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iSCSI技术白皮书 收藏 打印 推荐第1章背景技术1.1iSCSI概述2003年2月11日，IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）通过了iSCSI（Internet SCSI）标准，这项由IBM、Cisco共同发起的技术标准，经过三年20个版本的不断完善，终于得到了IETF认可。这吸引了很多的厂商参与到相关产品的开发中来，也推动了更多的用户采用iSCSI的解决方案。iSCSI，全称：Internet Small Computer System Interface，它是通过TCP/IP网络传输SCSI指令的协议。iSCSI协议参照SAM-3（SCSI Architecture Model3）制订。在SAM-3的体系结构，iSCSI属于传输层协议，在TCP/IP模型中属于应用层协议。1.2SCSI技术要了解iSCSI协议，首先需要了解SCSI。SCSI全称是Small Computer System Interface，小型计算机接口。SCSI是1979年由美国的施加特（Shugart）公司（希捷的前身）研发并制订，由美国国家标准协会（ANSI）公布的接口标准。SCSI Architecture Model（SAM-3）用一种较松散的方式定义了SCSI的体系架构。图1-1SCSI体系结构分解图SCSI Architecture Model-3，是SCSI体系模型的标准规范；它自底向上分为4个层次：l物理连接层（Physical Interconnects）如Fibre Channel Arbitrated Loop、Fibre Channel Physical Interfaces；lSCSI传输协议层（SCSI Transport Protocols）如SCSI Fibre Channel Protocol、Serial Bus Protocol、Internet SCSI；l共享指令集（SCSI Primary Command），适用于所有设备类型；设备类型l专用指令集（Device-Type Specific Command Sets）如块设备指令集SBC（SCSI Block Commands）；流设备指令集SSC（SCSI Stream Commands）；多媒体指令集MMC（SCSI-3 Multimedia Command Set）简单地说，SCSI定义了一系列规则提供给I/O设备，用以请求相互之间的服务用。每个I/O设备称为“逻辑单元”（LU），每个逻辑单元都有一个唯一的地址来区分它们，这个地址称为“逻辑单元号”（LUN）。SCSI模型采用客户端/服务器（C/S，Client/Server）模式，客户端称为initiator，服务器称为target，数据传输时，initiator向target发送request，target回应response，在iSCSI协议中也沿用了这套思路。图1-2SCSI设备服务和任务请求交互模型第2章iSCSI协议2.1iSCSI协议栈描述iSCSI是集成了SCSI协议和TCP/IP协议的新的协议。它是在SCSI基础上扩展了网络功能，也就是可以让SCSI命令通过网络传送到远程SCSI设备上，而SCSI协议只能访问本地的SCSI设备。iSCSI是传输层之上的协议，使用TCP连接建立会话。在initiator端的TCP端口号随机选取，target的端口号默认是3260。iSCSI使用客户/服务器模型。客户端称为initiator，服务器端称为target。Initiator：通常指用户主机系统，用户产生SCSI请求，并将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中发送到IP网络中。Target：通常存在于存储设备上，用于转换TCP/IP包中的SCSI命令和数据。 图2-1iSCSI协议栈2.2iSCSI通信模型iSCSI结构模型见下图，从图中可以看出，在iSCSI结构模型中的网络实体可以包含多个iSCSI节点（Initiator或者Target），而网络实体之间又通过网络入口（Network Portal）连接。2.3iSCSI名字规范iSCSI协议中，initiator和target是通过名字进行通信的，因此，每一个iSCSI节点（即initiator）必须拥有一个iSCSI名字。iSCSI协议定义了3类名称结构：1、iqn（iSCSI Qualified Name）格式是：“iqn”+“年月”+“.”+“域名的颠倒”+“:”+“设备的具体名称”，之所以颠倒域名是为了避免可能的冲突。举例：.h3c.rd:test2、eui（Extend Unique Identifier）eui来源与IEEE中的EUI，格式是：“eui”+“64bits的唯一标识（16个字母）”。64bits中，前24bits（6个字母）是公司的唯一标识，后面40bits（10个字母）是设备的标识。举例：eui.acde48234667abcd3、naa（Network Address Authority）由于SAS协议和FC协议都支持naa，iSCSI协议定义也支持这种名字结构。 naa的格式：“naa”+“64bits（16个字母）或者128bits（32个字母）的唯一标识”。举例：naa. 52004567BA64678D naa. 62004567BA64678D0123456789ABCDEF在实际使用过程中，iSCSI节点名称可以不这么复杂。第3章iSCSI协议会话交互过程3.1背景3.1.1会话和连接的概念1.会话（Session）Initiator和Target间的一组TCP连接，逻辑层概念（等价于SCSI规范中的I_T nexus）2.连接（Connection）Initiator和Target间的一个TCP连接，实体层概念（源地址:源端口号+目的地址:目的端口号唯一确定了一个TCP连接）iSCSI报文交互是在由连接构成的会话上进行的。iSCSI协议在设计的时候，为了提高性能，允许在1个会话包含多个连接，在会话建立过程中，第一个连接建立成功的同时会话也成功建立。3.连接忠贞（Connection Allegiance）在iSCSI协议中，有连接忠贞的概念：如果一个iSCSI请求是通过某个TCP连接（称为A）发送的，那么相应的应答以及其他相关的PDU必须在该连接（A）上发送。因此，虽然一个会话可以有多个连接，如果一个SCSI命令通过连接A发送出去，那么必须在连接A上得到回应。3.1.2会话类型和会话阶段iSCSI协议包括2种会话类型，每种会话类型又分为3个阶段。1.两种会话类型l发现会话（Discovery Session）用于发现指定的iSCSI网关上可用的Target，该会话建立后仅允许发送Text Command/Response，Logout Request/Response PDU，其他类型报文PDU一律拒绝，SessionType=Discovery；这种会话类型主要用在4.11中的第2种方法：“发现会话”。如果initiator只有target网关的地址，而没有target的名字，就需要使用Discovery类型的会话，发起会话建立请求。l正常操作会话（Normal Operational Session）没有任何限制的会话类型，SessionType=Normal。Initiator与target会话建立成功后，使用的会话类型就是Normal类型。2.每种会话类型又分三种会话阶段lSecurity Negotiation Phase 安全协商阶段0x00lLogin Operational Negotiation Phase 操作协商阶段0x01lFull Feature Phase 全功能阶段0x03安全协商阶段和操作协商阶段统称为登录阶段。Initiator和target只有到达全功能阶段后，才能进行数据读写操作。3.2发现会话（Discovery）Discovery会话主要用于initiator通过target portal发现所有的target，为接下来initiator与target连接作准备。3.2.1过程概述Discovery会话建立的过程主要分为以下几步：（1）、建立TCP连接（2）、进行安全协商（3）、进行操作协商（4）、获得可用资源（5）、关闭会话（6）、关闭TCP连接3.3正常操作会话3.3.1发现会话和正常操作会话的不同作用l实际的数据传输都是通过正常操作会话来进行，所以它和SCSI层的关系更为紧密，所有的PDU都可以在正常操作会话中传输l在发现会话建立初始化时，照例要进行login request/response（这点和发现会话的登录过程相似）l发现会话进入全功能阶段时，仅能传输Text Command和Logout Command，其他类型的报文会reject；而正常操作会话进入全功能阶段后，则开始包含SCSI指令的数据进行传输发现会话只是为了获得Target网关上可用的Target列表，其他什么事情也不干；而正常操作会话的建立才是为了实际的数据读写操作！发现会话是为正常会话服务的，通过发现会话，initiator可以获得target的名称和IP地址，从而与target建立正常会话。正常会话的建立过程与发现会话类似，下面着重介绍正常会话建立完毕后，SCSI读写过程。3.3.2SCSI读写过程1.数据读写准备过程数据读写之前，需要有一个读写准备的过程，这个过程中，initiator和target端的动作包括：lInitiator-Target:读写前的设备状态、大小查询uReport LUNSuInquiryuSCSI Read CapacityuSCSI Mode SenselTargetInitiator:uSCSI ResponseuSCSI Data InReport LUNS用于从I_T连接中获取逻辑单元的目录。INQUIRY命令用于请求逻辑单元和SCSI目标设备发送信息给申请用户。Read Capacity命令属于SCSI块命令（SBC），该命令请求设备服务器向输入缓冲区传输8字节的参数数据，用于描述直接存取块设备的存储介质的格式和容量。Mode sense命令用于申请用户指定存储介质、逻辑单元或外围设备参数给设备服务器Initiator向target发送上述信息后，target对这些信息进行回应。下面是以上命令的大致流程，它们之间并没有明确的顺序关系，所以下图实际上是4个流程的大致组合：2.SCSI读过程lInitiator-Target: SCSI Read（10）（ExpectedDataSegmentLength）lTarget-Initiator: SCSI Data In（Solicted data）lTarget-Initiator: SCSI Response (or included in the final Data In PDU)Initiator首先向target发送读请求，其中包含了需要读的数据长度；target收到请求后，向initiator发送Solicted data，最后target发出response报文（或者该response报文包含在最后一个Data-IN报文中）。3.SCSI写过程数据写有2种情况，一种是target需要确认状态；另外一种是target端不需要确认状态。一、需要确认状态的情况lInitiator-Target:读写前的设备状态查询和设置lInitiator-Target: SCSI Write（10）uExpectedDataLengthuImmediate DatalTarget-Initiator: R2TlInitiator-Target: SCSI Data OutuSolicited DatalTargetInitiator: SCSI Response二、不需要确认状态的情况lInitiator-Target:读写前的设备状态查询和设置lInitiator-Target: SCSI Write（10）uExpectedDataLengthuUnsolicited DatalTargetInitiator: SCSI Response3.4iSCSI错误恢复机制3.4.1可能的错误iSCSI协议中，将可能发生的错误归为3类：l协议错误；可能由程序引起，需要SCSI层重启会话来恢复lCRC校验出错；这一错误可能发生在头校验位或数据校验位；重新发送PDU可能修复该错误；lTCP/IP或链路连接错误；这一错误可以通过重启连接或将会话从失败的连接上移开来恢复3.4.2三种错误恢复级别根据3种可能发生的错误，有3种错误恢复级别lErrorRecoveryLevel=0（又称会话恢复级）不论出现什么样的连接错误，都会重启会话；CRC校验出错时，Initiator会中止会话并向SCSI层返回错误码；SCSI层将负责恢复错误lErrorRecoveryLevel=1（又称校验恢复级），如果需要，可以转向Leve