| 1 引言
2003年2月,IETF（Internet Engineering Task Force,互聯(lián)網(wǎng)工程任務組）通過了由IBM和Cisco共同發(fā)起的iSCSI（Internet Small Computer System Interface）標準,使這項歷經(jīng)三年、修改了20個版本的技術(shù)標準終于塵埃落定。該技術(shù)將存儲設(shè)備、服務器同采用普通的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的網(wǎng)絡(luò)連接起來,以取代快速、昂貴的光纖技術(shù)。并且由于iSCSI技術(shù)所具有的優(yōu)勢,其未來的發(fā)展已經(jīng)被許多廠商看好,并先后推出了相關(guān)的產(chǎn)品,以表明對iSCSI標準的支持。標準的通過,無疑將吸引更多的廠商參與到iSCSI相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)中,同時也將促使更多的用戶采用iSCSI解決方案構(gòu)建自己的存儲系統(tǒng)。
iSCSI是一個供硬件設(shè)備使用的可以在IP協(xié)議的上層運行的SCSI指令集。簡單的說,iSCSI可以實現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上運行SCSI協(xié)議,特別是以太網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)塊（block）傳輸?shù)臉藴?使其能夠在諸如高速千兆以太網(wǎng)上進行路由選擇。它是由IBM下屬的兩大研發(fā)機構(gòu)：加利福尼亞Almaden和以色列Haifa研究中心共同開發(fā)的現(xiàn)今,許多網(wǎng)絡(luò)存儲提供商致力于將SAN（Storage Area Networking 存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）中使用的光纖通道設(shè)定為一種實用標準,但是其架構(gòu)需要高昂的建設(shè)成本,遠非一般企業(yè)所能夠承受。與之相比較,NAS（Network Attached Storage 網(wǎng)絡(luò)接入存儲）技術(shù)雖然成本低廉,但是卻受到帶寬消耗的限制,無法完成大容量存儲的應用,而且系統(tǒng)難以滿足開放性的要求。而且隨著可視電話、無線視頻通信等各種應用對計算機I/O帶寬需求的不斷增長,傳統(tǒng)的并行SCSI（Small Computer System Interface）總線的長度限制,使我們不得不考慮如何通過某種串行化模式來克服并行SCSI總線的這種局限性。
iSCSI的使用正好使上述問題迎刃而解,其基于IP協(xié)議,卻擁有SAN大容量集中開放式存儲的品質(zhì)。這對于一邊要面對信息爆炸,另一邊卻身處"數(shù)據(jù)孤島"的眾多中小企業(yè)無疑具有巨大的吸引力。依仗目前被廣泛采用的SCSI存儲標準和成熟的TCP/IP協(xié)議,iSCSI標準的出現(xiàn)和它的優(yōu)越性和經(jīng)濟性,使其有著廣泛的市場和應用前景,勢必引發(fā)一場通信網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的變革。 2 iSCSI的體系結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)概況
2.1 iSCSI的體系結(jié)構(gòu)
iSCSI的目標是建立完全同構(gòu)的IP SAN,讓客戶利用完全相同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施--以太網(wǎng)和IP,同時滿足網(wǎng)絡(luò)通信和存儲骨干方面的應用需求。
iSCSI存儲網(wǎng)主要由iSCSI請求方（如文件服務器）和iSCSI目標方（如磁盤陣列和磁帶子系統(tǒng)）組成,體系結(jié)構(gòu)如圖1。
2.2 iSCSI的簡要工作原理
iSCSI協(xié)議最大的優(yōu)勢在于它是依托于TCP/TP協(xié)議棧的,從理論上來說,任何兩臺具有TCP/IP主機都可以通過iSCSI協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備級共享。也就是說,無論距離多遠、無論中間是何種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì),也無論連接的兩端主機運行的是何種操作系統(tǒng),iSCSI都可以實現(xiàn)跨平臺的設(shè)備級共享。iSCSI發(fā)起端和目標端都有自己的命名規(guī)范,每一個發(fā)起端和目標端都有一個WWUI(世界唯一標識符),WWUI是獨立于發(fā)起端和目標端的位置的。iSCSI目標端擁有名字和地址,iSCSI地址唯一標識了到達iSCSI目標端的路徑,WWUI是地址的一部分。iSCSI地址形式規(guī)定位和URL一樣,如:<domain-name>[:<port>]/<wwui>.iSCSI發(fā)起端和目標端之間的會話(session)必須經(jīng)過iSCSI登錄過程才能夠建立。iSCSI登錄階段用于兩iSCSI實體間協(xié)商變量參數(shù),也可能會引起某種安全驗證,以確保連接的安全性。若iSCSI登錄階段成功,目標端會發(fā)出“接受登錄”給發(fā)起端,否則拒絕登錄并關(guān)閉TCP連接。登錄完成之后,iSCSI會話就進入全雙工階段(FullFeaturePhase),開始正常的SCSI交互。并且iSCSI在系統(tǒng)之間的連接是通過標準的IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)的,而不是通過SCSI線纜或Fibre Channel。SCSI命令的生成表示可以通過啟動器上的軟件以標準的TCP/IP和現(xiàn)成的NIC完成。但是,由于處理TCP/IP協(xié)議時需要占用很多CPU資源,所以這樣的“軟”實現(xiàn)方法在性能上會有缺陷。有了iSCSI HBA（Host Bus Adapter,主機總線適配器）后,這個問題就解決了,HBA可以分擔協(xié)議的處理,放入千兆以太網(wǎng)HBA的固件中。這樣可以大大降低對CPU資源的占用率,為應用程序的處理釋放出了更多的CPU周期。圖2展示出了iSCSI、TCP和IP堆棧分別在千兆以太網(wǎng)HBA上駐存的位置。用TCP/IP卸載引擎實現(xiàn)的HBA有可能在CPU資源占用率不到10％的情況下達到線路速率。
2.3 iSCSI的工作流程
iSCSI的工作是按以下流程進行工作的：
1) 應用程序或用戶發(fā)出對數(shù)據(jù)、文件或應用程序的請求;操作系統(tǒng)生成SCSI命令和數(shù)據(jù)請求;命令和請求被封裝起來并加上信息包標題;信息包在以太網(wǎng)連接線路上發(fā)送;
2) 在接收端,將信息包分解,或者如果信息包原來是經(jīng)過加密的話就對其解密,把SCSI命令和數(shù)據(jù)分離;
3) 將SCSI命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給存儲設(shè)備。同樣,將數(shù)據(jù)返回,以響應使用iSCSI協(xié)議的請求。
圖3為其工作流程示意圖。
2.4 iSCSI的協(xié)議模型
我們知道,任何一個協(xié)議都有其層次性架構(gòu),iSCSI也不例外,它也有一個清晰的層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)OSI模型,iSCSI的協(xié)議棧如圖4所示。
圖5則顯示了數(shù)據(jù)通過iSCSI協(xié)議傳輸?shù)姆庋b情況,從圖5可以看出,iSCSI協(xié)議對數(shù)據(jù)封裝與TCP/IP協(xié)議對數(shù)據(jù)的封裝區(qū)別不大,惟一的區(qū)別只是在數(shù)據(jù)域之前增加了一層封裝,這種封裝就是iSCSI封裝。
2.5 iSCSI協(xié)議功能組件劃分
iSCSI協(xié)議規(guī)范確定了iSCSI協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)上的可靠傳輸,包括尋址和命名慣例、會話管理、差錯處理和安全。
1) 尋址和命名慣例
iSCSI設(shè)備有獨立的網(wǎng)絡(luò)實體,因為它是IP網(wǎng)絡(luò)的參與者,這種網(wǎng)絡(luò)實體可以有一個或幾個iSCSI節(jié)點,如圖6所示。
在網(wǎng)絡(luò)實體中,iSCSI節(jié)點是SCSI設(shè)備的標識符,每個iSCSI節(jié)點都有一個獨一無二的名稱（其長度最多可以達255個字節(jié)）,這種名稱是根據(jù)Internet節(jié)點的命名規(guī)則進行組織的,并可由DNS系統(tǒng)處理。iSCSI名稱提供了一個iSCSI設(shè)備物理位置的正確標識,從而可以更方便地將IP地址和TCP端口進行綁定,同時可以處理設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。iSCSI協(xié)議和iSCSI命名機制支持別名的使用,這樣系統(tǒng)管理員就可以更好地管理iSCSI設(shè)備。
2) 會話管理
通過特殊的命令,iSCSI會話包括兩個階段：登錄階段和工作階段。
iSCSI的登錄階段等同于Fibre Channel端口登錄過程,該過程是用來在兩個網(wǎng)絡(luò)實體調(diào)節(jié)中調(diào)整各種參數(shù)并確認啟動器的訪問權(quán)限。如果iSCSI登錄階段成功完成,目標器將確認啟動器的登錄,否則登錄將不被確認,同時TCP連接中斷。
登錄一旦確認,iSCSI會話將進入正常工作階段。如果建立了多個TCP連接,iSCSI將要求每個命令/響應對應一個TCP連接。但是,不同的數(shù)據(jù)傳輸可以在一個會話中通過不同的TCP連接。
在數(shù)據(jù)傳送端,啟動器發(fā)送/接收最新的數(shù)據(jù),而目標器在完成數(shù)據(jù)傳輸后發(fā)送確認響應。iSCSI注銷命令用來完成一個會話,它也會發(fā)送在出現(xiàn)連接錯誤的時候,實現(xiàn)連接中斷處理。
3) 差錯處理
在IP網(wǎng)絡(luò),特別是在WAN中,數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤是經(jīng)常出現(xiàn)的,iSCSI協(xié)議需要提供錯誤處理機制。要實現(xiàn)錯誤的處理與恢復,啟動器和目標器在命令確認前,都要有命令緩沖的功能。各終端要保證在協(xié)議數(shù)據(jù)單元丟失或損壞后可以恢復原來的數(shù)據(jù)。
4) 安全性
因為iSCSI是用來在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù),所以iSCSI協(xié)議規(guī)范考慮到了許多安全性方法。iSCSI的加密是在下層實現(xiàn),從而不需要iSCSI終端設(shè)備之間建立特別的握手協(xié)議,這些對上層是透明的。對于其他認證的實現(xiàn),如公有/私有密鑰的交換,iSCSI登錄階段就提供了終端設(shè)備之間都支持的握手協(xié)議的文本域。如果握手成功,iSCSI設(shè)備之間的PDUs交換將按照適當?shù)陌踩蟾袷綄崿F(xiàn)。 3 iSCSI亟待解決的問題
iSCSI標準剛剛獲得批準,在今后的發(fā)展道路上肯定還存在許多亟待解決的問題。首先,iSCSI的發(fā)展需要時間。iSCSI技術(shù)誕生的時間不長,標準不是很清晰,還沒有100%獲得認同,技術(shù)還要進一步成熟;技術(shù)上,iSCSI要求不同的操作系統(tǒng)有內(nèi)置的支持,而不是目前這種通過軟件來實現(xiàn)的方式;性能上,iSCSI加速網(wǎng)卡目前還沒有實現(xiàn)規(guī)模市場化,價格很高,無法普及。這些都需要一個發(fā)展過程。
iSCSI技術(shù)的兼容性是業(yè)界目前關(guān)注的一個問題,是iSCSI發(fā)展的關(guān)鍵。
目前iSCSI支持的前端服務器平臺相對有限,FC的支持平臺及產(chǎn)品較多,而iSCSI支持平臺較少,可選擇的產(chǎn)品也不多,實施較復雜;解決了這一障礙,iSCSI技術(shù)就會快速發(fā)展。
在試用中,發(fā)現(xiàn)了這樣一個問題：雖然iSCSI能在普通IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸SCSI控制命令,但對遠端的存儲設(shè)備進行訪問時,即使在100Mbps的網(wǎng)絡(luò)上仍然達不到我們所期望的速度。如果要發(fā)揮出SCSI設(shè)備的高速度,還需要更寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。iSCSI的性能,網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響iSCSI性能的直接因素,所以建立基于Iscsir 網(wǎng)絡(luò)存儲環(huán)境同時也增加了對千兆以太網(wǎng)的需求。在高速的網(wǎng)絡(luò)上采用iSCSI這樣的分布式數(shù)據(jù)存儲,可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的使用率,提高系統(tǒng)的整合性,便于集中管理,降低運行成本。 4 應用前景
iSCSI是網(wǎng)絡(luò)存儲領(lǐng)域最活躍的研究方向之一,它建立在存儲領(lǐng)域和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應用最廣泛的兩個協(xié)議的基礎(chǔ)上,因此,可以利用已有的大量的研究成果來實現(xiàn)一個高性能的存儲網(wǎng)絡(luò)。同時,iSCSI可以利用現(xiàn)有的Ethernet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基于TCP/IP存儲網(wǎng)絡(luò),將大大地減少企業(yè)在存儲方面的開支,特別是在需要用到大量存儲設(shè)備的電信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上應用iSCSI,將能大幅度提高電信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和安全性能,極大地降低營運成本。雖然iSCSI尚存在上述問題,而隨著深入研究和技術(shù)的進步,這些問題將很快地完全解決,在走向未來將廣泛應用的存儲新技術(shù)——iSCSI的前面,必將是一條飛速發(fā)展的光明大道。 |
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