander | | SAS设备 |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| | |
| SSP 命令帧 | 转发SSP命令帧 |
|------------------>|------------------>|
| | |
| | |--[处理SCSI命令]-->|
| | | |
| | |<--[命令完成]------|
| | |
| 转发SSP响应帧 | SSP 响应帧 |
|<------------------|<------------------|
| | |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| 主机 | | Expander | | SATA设备 |
+-------------+ +-------------+ +-------------+
| | |
| STP 帧 | |
|------------------>| |
| | (协议转换)SATA FIS |
| |------------------>|
| | |
| | |--[处理ATA命令]-->|
| | | |
| | |<--[命令完成]-----|
| | |
| | SATA FIS |
| |<------------------|
| STP 帧(协议转换) | |
|<------------------| |
| | |
三种协议数据流说明：
-
SMP数据流
- 主机直接与Expander通信
- Expander接收SMP请求并处理
- 处理完成后返回SMP响应
- 无需转发到其他设备
-
SSP数据流
- 主机发送SSP命令帧到Expander
- Expander透明转发命令到SAS设备
- SAS设备处理SCSI命令
- 响应通过相同路径返回
- Expander不修改SSP帧内容
-
STP数据流
- 主机发送STP帧(封装SATA FIS)到Expander
- Expander执行协议转换，提取SATA FIS
- 转换后的SATA FIS发送到SATA设备
- SATA设备响应返回SATA FIS
- Expander将SATA FIS封装为STP帧返回给主机