CN113220231B - 一种支持stp应用的自适应流控方法与装置 - Google Patents

一种支持stp应用的自适应流控方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种支持STP应用的自适应流控方法与装置，该方法包括：建立SAS控制器与目标设备之间的物理链路，触发流控程序，在运行时刻实时测量链路层延迟，基于所测量的链路层延迟，确定所述SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值。本发明的方案在系统运行时刻实时测量物理链路的实际通信延迟，自适应动态调整SAS控制器内部接收缓冲区的水线阈值，实现接收缓冲区配置的最优化。

Description

一种支持STP应用的自适应流控方法与装置
技术领域
本发明属于磁盘连接技术领域，特别涉及一种支持STP应用的自适应流控方法与装置。
背景技术
SATA(Serial ATA)是一种高速串行总线，采用点对点的传输方式，内置数据/命令校验单元，纠错能力强，支持热插拔，具有管脚数量少、数据传输速率快、可靠性高、兼容性好等特性，目前被业界广泛用于存储设备和主机之间的主要I/O接口。
SAS(串行连接SCSI)作为新一代SCSI技术，类似SATA技术同样采用串行接口以获得更高的传输速度。同时，SAS设计考虑向下兼容SATA技术，通过STP协议(SATA通道协议)实现SAS控制器和SATA设备之间的互联和数据传输。
典型的SAS数据存储拓扑结构中，SAS控制器通过一级或者多级Expander(磁盘扩展器)扩展支持大规模磁盘的管理。SAS Expander中通常集成了STP/SATA桥，完成SAS协议到SATA协议的转换，以兼容SATA磁盘设备连接。
图1描述了SAS控制器和多个SATA设备互联时的主要组件，其中SAS控制器是控制命令和数据读写命令的发起者，负责管理整个存储系统的拓扑结构，发出磁盘数据读写命令，接收设备响应；SAS Expander用于扩展存储系统的拓扑结构，内部集成STP/SATA桥以兼容SATA设备连接；STP/SATA桥完成SAS标准中STP协议到SATA协议的转换，帮助SATA设备接入SAS系统；SATA磁盘存储设备用于存储业务数据；连接L1和L2分别为SAS标准物理连接和SATA标准物理连接。
然而，SATA标准协议在制定之初，并未充分考虑SAS应用中多种物理链路速率、不同连接器类型、可变线缆长度的支持。在SAS控制器透过Expander级联访问SATA设备的应用场景下，SATA标准协议定义的流控方法难以高效支持SAS应用中多样化连接方式造成的不确定延迟，可能导致数据通信失败。
为说明标准SATA协议定义的流控方法在支持复杂多变连接结构的SAS应用场景时存在的问题，图2以SAS控制器读磁盘操作为例，描述STP协议下数据传输流控的场景：
1.S1：在接收数据过程中，SAS控制器侦测到内部接收缓冲区剩余空间达到阈值，即将溢出，依照SATA标准协议链路层持续发送HOLD原语，请求Expander暂缓数据发送；
2.D1：SAS控制器和Expander设备之间由于接口类型、线缆长度，引入延迟D1，HOLD原语在D1时间后到达Expander设备端口；
3.D2：Expander设备链路层接收到HOLD原语，暂停有效数据发送，并应答HOLDA原语，期间引入延迟D2；
4.S2：SAS Expander的HOLDA原语在延迟D1时间后到达SAS控制器；
如图2所示，典型的SAS数据存储拓扑结构中，由于连接器和线缆长度多样化，整个链路的延迟可能随着连接线缆的长度不同而动态变化。依据SATA标准协议的描述，在端到端连接的情况下，设备链路层发出HOLD至接收到HOLDA响应的最大延迟为20个Dword单位。传统的SATA控制器内部通常按照20个Dword单位的延迟时间设置内部接收缓冲区的水线阈值，无法实现缓冲区的最优配置，充分发挥缓冲区的效率，难以满足SAS应用中多样化连接场景下STP链路的延迟。
以SAS协议中定义的可管控的连接器(Managed Connector)为例，SAS控制器和Expander设备之间链路相关延迟公式计算如下(单位：Dword)：
D2＝20；
D1＝Pd*R/40；
Total＝D1*2+D2；
其中，Pd为线缆传播延迟，单位为ns；R为物理链路速率，单位为Gbps。Total为链路交互总延迟。
显然，在STP应用场景下，链路的延迟和连接器类型、连接线缆的长度以及物理链路的速率呈现比例关系。典型地，以10米连接线缆单方向延迟53ns估算，链路交互总延迟为36Dword。如果按照传统方式以SATA协议定义的20个Dword单位的延迟时间来设置控制器内部接收缓冲区的水线阈值，可能导致缓冲区剩余空间阈值设置过低，发生缓冲区溢出，丢失有效数据。另一方面，如果接收缓冲区剩余空间水线阈值设置过高，浪费接收缓冲区的存储空间，增加HOLD原语的发送频率，降低物理链路传输效率。
发明内容
本发明的目的在于一种支持STP应用的自适应流控方法和装置，针对目前SATA标准协议中流控方法存在的缺陷，提出了面向SAS应用场景的自适应流控方案，完善SAS场景下STP协议的支持。
根据本发明的第一方面，提供了一种支持STP应用的自适应流控方法，包括：
建立SAS控制器与目标设备之间的物理链路，
所述SAS控制器触发流控程序，在运行时刻实时测量链路层延迟，
基于所测量的链路层延迟，确定所述SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值。
优选地，所述触发流控程序，进一步包括：
SAS控制器等待来自SATA磁盘设备的Data FIS，当所述SAS控制器协议栈链路层接收到所述Data FIS时，主动触发流控程序。
优选地，所述SAS控制器等待来自SATA磁盘设备的Data FIS之前，还包括：
所述SAS控制器发送ATA类型的PIO读命令IDENTIFY DEVICE到所述SATA磁盘设备。
优选地，所述实时测量链路层延迟，进一步包括：
所述SAS控制器协议栈链路层发送HOLD原语，同时启动延迟测量计时器；等待目标设备应答的HOLDA原语，当所述HOLDA原语到达所述SAS控制器协议栈链路层时，所述SAS控制器停止所述延迟测量计时器，记录所述链路层延迟。
优选地，所述确定SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值，进一步包括：
计算接收缓冲区水线阈值，并基于计算结果动态调整所述缓冲区的水线阈值，最优化缓冲区配置。
根据本发明的第一方面，提供了一种支持STP应用的自适应流控管理装置，其特征在于，包括：
链路建立单元，用于建立SAS控制器与目标设备之间的物理链路，
延迟测量单元，用于触发流控程序，在运行时刻实时测量链路层延迟，
阈值确定单元，用于基于所测量的链路层延迟，确定所述SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值。
优选地，所述延迟测量单元进一步配置为：
等待来自SATA磁盘设备的Data FIS，当所述SAS控制器协议栈链路层接收到所述Data FIS时，主动触发流控程序。
优选地，所述装置进一步包括读请求单元，用于在等待来自SATA磁盘设备的DataFIS之前，所述SAS控制器发送ATA类型的PIO读命令IDENTIFY DEVICE到所述SATA磁盘设备。
优选地，所述延迟测量单元进一步配置为：
在所述SAS控制器协议栈链路层发送HOLD原语同时，启动延迟测量计时器；当所述目标设备应答的HOLDA原语到达所述SAS控制器协议栈链路层时，停止所述延迟测量计时器，记录所述链路层延迟。
优选地，所述阈值确定单元进一步配置为：
计算接收缓冲区水线阈值，并基于计算结果动态调整所述缓冲区的水线阈值，最优化缓冲区配置。
相比于现有技术，本发明的方案通过在系统初始化时刻测量当前端口物理链路的访问延迟，自适应动态调整接收缓冲区的水线阈值，从而降低流控原语HOLD的发送频率，提升STP链路的传输效率，避免缓冲区溢出导致的数据丢失。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获取。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1示出了根据现有技术的SAS控制器与多SATA设备互联的结构图。
图2示出了根据现有技术的SAS控制器读磁盘操作场景下数据传输流控方法的示意图。
图3示出了根据现有技术的STP传输层IDENTIFY DEVICE命令消息通信的典型流程图。
图4示出了根据本发明优选实施例的自适应流控方法的流程图。
图5示出了根据本发明优选实施例的自适应流控管理装置的引脚结构图。
图6示出了根据本发明优选实施例的自适应流控管理装置的运行时序图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有SATA标准协议中流控方法存在的缺陷，本发明的自适应流控方法和装置，通过在系统初始化时刻测量当前端口物理链路的访问延迟，自适应动态调整接收缓冲区的水线阈值，最优化接收缓冲区的配置。
典型的STP应用场景下，当SAS控制器完成链路识别、速率协商以后，在磁盘设备的初始化阶段，首先发送ATA类型的PIO读命令即IDENTIFY DEVICE命令(设备识别命令)获取磁盘设备的特征信息。通常，IDENTIFY DEVICE命令在SATA协议的传输层包含3个阶段FIS(Frame Information Structure，SATA传输层数据结构)的交互，如图3：
1.H1：SAS控制器向磁盘设备#N发送IDENTIFY DEVICE命令的H-D Register FIS，N为SAS控制器所连接的SATA磁盘的编号；
2.D1：磁盘设备#N准备就绪，发送应答帧PIO Setup FIS；
3.D2：磁盘设备#N返回磁盘特征数据Data FIS，典型的特征数据长度大小为一个扇区，通常512字节。
本发明的方法在上述D2阶段，结合典型命令IDENTIFY DEVICE的数据接收过程，对当前端口实施链路延迟的测量。在一个优选的实施例中，如图4所示，具体流程包括：
步骤S1：SAS控制器执行设备识别和速率协商，并与目标设备即Expander设备建立物理连接；
步骤S2：SAS控制器开启链路延迟的测量过程，发送PIO读命令IDENTIFY DEVICE到磁盘设备#N；
步骤S3：SAS控制器等待磁盘设备#N应答的Data FIS；如果收到Data FIS，则进入步骤S4，否则继续等待；
步骤S4：SAS控制器协议栈链路层收到Data FIS，主动触发流控程序，发送HOLD原语，同时启动延迟测量计时器；
步骤S5：SAS控制器协议栈链路层等待Expander设备应答的HOLDA原语；如果收到HOLDA原语，则进入步骤S6，否则继续等待；
步骤S6：在Expander设备所应答的HOLDA原语到达SAS控制器协议栈链路层时，SAS控制器停止延迟测量计时器，记录链路层延迟；
步骤S7：SAS控制器基于当前测量得到的链路延迟，计算接收缓冲区水线阈值；
步骤S8：判断当前硬件缓冲区深度是否大于计算得到的缓冲区水线阈值；如果是，进入步骤S9；如果否，进入步骤S10；
步骤S9：动态调整缓冲区水线阈值，最优化缓冲区配置；
步骤S10：如果测量得到的链路延迟过大，当前硬件缓冲区深度无法满足计算获得的水线阈值，则确定存在缓冲区溢出现象，上报错误；
本发明提出的上述自适应流控方法原理简单清晰、易于实现，能够有效兼容SAS应用场景下的各种连接结构，适用于多种不同物理速率，避免由于链路延迟不确定性造成的数据丢失问题。
图5说明了本发明的自适应流控管理装置的示例实现，自适应流控管理装置的各接口信号功能定义如下：
start：输入信号，使能所述流控管理装置，启动延迟测量和接收缓冲区阈值计算流程；
data_rxd：输入信号，SAS控制器协议栈接收到IDENTIFY DEVICE命令对应的DataFIS数据帧；
hold：输出信号，通知SAS控制器协议栈链路层进入流控状态，发送HOLD原语；
holda：输入信号，表示SAS控制器协议栈链路层接收到附着设备返回的HOLDA原语；
vld：输出信号，表示流控管理装置完成延迟测量和接收缓冲区的期望阈值的计算；
thrd[9：0]：输出信号，计算获得的接收缓冲区的期望阈值；
与图5的信号接口相对应，图6说明了根据本发明的自适应流控管理装置运行时刻的时序逻辑图。
事件T1：通过将start信号拉高，使能自适应流控管理装置，启动延迟测量和接收缓冲区阈值计算流程，复位装置内部延迟测量计时器counter；
事件T2：SAS控制器协议栈单元接收到Data类型FIS帧，将data_rxd信号拉高；
事件T3：自适应流控管理装置通过将hold信号拉高，触发SAS控制器协议栈链路层启动接收方向流控，链路层开始发送HOLD原语。同时，内部延迟测量计时器counter开始计数；
事件T4：SAS控制器协议栈链路层接收到对端设备应答的HOLDA原语，将holda信号拉高，通知流控装置停止内部延迟测量计时器counter的计数，锁存当前计时器数值t；
事件T5：通过将vld信号拉高，自适应流控管理装置计算得到接收缓冲区水线阈值thrd，通过thrd[9：0]信号输出水线阈值给SAS控制器实施接收缓冲区配置。
可见，本发明的上述方案通过在系统初始化时刻测量当前端口物理链路的访问延迟，自适应调整接收缓冲区的水线阈值，特别是在发送HOLD原语的同时启动延迟测量计时器，并在收到HOLDA原语的同时停止计数，接收缓冲区水线阈值的计算是基于当前链路延迟而得到，因此既能够避免缓冲区剩余空间水线阈值设置过低而导致的溢出和数据丢失，又能够避免缓冲区剩余空间水线阈值设置过高造成的存储空间浪费，从而将接收缓冲区的配置最优化。
需要说明的是，图4-6所示的流程或时序图仅用于说明而非限定本发明的技术方案。本领域技术人员可以理解，在本发明基础上可以根据实际需要而对磁盘阵列的结构以及流程细节、信号引脚等做出容易想到的任意调整，而不应将本发明限于上述示例的具体结构或参数。
除上述实施例所描述的SAS控制器与Expander设备之间的流控管理场景之外，本发明的构思同样适用于Expander设备之间的流控管理场景。
本发明合理利用现有SATA标准协议中的PIO读类型命令，在不引入新命令的情况下，以最小成本有效解决了SAS控制器接收缓冲区的水线阈值如何进行动态调整的问题，兼容现有SATA标准协议，完善了SAS控制器对STP应用场景的支持，对于提升SATA协议下数据传输的可靠性提供了有效支撑。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换：而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种支持STP应用的自适应流控方法，其特征在于，包括：
建立SAS控制器与目标设备之间的物理链路，
所述SAS控制器触发流控程序，在运行时刻实时测量链路层延迟，
基于所测量的链路层延迟，确定所述SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值，包括计算接收缓冲区水线阈值，并基于计算结果动态调整所述缓冲区的水线阈值，最优化缓冲区配置。
2.根据权利要求1所述的支持STP应用的自适应流控方法，其特征在于，所述触发流控程序，进一步包括：
SAS控制器等待来自SATA磁盘设备的Data FIS，当所述SAS控制器协议栈链路层接收到所述Data FIS时，主动触发流控程序。
3.根据权利要求2所述的支持STP应用的自适应流控方法，其特征在于，所述SAS控制器等待来自SATA磁盘设备的Data FIS之前，还包括：
所述SAS控制器发送ATA类型的PIO读命令IDENTIFY DEVICE到所述SATA磁盘设备。
4.根据权利要求1所述的支持STP应用的自适应流控方法，其特征在于，所述实时测量链路层延迟，进一步包括：
所述SAS控制器协议栈链路层发送HOLD原语，同时启动延迟测量计时器；等待目标设备应答的HOLDA原语，当所述HOLDA原语到达所述SAS控制器协议栈链路层时，所述SAS控制器停止所述延迟测量计时器，记录所述链路层延迟。
5.一种支持STP应用的自适应流控管理装置，其特征在于，包括：链路建立单元，用于建立SAS控制器与目标设备之间的物理链路，延迟测量单元，用于触发流控程序，在运行时刻实时测量链路层延迟，
阈值确定单元，用于基于所测量的链路层延迟，确定所述SAS控制器的接收缓冲区的水线阈值，包括计算接收缓冲区水线阈值，并基于计算结果动态调整所述缓冲区的水线阈值，最优化缓冲区配置。
6.根据权利要求5所述的支持STP应用的自适应流控管理装置，其特征在于，所述延迟测量单元进一步配置为：
等待来自SATA磁盘设备的Data FIS，当所述SAS控制器协议栈链路层接收到所述DataFIS时，主动触发流控程序。
7.根据权利要求6所述的支持STP应用的自适应流控管理装置，其特征在于，进一步包括读请求单元，用于在等待来自SATA磁盘设备的Data FIS之前，发送PIO读命令IDENTIFYDEVICE到所述SATA磁盘设备。
8.根据权利要求5所述的支持STP应用的自适应流控管理装置，其特征在于，所述延迟测量单元进一步配置为：
在所述SAS控制器协议栈链路层发送HOLD原语同时，启动延迟测量计时器；当所述目标设备应答的HOLDA原语到达所述SAS控制器协议栈链路层时，停止所述延迟测量计时器，记录所述链路层延迟。
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