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摘要 s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 小型计算机系统接口) 是用于应用程序和存储设备之间传输数据的协议。s c s i 有一个主要的缺 陷是s c s i 总线长度有限。随着s a n ( s t o r a g e a r e an e t w o r k ，存储区域 网络) 技术的发展，提出了一些可以扩展s c s i 总线长度的协议，它们 有互联网光纤通道协议( i n t e r n e tf i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ，i f c p ) 、 基于i p 的光纤通道( f i b r ec h a n n e lo v e rt c p i p ，f c i p ) 、互联网小 型计算机系统接口( i n t e r n e ts m a l 1 c o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e ， i s c s i ) 。这些协议技术都要求使用发起端( i n i t i a t o r ) 和目标端 ( t a r g e t ) 来实现。发起端负责s c s i 命令的发起，目标端则负责接收、 处理s c s i 命令。通常我们把发起端和目标端所要做的主要工作作为一 个逻辑代码单元独立出来，称之为中间层( m i d l e v e l ) 。当前l i n u x 下已经实现了s c s i 发起端的中间层，它用来和各种发起端交互，但是 l i n u x 中并没有实现s c s i 目标端的中间层。本文通过对s c s i 协议和 i s c s i 协议的研究，为l i n u x 实现了s c s i 目标端中间层，并且在此基础 上实现了基于i s c s i 协议的s a n 。 关憎鱼：s 观。i s c 钮发越端，日标瑞 a b s t r a c t t h es m a l1 c o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e ( s c s i ) h a sb e e n t r a n s m i td a t ab e t w e e na p p l i c a t i o n sa n d s t o r a g ed e v i c e s u s e dt o o n eo f t h em a j o r1 i m i t a t i o n so fs c s ii st h el e n g t ho ft h es c s ib u s w i t h t h ee v o l u t i o no fs t o r a g ea r e an e t w o r k s ( s a n s ) ，s e v e r a lp r o t o c o l s h a v eb e e n p r o p o s e d t oe x t e n dt h el e n g t ho ft h es c s ib u se g ，i f c p ， f c i p ，i s c s l t h e s et e c h n o l o g i e sr e q u i r e st h eu s eo fa ni n i t i a t o r a n dat a r g e tt h a t i m p l e m e n tt h es a i dp r o t o c o l s t h ei n i t i a t o r i s s u e ss c s ic o m m a n dt h e n t a r g e tr e c e i v ea n dh a n d ei t a1 a r g e p o r t i o no fw h a ts u c hi n i t i a t o r so rt a r g e t sn e e dt od of r o mas c s i p e r s p e c t i v ec a nb ei s o l a t e di n t oal o g i c a lc o d eu n i tr e f e r r e dt o a sam i d l e v e l w h ilet h e r ee x is t si nt h el i n u xk e r n e las c s i i n i t i a t o rm i d l e v e lt h a td r i v e r sw r i t t e nf o rv a r i o u si n i t i a t o r s c a ni n t e r f a c ew i t h ，n o c o r r e s p o n d i n gm i d l e v e l e x i s t sf o rt h e t a r g e ts i d e t h i st h e s i si n v o l v e st h es t u d yo fi s c s ia n ds c s i p r o t o c o l ，t h ej m p l e m e n t a t i oo fs c s it a r g e tm i d - l e v e lf o rl i n u xa n d t h e i m p l e m e n t a t i o no f i ps a nb a s e do ni s c s i k 9v 眺：5 6 i ，湾6 工，m i t 撕，叼e 移 i 卜 浙江大学硕士学位论文 1 1 存储系统发展和需求 第一章绪论 近年来，随着i n t e r n e t 和i n t r a n e t 技术的广泛应用，对存储容量提出了越来越 庞大的要求，交易的信息量以令人难以置信的速度迅速增长，信息的存储己成为企 业的核心业务。而且，电子商务、电子邮件也对数据在可用性、可靠性、可扩展性 等方面提出了更加严格的要求。网络上大量的数据需要存储，如何简便、快速、安 全地存储这些数据，这对存储系统的容量和速度提出了空前的要求。又由于企业信 息系统环境的目趋复杂，能够提供多种信息处理系统的连接、信息保护、信息管理、 信息分享、具有弹性的存储架构已成为大趋势。传统的以服务器为中心的d a s ( d i r e c t a t t a c h e ds t o r a g e ，直接附属存储) 方式已不能满足用户的需要，越来越多的用户 已经从原来的以“服务器中心”模式转换为以“数据为中心”的n a s ( n e t w o r k a t t a c h t e ds t o r a g e ，网络附加存储) 和s a n ( s t o r a g en e t w o r k ，存储区域网络) 上。 除了i n t e r n e t 技术以外，在大型数据仓库的应用、大型c a d 设计系统、图形处理系统、 在线事务处理系统、宽带多媒体系统、电信综合业务系统中，s a n 技术都是人们翘首 期盼的突破。 1 2 当前存在的存储系统的结构 目前存储市场主要有三种存储解决方案：d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，直接 附属存储) 、n a s ( n e t w o r ka t t a c h t e ds t o r a g e ，网络附加存储) 、s a n ( s t o r a g e n e t w o r k ，存储区域网络) 。 1 2 1d a s d a s 一直接附属存储，是传统的存储模式。它通过s c s i 总线或光纤通道直接将存 储设备连接到服务器上。传统存储模式的缺点是： 1 s c s i 总线上最多支持8 个s c s i 设备，这限制了实现多个服务器到多个存储设备 的网络结构。 2 s c s i 总线的最大长度是2 5 米这个距离使存储的组织和分布结构受到很大限 制。 3 s c s i 是点到点的、直接连接计算机和存储设备的设备接口，它不适用于多路 浙江大学硕士学位论文 主机到存储的通信。 4 s c s i 点到点的传输方式，使得服务器之间的备份要通过局域网来传输数据 加大了带宽消耗。 1 2 2n a s n a s 一网络附加存储，即将存储设备连接到现有的网络上，提供数据和文件服务。 在n i s 存储结构中，存储系统不再通过i 0 总线附属于某个特定的主服务器( 数据库 服务器或应用程序服务器) 或客户机。n a s 设备完全独立于网络中的主服务器，可以 看作是一个专用的文件服务器。也就是说，客户机与存储设备之间的数据访问已不 再需要文件服务嚣的干预，允许客户机与存储设备之间进行直接的数据访问。在l a n 环境下，n a s 已经完全可以实现异构平台之间的数据级共事，比如n t 、u n i x 等平台之 间的共享。n a s 的基本结构如图1 1 所示： 以太网 圆 l i n u x ：e 作站 w i n d o w sn t ：e 作站n a s 设备 数据库服务器应用程序服务器 图1 1n a s 的基本结构 个n a s 设备包括处理器、文件服务管理模块和多个用于数据的存储的硬盘驱动 器。n a s 可以应用在任何的网络环境当中。应用服务器和客户端可以非常方便地在 n a s 设备上存取任意格式的文件，包括s m b 格式、n f s 格式5 阳c i f s 格式等等。n a s 设备 的操作系统可以根据应用服务器或者客户端计算机发出的指令完成对内在文件的管 理。n a s 设备将存储设备通过标准的网络拓扑结构连接，无需服务器可以直接上网。 n a s 设备采用了一个面向用户设计的、专门用于数据存储的简化操作系统，内置了与 网络连接所需的协议因此使整个系统的管理和设置较为简单。 与传统的存储设备直接和通用服务器相连的方法相比，n a s 系统具有以下优点： 折扛大学硕士学位论文 1 n a s 系统简化了通用服务器不适用的计算功能，仅仅为数据存储而设计，降低 了成本。并且，n a s 系统中还专门优化了系统硬软件体系结构，其多线程、多任务的 网络操作内核特别适合子处理来自网络的i o 请求，不仅响应速度快，而且数据传输 速率也更高。 2 由于是专用的硬件软件构造的专用服务器，不会占用网络主服务器的系统资 源，不需要在服务器上安装任何软件，不用关闭网络上的主服务器，就可以为网络 增加存储设备。安装、使用更为方便。并且，n a s 系统可以直接通过h u b 或交换机连 到网络上，是一种即插即用的网络设备。 3 由于独立于主服务器之外，因此对主服务器没有任何需求。如此可以可大大 降低主服务器的投资成本。 4 n a s 具有更好的扩展性，灵活性。存储设备不会受地理位譬的拘束，在不同地 点都可以通过物理连接和网络连接。 1 。2 3s a n s a n 一存储区域网络，即通过特定的互连方式连接若干台存储服务器组成的一个 单独的数据存储网络。s a n 是一种特殊的高速网络，它连接网络服务器和大磁盘阵列 或备份磁带库等存储设备。s a n 将存储网络和局域网分开，所有和存储相关的流量都 在存储网络上流动，从而不影响局域网性能。s a n 一般包括主机、存储、软件、网络 和服务，它将光纤通道集线器、交换机和网关等网络硬件与软件管理功能结合为一 体，各种设备和软件不论是否出自同一家公司都可以密切配合，随时随地的实现信 息的存储、访问、共享和保护。s a n 的基本结构如图1 2 。 毋毋毋 道 i i f 征太学硕士学位论文 圈i 2s a n 的基本结构 通过互连光纤通道交换机的高速网，连接了所有的服务器和所有的存储设备， 让多个主机访问存储设备跟各主机间互相访问一样方便。利用s a n ，不仅可以提供大 容量的存储数据，而且在地域上可以分散，并缓解了大量数据传输对于局域网的影 响。s a n 的结构允许任何服务器连接到任何存储阵列，不管数据置放在哪里，服务 器都可直接存取所需的数据。 传统的s a n 是基于光纤通道( f i b r ec h a n n e l ，f c ) 实现的，f c 是a n s i 为网络和 通道t o 接口建立的一个标准集成。s a n 利用在光纤通道协议上加载s c s i 协议来达到 可靠的块级数据传输，它主要支持h i pp i 、i p i 、s c s i 、i p 、a t m 等多种尚级协议。 s a n s n 其他网络一样将通讯协议与传输物理介质隔离开。这样多种协议可在同一物理 连接上同时传送，高性能存储体和宽带网络使用单i o 接口使得系统成本和复杂程度 大大降低。通过将多台大型交换机连接在一起，能够构建可提供数百个端口的s a n ， 适应增长型企业不断剧增的信息存储容量的需要。光纤通道支持多种拓扑结构，主 要有：点到点( l i n k ) 、仲裁环( f c a l ) 、交换式网络结构( f c x s ) 。 s a n 凭借着f c 技术的特性决定了它的诸多优势： i 在一些关键应用中，传输块级数据要求必须使用s a n 尤其是多个服务器共 同向大型存储设备进行读取。由于在数据传输时被分成小段，使s a n 对服务器处理的 依赖较少，可以有效地传送爆发性的块数据，s a n 的性能及可靠性就得到了充分的发 挥。 2 利用光纤通道速度快的优势通过局域网，s a n 可以作远程镜像，增强系统的灾 难防御能力及重建速度，实现远程灾难恢复。s a n 的传输速度高、距离远，使用e 3 信道，s a n 可以在不降低性能的同时将部件间的距离增加至1 5 0 k m 。 3 s a n 采用可伸缩的网络拓扑结构。用户可以在线添加删除设备、动态调整存 储网络以及将异构设备统一成存储池。通过具有较高传输的光纤通道连接方式，提 供s a n 内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，这样将数据存储管理集中在相对 独立的存储区域网内。 4 通过s a n 备份，降低经过l a n 备份的流量负载，减轻企业内部的带宽压力，提 高网络服务质量。 5 集中管理与整合储存设备资源，为企业节约大量管理时间与人力资源。 f cs a n 有一个固有的弱点，这个缺陷主要是由它的物理机理决定的。f cs a n 的 物理布线距离有限，容易形成s a n “孤岛”。 浙江大学硕士学位论文 1 3 n a s 和s a n 比较分析 1 3 1n a s 与s a n 的区别 传统的s a n 是基于f c 实现的而n a s j i 可以在以太网上实现。它们之间有以下一些 性能的差异： l _ 文件管理系统：n a s 和s a n 的一个区别就在于n a s 有文件操作和管理系统。s a n 结构中，文件管理系统( f s ) 分别在每一个应用服务器上；而n a s 贝i j 是每个应用服务 器通过网络共享协议( 如：n f s 、c i f s ) 使用同一个文件管理系统。 2 异构下的文件共享：n a s 设备自身带有存储操作系统，而s a n 去 j 没有这样的系 统功能，s a n 具有更强的数据功能。从这点上看，s a n 是一个独立的数据存储网络， 存储网络内部的数据传输率很快，但存储操作系统仍停留在主服务器端，用户只能 通过主服务器访问数据而不能直接访问s a n 的存储网络。 3 数据备份方式：n a s 没有解决与文件服务器相关的一个关键性问题，即备份过 程中的带宽消耗。与将备份数据流从l a n 中转移出去的s a n 不同，n a s 仍使用l a n 进行 备份和恢复。n a s 的一个缺点是它将存储事务由并 $ s c s i 连接转移到了网络上。也 就是说l a n 除了必须处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操作的存储 磁盘请求。而s a n 的备份数据流只在s a n 的存储网络上传输，在大量数据传输时减轻 了l a n 的负担。 4 文件读写实现：n a s 采用了n f s 沟通u n i x 阵营年u c i f s 沟通n t 与u n i x ，这也反映 了n a s 是基于操作系统的“文件级”读写操作，访问请求是根据“文件旬柄+ 偏移 量”得出。s a n 中计算机和存储间的接口是底层的块执议，它按照协议头的“块地址 + 偏移地址”来定位。从这点说，s a n 天生具有存储异构整合的存储虚拟化功能。 1 3 2n a s 与s a n 的统一 比较两者的优势，总的来说，s a n 对于高容量块级数据传输具有明显的优势，而 n a s a i 更加适合文件级别上的数据处理，而实际上s a n 年i n a s 之间的特点是互相补充的 存储技术。对于用户而言，通过n a s 可以更好的处理文件级信息而不占用应用服务器 的c p u 资源，并且n a s 可以经济地解决存储容量不足的问题，但性能上难以获得满意； 对于关键事务应用而言，需要大量的存储容量和商性能的传输模式，则s a n 提供了很 好的解决方案。 但这两种结构，都存在人们关注“信息孤岛”的现象，之前认为s a n 的诞生使得 n a s 信息孤岛可以共享，随着对网络存储的种种要求，s a n 也到达了另一种“孤岛” 浙江大学硕士学位论文 的现象。因此对s a n 的互连的呼声与日俱增。一些其他的信息技术趋势也已经驱使n a s 与s a n 的融合采用。如对提供更高的性能、高可靠性和更低的拥有成本的专有系统的 高增长要求。 目前，居于这种趋势，众多厂商纷纷推出了融合n a s s n s a n 的存储解决方案。虽 然每个方案都有自己的特色，总体来看，主墼可以分成两类：一种是“s a n + n a s 网 关”；另一种是“n e t a p p 统一存储系统”。 1 s a n + n a s 网关 n a s 网关通过i p 网络连接到基于光纤通道的存储上，架起一座连接n a s 与s a n 网络 的桥梁。n a $ 网关也就相当于s a n 网络之间的相连的“接口”，网关间可以连接以太 网交换机形成n a s 网络。这样，一个“s a n + n a s 网关”既可提供文件系统共享，有可 以提供高容量块级的综合应用。因此n a s 和s a n 融合可以说是帮助用户较全面地解决 了网络存储的应用问题。但这种方式也存在着缺点，在整个这样的系统中，有可能 存在两套不同的n a s 网关，这就造成管理的复杂程度加剧，并且彼此之间的空间无法 进行有效利用。因此，人们也提出n a s 网关只是n a s 和s a n 的融合这个概念的入门基 础的概念。n a s 网关的工作原理如图1 3 ： 图1 3 通过n a s 网关融合s a n 和n a s 的网络结构 图中，客户端从n a s 网关请求文件数据。 n a s 网关转换客户端请求，向s a n 存储阵列发送块数据请求。 s a n 存储阵列读取块数据，把它发送给n a s 网关。 浙江大学确士学位论文 n a s 关将块数据重新转换为文件数据发送给客户端。 客户端接收请求的文件。 n a s 网关通过i p 连接客户机可以以文件的方式访r s a n 上的块级存储。他主要通 过标准的文件共享协议( 如n f s 和c l f s ) 来处理来自客户机的请求。当n a s 网关收到 请求后，就把该请求转换为向s a n 中的存储阵列发出的块数据请求。存储阵列处理完 请求后，把处理结果发回给网关。这时n a s 网关将块信息转换为文件数据，再发给客 户机。要是把n a s 与i p 网络连接的n a s 网关连接在一台光纤交换机上，那么n a s 网关就 可以访问连接多个存储阵列的s a n 网络了。 n a s 网关由于支持不同的s a n 连接设备，可以组成多层存储，并且使用已有的管 理工具管理s a n 数据，因而优化和延长了存储资源的使用寿命。 2 n e t a p p 统一存储系统 真正的n a s 和s a n 的融合就是这单个存储既可以当n a s 也可以当s a n 存储设备来 用，其中的主要区别在于是用网线还是用光纤。一开始，n a s 完全表示利用i p 的文件 传送，而s a n 则表示光纤通道。后来在n a s 厂商n e t w o r ka p p l i a n c e 的努力下，n a s 设 备增添了光纤通道和i s c s i 功能后，n a s 看起来就很像s a n 了。而s a n 也由于本身的局 限，也基于i s c s i 技术标准开发了i ps a n 。区别就是决定于n a s 与s a n 混合结构中所采 用的协议了：i p 、光纤通道，或者i s c s i 。 对于n a s 设备来说，它本身具有操作系统和文件系统，实现网络存储仅仅是提供 协议的支持。这样，在同一个网络存储可以通过不同的接口卡完成对s a n 和n a s 的同 时支持，如通过以太网卡提供n a s 的访问服务，而同时又可以通过h b ag - 提供s a n 的访 问服务。这样实现的网络存储给s a n 的存储带来了一种简单化的实现方式。 1 4i ps a n 随着数据爆炸式的增加，给企业管理带来了很大压力，存储系统开始从直接连 接存储( d a s ) 向区域存储网络( s a n ) 转变。s a n 无疑是最好的选择。s a n 可以提高 灵活性、改善资产利用率、加大企业关键任务的数据保护能力，从而获得更多的利 益。但是f cs a n 基于f c 技术，其成本以及管理难度都让很多中小企业难以承受。另 一方面，s a n 本身技术的局限，由于它与应用网络的异构性，出现了s a n “孤岛”现 象。s a n “孤岛”由服务器、交换机以及存储设备组成，位于单一的地点。一些s a n 孤岛孤立的位于同一栋大楼内的不同楼层或者是不同部门之间。每一个小型s a n 可能 被用于不同的应用，或者被用于一家公司的独立部门之内。因此需要寻求一种新的 方式，以与应用网络相同的体系架构、技术标准去构造存储网。而无论从技术构造 浙江犬学硕士学位论文 还是经济成分角度分析，i ps a n 就成了理想的对象。 i ps a n 的优势有： l _ 在i p 网络上实现s a n ，利用了现有的以太网，相对于f c 网络而言，极大节约了 用户成本。 2 由于f c 网络传输距离的限制，每个f cs a n 都是一个s a n 孤岛，i ps a n f l 够整合 这些s a n 孤岛为一个更大的s a n ，实现了远程数据复制和灾难恢复。 3 i ps a n 建立在现有i p 网络的基础上，由于t c p i p 网络已经被广泛使用，管理 员可以容易掌握相关知识，同时也可以利用已有的网络管理工具，这样方便了网络 的管理并减少了培训和员工成本。 无论d a s 还是f cs a n 数据存储都是块数据传输，要让存储数据在i p 网络上实现块 传输就必须应用新的协议。目前主流的三种i p 存储协议，包括：互联网光纤通道协 议( i n t e r n e tf i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ，简称i f c p ) 和基于i p 的光纤通道( f i h r e c h a n n e lo v e rt c p i p ，f c i p ) 、互跃网小型计算机系统接口( i n t e r n e ts m a l lc o m p u t e r s y s t e m si n t e r f a c e ，简称i s c s i ) 。这三种协议的协议栈如图1 4 ： 1 4 ii f c p 图l _ 4i s c s i 、i f c p 、f c i p 的仂、议栈 互联网光纤信道协议( i n t e r n e tf i b r e c h a n n e lp r o t o c o l ，i f c p ) 是基于t c p i p 网络实现光纤信道( f i b r ec h a n n e l ) 功能的协议。i f c p 是网关到网关 ( g a t e w a y t o g a t e w a y ) 的协议，它利用t c p i p 交换和路由组件替代了f cs a n 的结 构组件，在i p n 络上实现现有的光纤通道设备互连。作为网关的i f c p n 以将光纤通 道r a i d 阵歹l j 、交换机和服务器连接到i p 存储网络上，通过t c p 协议来实现光纤通道帧 的传输及光纤通道标准所要求的服务。 浙江大学硕士学位论文 i f c p 的工作原理是：i f c p 将光纤通道数据封装在i p 包中并将i p 地l l k 映射到不同 的光纤通道设备上。每一台光纤通道设备在i p 网络上都有自己的身份标识，因此它 可以单独地向i p 网络中其他节点发送存储流和接收来自其他节点的存储流。i f c p 在 网关终结光纤通道信令，然后在i p n 络上传送存储传输流，同时每个f c 会话在本地 网关终止，通过i f c p 转换为t c p i p 会话。第二个网关或交换机接受这个i f c p 会话并 初始化个f c 会话。该协议把现有的f c 存储设备或s a n 附加到一个i p n 络中。这样 i f e p 就打破了传统f c 网络的距离限制。 当不同的f c 网互连时，每个i f c p 网关域都能作为一个自治系统独立运作，它的 操作配置对整个i p 网和其它i f c p n l 关域都是透明的。当位于i f c p 网关的两节点间进 行存储数据通信时，首先运用内部f c 协议，遍历多i f c p 网关的通信随后被封装进 i f c p ，然后映射到不同i p 地址，数据即可通过i p n 进行交换或路由传输了。透过i p 网进行通信的每对f i b r ec h a n n e l 节点问都确立一个分离i f c p 会话，使i f c p 精确地实 现了对q o s 参数的矫正。 通过运用t c p 拥塞控制、错误检测以及敌障修复机制，i f c p 可以在f c 网络中进行 完整的错误控制。所有情况下的错误控制都在会话层进行，因而不会对其它设备间 潜在的存储通信产生任何影响。 i f c p 的典型应用是用于s a n 对s a n 互连。这时f c 网连接到i f c p 网关，通信依次透 过城域网( m a n ) 或w a n 进行。 在安全性方面，这种新型i p 存储网标准整合了基本的分区、逻辑单元号隐蔽和 分区隔离技术，以及其它在i p 网中广为运用、形成产业标准的安全特性。i f c p 依赖 于i p s e c 提供认证、加密和数据完整性校验功能，并运用i p s e c 自动密钥管理仂、议i k m ( i n t e r n e tk e ym a n a g e m e n t ) 进行密钥安全创建和管理。 1 4 2i 配i p 基于i p 的光纤通道( f i b r ec h a n n e lo v e rt c p i p ，f c l p ) 是连接t c p i p 网络 链路上的光纤通道架构的协议标准。f c i p 通过在i p 网络的两个端点之间建立条隧 道来传输光纤通道数据。在发送端，帧被封装到t c p i p 之中。在接收端，i p 包解包 之后得到的光纤通道帧被发送给目标结构。这种技术是使用f c i p 网关来实现的，它 一般通过光纤通道交换机的扩展端口连接到每个s a n 上。所有前往远程地点的存储业 务均通过共同的隧道。接收端的光纤通道交换机负责引导每个帧前往适当的光纤通 道端点设备。 多存储会话可以同时通过f c i p 隧道，尽管在隧道的会话之间没有任何区别。从 i p 网络角度而言，f c i p 隧道是透明的。i p 网络管理工具可以在隧道的任何一侧监测 浙江大学硕士学位论文 网关，但不能监测在隧道内移动的个别光纤通道事务。因此这些工具在隧道的每侧 都会观察到两个f c i p 网关，但它们之间的通信就像是在单一源点和目的地之间，而 不是在多个存储主机和目标之间。 连接光纤通道交换机可以创建一个类似于桥接l a n 或其他二层网络的单一光纤 通道架构。这意味者连接两个远程站点与f c i p 网关可以创造一个延伸数英里的光纤 通道架构。这样保存了远程站点之间的光纤通道操作，但可能使桥接f a b r i c 容易受 到f a b r i c 重新配置或过度的基于f a b r i c 的广播的攻击。 f c i p 网关针对每条隧道链路通常成对出售。例如，将a 站点与b 站点连接起来将 需要一对网关，而将a 站点与c 站点连接起来将需要额外的一对网关。f c i p 更适合点 对点连接，而非多点连接。因为f c i p 只是封装和解开i p 中的光纤通道帧，所以厂商 区别其网关的方法很少。因此某些制造商正在将f c i p 网关作成嵌入光纤通道交换机 的刀片。 在管理上，f c i p 使用了服务定位协议( s l p ) 来确定i p 网络中的f c i p 网关。由于 f c i p 网关较少，s l p 提供了种合适的检查表方法。i s c s i 千n i f c p 可以使用s l p ，但对 于更复杂的环境，i n t e r n e t 存储名称服务器( i s n s ) 是首选。f c i p 网关不支持i s n s 。 在安全上，i p s e c 提供了验证、加密和数据完整性。f c i p 也使用i p s e c 的自动密 钥管理协议和i n t e r n e t 密钥管理来处理安全密钥的创建和管理。 1 4 3i s c s i i s c s i - - i n t e r n e ts c s i ，是一种在i n t e r n e t 协议网络上，特别是以太网上将s c s i 数据块映射成以太网数据包进行数据块传输的标准。从根本上说，i s c s i 协议是一 种跨过i p 网络来传输s c s i 数据块的方法。它由c i s c o 和i b m 等公司发起的，并且 得到了i p 存储技术拥护者的大力支持。与光纤通道技术相比，i s c s i 比光纤通道有 更好的可扩展发现和登录机制。i s c s i 可以利用i p 网络中使用的身份验证和加密机 制。i s c s i 的优势还在于可以利用现有的i p 网络设施。 在2 0 0 3 年2 月i e t f 批准i _ s c s i 协议标准之前，光纤通道技术在s a n 实现中是 占统治地位的技术。但是其架构需要高昂的建设成本，远非一般企业所能够承受。 与之相比，n a s 技术虽然成本低廉，但是却受到带宽消耗的限制，无法完成大容量 存储的应用，而且系统难以满足开放性的要求。基于i s c s i 技术构建的s a n 把存储 设备和服务器与应用普通互联网协议建立起来的网络结合在了一起，而不是使用速 度更快但是价格更昂贵、更复杂的光纤通道技术，为众多中小企业对经济合理和便 于管理的存储设备提供了直接访问的能力。 i s c s i 具有低廉、开放、安全等诸多优点，随着新技术标准的制定，必将成为网 浙江大学硕士学位论文 络存储领域内的核心技术之一。但是，我们也应当看到它存在着一些先天不足。首 先，i s c s i 封装的是s c s i i 办议，与其他的存储协议如光纤通道协议不兼容，因此与目 前流行的光纤通道s a n 的融合问题还没有解决。其次，从广域网来说，速度仍不理想。 如果i s c s i 能够解决在i p 网络上占用过多带宽的限制，并有效实施差错控制，届时i p 存储将成为存储领域最具希望的发展方向。此外，i s c s i 相关技术和产品正处于发展 阶段，用户可选择的余地较小。本论文主要研究在l i n u x 下i s c s i 的实现方案和设计。 l i n u x 下的i s c s is a n 的实现包括s c s i 发起端和s c s i 目标端。在l i n u x 内核2 4 中， 对s c s i 发起端提供了较好的支持，本文把研究精力主要放在s c s i 目标端模拟设计上。 s c s i 目标端模拟程序将s c s i 目标端分成s c s i 目标端中间层和s c s i 目标端前端驱 动程序。s c s i 目标端中间层处理s c s i 命令需要的信息并把它传输给下层的s c s i 协议 做相应的i o 操作。s c s i 目标端前端驱动程序负责封装解开s c s i 命令来实现s c s i 命 令在网络上的传输。本文是在i s c s l 基础上实现s a n ，所以这里的s c s i 目标端前端驱 动程序就是i s c s i 目标端。这种设计方案的好处有：通用性好，不同的s c s i 传输协议 ( i s c s i ，p c 等等) 可以在其之上结合和共存，同时充分利用业已存在的l i n u x 内核机 制，比如说t c p i p 协议栈和s c s i 子系统。本文还给出了两个模块完成s c s i 读、写过 程所需要的a p i 第二章s m a ll c o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ( s c s i ) 2 1 s c s i 介绍 s m a l lc o m p u t e r s y s t e mi n t e r f a c e ( s c s i ) 执议实现了高效的端到端i o 总线， 该总线最多可以连接8 个设备。设备的实现和电缆的长度决定了数据是否可以异步 传输。总线支持i o m b s 的异步传输速率，如果数据传输宽度是3 2 位时，最多可以 达到4 0 m b s 。 在s c s i 出现之前，计算机中每增加一个新的外设。计算机必须先进彳亍配置，然 后操作硬件完成新设备的数据读写。在计算机硬件和软件逐步完善的同时，经常会 出现新的外设。s c s i 的出现主要是实现计算机和设备完全独立。也就是说磁盘对于 计算机来说除了容量不同，没有什么不一样的。所有的打印机都和c d r o m 一样。当 系统中的设备被不同产商的设备替代了，系统并不需要进行任何改变。这对开发商 来说，他们不再需要为新的设备编写i 0 驱动程序，这样大大减少了设备发展周期。 s c s i 最初是1 8 m - 3 6 0 计算机的通道选择器，在s h u g a r ta s s o c i a t e s 公司扩展 后成为一种通用的智能磁盘驱动接e 1 1 。最初称为s h u g a r ta s s o e i a t e ss y s t e m s i n t e r f a c e ( s a s i ) 。s c s i 在1 9 8 6 年成为a n s i 标准。一些生产商联合成立了x 3 t 9 2 任务组，该任务组增加了s c s i 的强制性要求并为直接存取设备定义了更多的特征。 x 3 t 9 2 成立的a dh o c 组给出了通用命令集( c o m m o nc o m m a n ds e t ，c c s ) 工作报告， 很多磁盘产品都根据该工作报告要求设计以和s c s i 标准相结合。在c c s 发展的同时， x 3 t 9 2 扩展了s c s i 标准，称为s c s i 一2 。s c s i 一2 标准包含了c c s ，并把c c s 扩展到 所有类型的设备上。另外s c s i 一2 中增加了缓存命令提高性能，以及其他一些功能。 虽然s c s i 一2 在s c s i 基础上有很大扩展，但是s c s i 一2 和s c s i 高度兼容。目前s c s i 一2 支持磁盘、光盘、磁带、打印机、处理器、c d r o m s ，扫描仪等设备。 2 2s c s i 的阶段 s c s i 总线上有两种设备：s c s i 发起端( s c s ii n i t i a t o r ) 设备和s c s i 目标端 ( s c s it a r g e t ) 设备。这里讲的s c s i 发起端和s c s i 目标端和后面实现章节的s c s i 发起端和s c s i 目标端有所区别，这里是指硬件设备，后面指的是软件实现。s c s i 发起端负责发起i o 进程，它相当于传统c l i e n t s e r v e r 模式的c l i e n t 端，一般来 说是s c s ih b a 。s c s i 目标端负责响应请求执行i 0 操作，它相当于传统 c l l e n t s e r v e r 的s e r v e r 端，一般来说是磁盘。在相互连接的设备中，至少要有一 个设备作为s c s i 发起端设备，一个作为s c s i 目标端设备。互连的s c s i 设备之间使 用s c s i 总线传输数据。s c s i 发起端设备和s c s i 目标端设备之间的一个事务由8 个 不同的阶段( p h a s e ) 组成，这些阶段主要由目标端决定。8 个阶段以及控制阶段的 5 个总线信号如表2 1 。 s e lb s ym s gc ，d i op l i a s e h i g hh i g hh i g h l o w h i g h l o wh i g h l o wb u sf r e e h i g hl o wh i g h l o w h i g h l o wh i g h l o wa r b i t r a t i o n i & th i g h l o wh i g h l o wh i g h l o w s e l e c t i o n ti & t h i g h l o wh i g h l o wh i g h l o wr e s e l e c t i o n h i g hl o wh i g hh i g hh i g h d a t ao u t h i g hl o wh i g h h i g hl o wd a t ai n h i g hl o wh i g hl o wh i g hc 0 m 情n d ht g hl o wh i g hl o wl o w s t a t u s h i g hl o wl o wl o wh i g hm e s s a g eo u t h i g hl o wl o wl o wl o w m e s s a g ei n 每个阶段的描述如下： 1 b u sf r e e 阶段 b u sf r e e 阶段表示s c s i 总线上没有i o 进程，s c s i 总线空闲。s c s i 设备确认 s e l 信号和b s y 信号为f a l s e 长达4 0 0 n s 时进入b u sf r e e 阶段。进入b u sf r e e 阶 段8 0 0 n s 后s c s i 设备释放所有总线信号。 2 a r b i t r a t i o n 阶段 当有s c s i 设备要获取s c s i 总线的控制权时进入a r b i t r a t i o n 阶段。只有总线 从b u sf r e e 阶段进入a r b i t r a t i o n 阶段才可以进行仲裁过程。参与仲裁设备先在 d a t a 总线上激活自己的s c s i1 d 。仲裁机制根据s c s i 设备优先级的高低分配总线控 制权，s c s i 设备i d 越大优先级越高。 3 s e l e c t i o n 阶段 a r b i t r a t i o n 阶段之后，获取s c s i 总线控制权的设备，即s c s i 发起端设备确认 d a t a 总线上的s c s i 目标端设备的s c s ii d 。目标端通过上升b s y 信号线表示接受发 起端的选择。b s y 信号线在发起端和目标端相连接的过程中始终保持不变。 4 r e s e l e c t i o n 阶段 s c s i 协议允许设备在处理请求时和总线断开连接。如果设备重新连接到总线上， 它会和主机适配器( h o s ta d a p t e r ) 重新建立连接。r e s e l e c t i o n 阶段和s e l e c t i o n 阶段类似，唯一不同的是它用于断开的目标端设备重新连接原来的发起端设备。所 有驱动程序都应该支持r e s e l e c t i o n 阶段。这样多个s c s i 设备可以同时处理命令， 同时无形中增加了交叉存取i o 请求的流景。 5 c o m m a n d 阶段 c o m m a n d 阶段发起端传输6 、1 0 、1 2 字节的命令信息给目标端。 6 d a t ao u t 和d a t ai n 阶段 d a t ai n 阶段和d a t ao u t 阶段统称为d a t a 阶段。d a t ao u t 阶段数据从s c s i 发 起端设备发送到s c s i 目标端设备。d a t ai n 阶段数据从s c s i 目标端设备发送到s c s i 发起端设备。如果s c s i 命令没有请求数据传输，d a t a 阶段可以忽略。 7 s t a t u s 阶段。 所有命令完成后进入s t a t u s 阶段。该阶段中s c s i 目标端设备发送命令状态字 节给s c s i 发起端设备。一共有9 个种状态，见表2 2 。状态字节在检查前状态码需 要和o x 3 e 做与操作。 状态码状态 o x 0 0g o o d o x 0 2c h e c kc o n d i t i o n o x 0 4c o n d i t i o nm e t o x 0 8b u s y o x i oi n t e 肼e d i a t e o x l 4i n t e r m e d i a t e c o n d i t i o nm e t o x l 8r e s e r v a t i o nc o n f l i c t 0 x 2 2c o m m a n dt e r m i n a t e d 0 x 2 8q u e u ef u