（计算机应用技术专业论文）基于iscsi存储集群的研究与设计.pdf

南京航空航天大学硕十学f = 论文 摘要 随着信息飞速增长，高效存储与提高系统的可用性成为亟待解决的问题。为了解决上述问 题，本文对基于i s c s i 的存储集群系统进行了研究与设计。首先对i s c s i 协议进行了研究分析， 接下来对存储集群的各种工作模式、存储架构以及关键技术进行了研究，最后根据两者的特点 提出了i s c s i 协议与存储集群相结合的高性能、低成本的存储解决方案，设计并实现了基于 i s c s i 存储集群的两个原型系统：i s c s i s c s n a 与i s c s i s c s s a 。 在i s c s i 方面，重点分析了其协议模型、应用价值。在存储集群方面，首先通过建立双机 模式的可用性模型，从理论上论证了双机模式在可用性方面的突出贡献，其次对实现集群的各 种关键技术进行了研究与设计。通过提出一种自适应于计算机c p u 的新型心跳算法与自检和互 检相结合的心跳检测方式来完成对心跳检测模块的设计。故障接管则使用a r p 欺骗原理来实 现。数据镜像系统工作在l v m 之上，是基于卷的复制，它使用同步复制协议实现实时镜像， 具体实现时通过设立一个日志区对正在处理的写数据进行保存与管理。对单一映像文件系统进 行设计时，主要通过提出锁结构的定义、锁管理的规则来实现分布式锁管理机制。通过各模块 的相互协作，最终实现了i s c s i s c s n a 与i s c s i s c s s a 给出的系统目标、软硬件的设计方案。 最后对系统性能进行了分析与测试。 关键字：i s c s i ，存储集群，心跳检测，故障接管，数据镜像，单一映像文件系统， 分布式锁管理 基于i s c s i 存储集群的研究与设计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n f o r m a t i o n ，t h em e t h o d ，w h i c hm a k e ss t o r a g em o r ee f f e c t i v ea n d s y s t e mh i g h e ra v a i l a b i l i t y , i st ob es o l v e da sap r o b l e m i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h e i s c s i - b a s e ds t o r a g ec l u s t e rs y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r o t o c o lo f i s c s i ，r e s e a r c h e st h es t o r a g ec l u s t e ra b o u tw o r k i n gp a t t e r n s ，s t o r a g ea r c h i t e c t u r e s ，a sw e l la sc r u c i a l t e c h n o l o g i e s ah i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o w - c o s ts t o r a g es o l u t i o n ，w h i c hi n t e g r a t e st h ei s c s lw i t h s t o r a g ec l u s t e r , i sp r e s e n t e d ，t h ep r o t o t y p e s o f i s c s i - b a s e d s t o r a g ec l u s t e r , i n c l u d i n g i s c s i s c s n a ( i s c s i - b a s e ds t o r a g e c l u s t e rw i t hs h a r e n o t h i n ga r c h i t e c t u r e ) a n d i s c s i s c s s a ( i s c s i - b a s e ds t o r a g ec l u s t e rw i t hs h a r es t o r a g ea r c h i t e c t u r e ) ，a r ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e da tl a s t o nt h eo n eh a n d ，w ea n a l y z et h ep r o t o c o lm o d e la n da p p l i c a t i o nv a l u eo fi s c s i ，o nt h eo t h e r h a n d ，a na v a i l a b i l i t ym o d e li se s t a b l i s h e df o rp r o v i n gt h ep r o m i n e n tc o n t r i b u t i o no ft h ed u a l - c o m p u t e r i na v a i l a b i l i t ya tf i r s t ，t h e n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fs t o r a g ec l u s t e ra r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h e h e a r t b e a tm o d u l ei si m p l e m e n t e db yan o v e lh e a r t b e a ta l g o r i t h mw h i c hc h a n g e si t sh e a r t b e a tc y c l eb y a d a p t i n gt h ec p uo fac o m p u t e r , a n dt h ec o m b i n a t i o ns e l f - c h e c kw i t hm u t u a li n s p e c t i o ni sc a r r i e do u t w h e nh e a r t b e a td e t e c t e s t h ef a i l o v e rm o d u l ei sa c h i e v e db yp r i n c i p l eo fa r pd e t e c t i o n d a t a m i r r o r i n gs y s t e mi sv o l u m e - b a s e da n dw o r k si nl v m ，s y n c h r o n o u sr e p l i c a t i o np r o t o c o li su s e dt o c o n t r o lt h ew r i t i n gp r o c e s s ，a n dal o gf i e l di sd e s i g n e dt os t o r ea n dm a n a g et h ed a t aw h i c hi sb e i n g o p e r a t e di nt h es y s t e m i ns i n g l ei m a g ef i l es y s t e mm o d u l e ，t h ed i s t r i b u t e dl o c km a n a g e m e n ti s a c c o m p l i s h e db yr e d e f i n i t i o no ft h el o c ka b o u ti t ss t r u c t u r ea n dt h em a n a g e m e n tr u l e s a tl a s t ， c o l l a b o r a t i o nw i t ht h ek e ym o d u l e s ，t h e ya r ei m p l e m e n t e di n c l u d i n gt h eg o a l sa n dd e s i g ns c h e m e s a b o u ts o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi s c s i s c s n aa n di s c s i s c s s a t h ea n a l y s i sa n dt e s t i n go nt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e df i n a l l y k e yw o r d s ：i s c s i ，s t o r a g ec l u s t e r , h e a r t b e a td e t e c t i o n ，f a i l o v e r , d a t am i r r o r i n g ，s i n g l ei m a g ef i l e s y s t e m , d i s t r i b u t e dl o c km a n a g e m e n t 基于i s c s i 存储集群的研究与设计 图表清单 图2 1i s c s i 协议栈6 图2 2i s c s i 数据包封装格式8 图2 3i s c s ip d u 格式9 图3 1 单服务器与集群比较1 2 图3 2 数据镜像架构1 4 图3 3 共享存储设备架构。1 4 图3 4 单系统】：作状态m a r k o v 过程1 6 图3 5 双机模式t - m a r k o v 过程1 7 图3 6 带有故障修复率的双机m a r k o v 过程1 9 图3 7 磁盘镜像一次写过程2 5 图3 8 三种模式的前驱图一2 6 图3 9 锁请求处理示意图2 9 图4 1i s c s i s c s n a 的整体架构图。3 3 图4 2i s c s i s c s n a 软件模块3 4 图4 3 丁( f ) 与p ( t ) 的关系图3 6 图4 4 心跳检测进程通信模型。3 8 图4 5a r p 欺骗报文内容4 0 图4 6 数据镜像系统在l i n u xi o 中的位置4 1 图4 7 双活模式数据镜像原理4 2 图4 8 日志的组织结构4 2 图4 9 请求队列与各模块间的协作关系图4 4 图5 1i s c s i s c s s a 的整体架构图4 7 图5 2i s c s i s c s s a 软件模块4 8 图5 3 单一映像文件系统文件视图4 9 图5 4 锁状态的动态转换图：5 l 图5 5 文件节点树。5 l 图5 6 两种方法判断粒度g 1 是否是粒度g 2 的子粒度流程图5 3 图5 7 锁的细化与泛化过程5 5 南京航空航天大学硕七学位论文 图5 8 带时间坐标锁的状态转换5 6 图5 9 不同紧迫程度同调得剑锁状态转化5 6 图5 1 0 锁通信的消息区5 7 图5 1 1 锁管理算法实现的模块层次5 9 图5 1 2 锁的状态转换图6 0 表4 1r e _ t y p e 消息类型3 7 表5 1 锁相容矩阵5 0 表6 1 单机模式与双机模式可用度对比表。6 2 表6 2i s c s i s c s n a 与i s c s i s c s s a 性能比较6 3 表6 3 系统测试方案与测试结果。6 5 基于i s c s i 存储集群的研究与设计 i s c s i s a n i p s a n n a s f c f c s a n i d c n f s c i f s s c s i o e m i e t f t c p 邛 p d u s c s i c d b d r d b i q n e u i i s n s s l p s r p c h a p m p i o h b a n i c i s o e t o e l a n v l l l 注释表 i n t e m e ts m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e s t o r a g ea r e an e t w o r k s a n o v e r i p n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e f i b e rc h a n n e l s a n o v e r f c i n t e m e td a t ac e n t e r n e t w o r kf i l es y s t e m c o m m o ni n t e m e tf i l es y s t e m s m a l lc o m p m e rs y s t e mi n t e r f a c e o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l p r o t o c 0 1d a t au n i t s c s ic o m m a n d d e s c r i p t i o nb l o c k d i s t r i b u t e dr e p l i c a t i o nb l o c kd e v i c e i s c s iq u a l i t yn a m i n g i e e eu n i q u ei d e n t i f i e r s i n t e r n e ts i m p l en a m es e r v i c e s e r v i c el o c a t i o np r o t o c o l s e c u r er e m o t ep a s s w o r d c h a l l e n g eh a n d s h a k ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c o l m u l t i - p a t h i n gi o h o s tb u sa d a p t e r n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d i s c s io f f i o a de n g i n e t c p ，mo f f i o a de n g i n e l o c a la r e an e t w o r k 南京航空航天大学硕十学位论文 佾n r d m a d a s d l m m t t f m 1 v r r 脚 m a t d d r a r p i c m p v i p u ，m c r r v f s r a i d d m s l i b i s c s i s c s n a i s c s i s c s s a w i d ea r e an e t w o r k r e m o t ed i r e c tm e m o r ya c c e s s d i r e c ta c c e s ss t o r a g e d i s t r i b u t e dl o c km a n a g e m e n t m e a nt i m et of a u l t m e a nt i m et or e p a i r i pa d d r e s st ，墩e o v e r m a ca d d r e s st a k e o v e r d y n a m i cd n sr e c o n f i g u r a t i o n a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l v i r t u a li p l o g i cv o l u m em a n a g e r c h e c k p o i n t i n ga n dr o l l b a c kr e c o v e r y v i r t u a lf i l es y s t e m r e d u n d a n ta r r a yo fi n d e p e n d e n td i s k d a t am i r r o r i n gs y s t e m l o c ki n f o r m a t i o nb l o c k i s c s i - b a s e ds t o r a g ec l u s t e rw i t hs h a r en o t h i n ga r c h i t e c t u r e i s c s i - b a s e ds t o r a g ec l u s t e rw i t hs h a r es t o r a g ea r c h i t e c t u r e 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航 空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：亟鱼厶 e l期：盈f 2 ：墨：旦 南京航空航天大学硕+ 学位论文 第一章绪论 随着网络存储技术的飞速发展，越来越多的网络数据存储问题通过灵活运用不同的存储架 构与运作模式得剑了很好的解决。本章首先介绍本文研究的背景与意义，接下来介绍了本课题 国内外的研究现状，最后对本文的主要内容与结构安排进行说明。 1 1 研究背景 随着信息时代脚步的前进，人们的生活、工作日益便捷。如今信息成为各种问题的表现形 式，信息无处不在，信息处理也无时无刻地发生着。i d c 研究表明，从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年，全 球信息总量将增长6 倍以上，从1 6 1 e b 增加到9 8 8 e b ( 1 e b = 1 0 2 4 p b ) 。如此巨大的信息既是 历史的记载，也是推动未来发展的基础，它的存在意义非凡。在享受这些信息所带来效益的同 时，有一个问题也亟待解决，那就是如何有效、合理地存储这些数据。由于i n t e m e t 的快速发 展、在线数据存储的快速增长、电子商务等众多需求，以服务器为中心的存储时代即将一去不 复返，取而代之将是以网络存储为中心的存储技术。目前网络存储技术沿着三个主要的方向发 展：d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，直连式存储) 、n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，网络附属 存储) 、s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ，存储区域网) 。d a s 是一种采用直接与网络介质相连的特 殊设备实现数据存储的机制【l 】。n a s 是一种将分布、独立的数据整合为大型、集中化管理的数 据中心，以便于对不同主机和应用服务器进行访问的技术【2 】。s a n 是计算机信息处理技术中的 一种架构，它将服务器和远程计算机存储设备( 如磁盘阵列、磁带库) 连接起来，使得这些存 储设备看起来就像是在本地一样【3 】。早期的s a n 采用的是光纤通道( f c ，f i b e rc h a n n e l ) 技术， 所以以前的s a n 多指采用光纤通道的存储局域网络，到了i s c s i 协议出现以后，为了区分，业 界就把s a n 分为f c s a n 和i p s a n 4 】。 计算机系统被广泛应用于国民经济的各行各业，极大地促进了社会经济的发展，但同时也 对计算机系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求，人们越来越关心计算机系统的可用性。计 算机系统的可用性，一般定义为某些执行关键使命的计算机系统，要求系统能够长时间稳定运 行，即具备3 6 5 x 2 4 小时不停顿运行的能力。对于这类系统，即使是短时间的停机都会导致数 据的丢失和灾难性的后果。譬如在金融、电信和政府等领域，作为关键设备的服务器担负着大 量重要信息的处理、存储和传递的任务，一旦服务器发生故障，将会带来不可估量的损失。根 据i d c 的统计数字：在过去十几年里，美国发生过停机故障的公司有5 5 倒闭，剩下的4 5 中 有2 9 也已经在2 年之内倒闭，生存下来的仅占1 6 e 5 】。因此，保证关键服务器连续、稳定的 运行已成为计算机应用的迫切需要。 基于i s c s i 存储集群的研究与设计 通过分析，计算机系统的破坏主要来自以下几个方面： 1 ) 自然灾害，如水灾、火灾、雷击、地震等造成计算机系统的破坏，导致存储数据被破坏 或完全丢失： 2 ) 系统管理员及维护人员的误操作； 3 ) 计算机设备故障，其中包括存储介质的老化、失效： 4 ) 病毒感染造成的数据破坏； 5 ) i n t e m e t 上“黑客”的侵入和来自内部网的蓄意破坏。 很显然，这些破坏是不可预测与难以避免的。为了解决这些问题，一方面要防止可避免的 灾难发生，另一方面，需要为这些重要的可能被破坏的数据做备份，同时也要保障正在运行的 业务能够在很短的时间内得到接替。这样即使灾难来临了也可以在很短的时间里恢复系统，尽 量将损失减小到零。研究表明业务接管正是提高可用性的一个重要手段。 上面的分析表明，目前存储技术主要受到两方面的挑战：第一，信息量的庞大、持续快速 地增长；第二，信息的高可用性要求。随着这两个问题的日益扩大，传统的网络存储技术逐渐 显示其弊端：存在存储容量与性能扩充瓶颈。目前双机热备在高可用应用领域炙手可热，它有 效地解决了系统单点故障的问题，双机有很多模式，能够很灵活地满足不同需求。所谓双机热 备是指系统有两个服务器，一个主服务器( p r i m a r yh o m ) ，一台备份服务器( s t a n d b yh o s t ) 【6 1 ， 一般米说，主服务器处于运行状态，备份服务器则通过实时监视主服务器，当土服务器发生故 障时，备份服务器将接管主服务器的任务。从双机热备的概念可以得知，该系统在高可用性上 有了很大提高。这种模式也能很好地用丁存储，称之为存储集群。存储集群技术突破了传统的 很多限制：性能( 带宽、i o p s ) 方面，可提高到满足大型顺序读或写操作，或者是对时间敏感 ( t i m e s e n s i t i v e ) 地随机读写面向事务型( t r a n s a c t i o n - o r i e n t e d ) 处理；可用性方面，消除单点 故障，具有透明的故障接管( f a i l o v e r ) 或自我修复( s e l f - h e a l i n g ) 能力；扩大了存储容量和增 强了服务的连接访问( f c 、以太网和i n f i n i b a n d 接口) 能力；可访问性( a c c e s s i b i l i t y ) 方面， 能够进行包含块级( i s c s i 、f c 和i n f i n i b a n d ) 或n a s ( n f s 、c i f s 或其它私有文件系统) 的 访问和数据共享：基于开放或私有的硬件和软件，使用紧密或松散的互联技术来实现完全不共 享( s h a r e n o t h i n 9 1 7 ) 、部分共享( s h a r es o m e t h i n g ) 或完全共享( s h a r e a n y t h i n g ) 架构。 1 2 研究现状 有关系统的可用性方面的研究一直是国内外研究的一个热点。在可用性的理论方面，研究 者们提出了各种可用性分析方法和模型，如动态故障树分析方法、可靠图法、m a r k o v 模型分析 法、p e t r i 网模型分析法等。这些研究都试图从理论上分析一个系统的可用性，解释怎样的系统 结构会带来系统的高可用性。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 面对客户对高可用性系统的强劲需求，各大公司都相继推出了自己的商用高可用性集群系 统。8 0 年代末期首先出现了基于u n i x 的高可用系统。随后，各主要大厂商推出自己的高可用 系统，i b m 公司在a i x 平台上的h a c m p ( 可以支持多达3 2 个r s 6 0 0 0 服务器或s p 节点) 、 m i c r o s o r 的m s c s ( 即原w r o l f p a c k 项目，目前支持的节点数为4 个，只运行于w i n d o w s 平台 上) 、v e r i t a s 公司的v c scn - 1 支持3 2 个异构节点的群集，支持包括s o l a r i s 、w i n d o w sn t 、 御一u x 等多种系统平台) 、r o s e 公司推出的r o s eh a 、l e g a t o 公司的n e t w o r k e r 和 c o - s t a n d b y s e r v e r 以及w e s t e m m i c r o 公司的s a v w a r e h a 等，以及一些基于l i n u x 平台的高可用 性集群系统：t u r b o l i n u x 公司的t u r b o l i n u xc l u s t e r 、r e dh a t 的p i r a n h a 等。t u r b o l i n u x 的t u r b o l i n u x c l u s t e r 和r e dh a t 的p i r a n h a 都是基于l v s ( l i n u xv n t u a ls e r v e r ) 的核心代码。 l v s 是对l i n u x 服务器集群进行开发的自由软件项目，它的目标是使用集群技术和l i n u x 操作系统实现一个高可靠、高可用的服务器，具有很好的可伸缩性、可靠性、可管理性。 中国市场存储集群起步稍晚，最初国内有一家软件厂商联鼎软件开始崭露头角，推出了国 内第一款自主研发的高可用软件：l a n d e r e l u s t e r ，并成为第一个在s c o 平台成功实施多节点高 可用集群的厂商，当时s c o 平台在银行、保险行业中拥有大量用户，l a n d e r c l u s t e r 凭借优秀的 品质，合适的价格，成为这些用户的首选产品，也确立了在高可用软件领域领先地位。 l a n d e r c l u s t e r 支持多个计算机节点，集成镜像、周步、异步等数据容错技术。随后，由于国内 市场对高可用概念的不断深入，用户群需求也不断增加，市场上也陆续出现了新的品牌，如 d a t a w a r e 等，并且国内一些公司也开始o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ) 。 存储集群涉及到很多关键技术，包括：心跳检测、故障接管、数据镜像、面向集群的文件 系统。目前，心跳检测1 8 】相关技术的研究相对较多，国内外许多学者相继提出改进的心跳算法， 以提高系统的性能，譬如h e a r t b e a tg e a r 心跳算法，该技术通过模拟动态排档调整双机热备系 统的心跳周期，能够在变化的请求服务环境下，提高系统的心跳周期环境适应能力，从而最终 提高系统的高可用性。故障接管的研究目前有三个主要的方案：i p 地址接管、m a c 地址接管、 动态d n s 地址接管【舛，由于伊地址具有更灵活、更便捷的特点，使它成为研究应用最多的方 案。数据镜像技术也有很多研究，d r d b ( d i s t r i b u t e dr e p l i c a t i o nb l o c kd e v i c e ) 【l o 】就是一个开 源的数据镜像系统，可以将d r b d 理解为网络版的r a i d l 。其它还有很多途径可以实现数据镜 像技术，目前都在研究之中。对于应用于集群系统的文件系统的研究规模更加庞大，目前很多 公司都有相关研究，研究的重心主要在分布式与一致性方面。 面向存储的集群研究目前非常热门，有很多方向分支，尤其是最新提出的云存储【1 1 l ，成为 关注的焦点。追根到底，存储集群与云存储有着密切的关系。云存储可以理解为一种网络存储 的商业模式，而存储集群则可以理解为网络存储的具体实现模式，研究存储集群能更好地适用 于云存储，应用于整个社会。 3 基于i s c s i 存储集群的研究与设计 1 3 本文的研究内容及组织 本文研究的主要内容有： 1 ) i s c s i 与存储集群结合的可行性与优势 一方面，通过建立数学模型，从理论上论证了集群的高可用性。另一方面，通过分析i s c s i 协议原理与存储集群的特点，设计了i s c s i 与存储集群相结合的存储解决方案。 2 ) 基于i s c s is h a r en o t h i n g 架构存储集群( i s c s i - s c s n a ) 研究了基于i s c s is h a r en o t h i n g 架构存储集群的原型，分析了其工作原理，关键技术及实 现目标，并最终对该系统进行了设计与实现。 3 ) 基于i s c s is h a r es t o r a g e 架构存储集群( i s c s i s c s s a ) 在i s c s i s c s n a 的基础上，研究了基于i s c s is h a r es t o r a g e 架构存储集群的原型，分析其 工作原理，关键技术及实现目标，并最终对该系统进行了设计与实现。 4 ) 存储集群的关键技术 对传统的心跳算法进行了分析，并给出了一种自适应于计算机c p u 的新型心跳算法。对心 跳检测软件进行了设计与实现； 研究了故障接管的具体解决方案，通过比较，找到一种适合本文环境的故障接管策略，同 时，对故障接管模块进行了设计与实现； 研究了磁盘镜像的三种复制协议与工作原理，对磁盘镜像系统的软件进行了设计与实现： 研究了单一映像文件系统，分析了其特点，并对其关键技术分布式锁管理进行了深入研究， 给出了i s c s i s c s s a 的锁结构与锁管理体制。 本文的组织结构安排如下： 第一章主要是课题来源，阐述本文所研究内容的现实意义；第二章对i s c s i 协议模型、i s c s i 的实现、i s c s i 的应用进行了分析；第三章首先研究了存储集群的工作模式与存储架构，对存 储集群的可用性进行建模与计算，接下来研究了存储集群的关键技术以及各关键技术之间的协 作关系；第四章、第五章分别提出了i s c s i s c s n a 与i s c s i s c s s a 的原型，并给出软硬件的 解决方案，对系统模块进行详细设计与实现；第六章对i s c s i s c s n a 与i s c s i s c s s a 进行测 试与分析。第七章对本文进行总结与展望。 4 南京航空航天人学硕七学位论文 第二章i s c s i 存储技术 网络存储是目前大多数企业北常关心的问题。i s c s i 存储技术是一种基于口网络的数据存 储技术，它具有硬件成本低廉、操作简单、扩充性强、数据传输速度快等特点，它的出现让小 型企业可以组建自己的数据存储系统，让大中型企业能在投入少量的资金情况下，获得更大的 存储空间。近几年来，i s c s i 存储技术得到了快速发展。i s c s i 的最大好处之一是能提供快速的 网络环境。 2 1 i s c s i 起源 i s c s i ( i n t e m e ts c s i ) 【1 2 】是2 0 0 3 年i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网t 程任 务组) 制订的一项标准，用丁将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 ) 数据块映射成以太网 数据包，是一个供硬件设备使片j 的可以在m 协议的上层运行的s c s i 指令集。 i s c s i 技术是由i b m 公司下属的两大研发机构一加里福利砸a l m a d e n 和以色列h a i f a 研究 中心共同开发的。i s c s i 协议的第一个草案标准，由c i s c o 和i b m 在2 0 0 0 年1 月发布，目前已 经有一大批厂商生产了基于i s c s i 的产品。2 0 0 3 年2 月1 1 日，i e t f 通过了i s c s i 协议标准， 并于2 0 0 4 年4 月发布了i s c s ir f c 3 7 2 0 t 1 2 】。 小型计算机系统接口s c s i l l 3 】是一种用于计算机和智能设备之间( 硬盘、软驱、光驱、打印 机、扫描仪等) 系统级接口的独立处理器标准，是块数据传输协议，在存储行业广泛应用，是 存储设备最基本的标准协议，是一种智能的通用接口标准。 从根本上说，i s c s i 协议是一种利用i p 网络来传输潜伏时间短的s c s i 数据块的方法，i s c s i 使用以太网协议传送s c s i 命令、响应和数据。i s c s i 可以用我们已经熟悉和每天都在使用的以 太网来构建i p 存储局域网。通过这种方法，i s c s i 克服了直接连接存储的局限性，可以跨越不 同服务器共享存储资源，并可以在不停机状态下扩充存储容量，在诸如高速千兆以太网上进行 路由选择。i s c s i 技术是一种新储存技术，该技术是将现有s c s i 接口与以太网络( e t h e m e t ) 技术结合，使服务器可与使用口网络的储存装置互相交换资料。 2 2i s c s i 工作模式 i s c s i 协议工作在t c p 协议层之上，是一种s c s i 远程调用模型到t c p 协议的映射。它能 够通过t c p i p 传送s c s i 数据。i s c s i 层和标准s c s i 集在协议栈的位置如图2 1 所示。 5 基ri s c s i 存储集群的研究与设计 同网 l - _ o 一 匿- 五_ 可 匿正至三工 圆显巫三口卫囡墨墅亚口卫 鹂j 幽2 1 i s c s i 协议栈 传输时，上层s c s i 设备发出s c s i 请球，将s c s i 请求中包含的s c s l c d b ( s c s i c o n m m n d d e s c r i p t o rb l o c k ) 传送到i s c s i 层。i s c s i 层将s c s i 层传来的s c s ic d b 作为i s c s i 协议数据 单元( p d u ，p r o t o c o l d a t a u r d t ) ，添加该层的协议头数据将s c s i c d b 封装起来，并将该数据 传送到t c p 层。接收时，i s c s i 层肌t c p 层获得数据，通过协议解析，取出s c s i c d b ，侍给 s c s i 层。这个过程实现了s c s i 命令和数据在m 网络上透明的传输。 22 i i s c s i 协议概念模型 在i s c s i 中使用网络实体( n e t w o 血e n t i t y ) 【“1 这个概念，网络实体指的是连接i p 网络的 设备或阿关。河络实体必须包含一个或多个网络入口，在一个同络实体中的i s c s i 节点能够用 其中的任意一个阿络入口访问m 网络。 i s c s i 是端到端的协议，发送消息的一端被称之为i r a t i a t o r ，接收消息的一端称为t a r g e t 。 i s c s i 节点是在网络实体中用名称标口i 的i n i t i a t o r 和t a r g e t 。一个i s c s i 设备就是该节点的i s c s 名称。时绍入口也是罔络实体的重要组成部分。对i n i t i a t o r 来说网络入口就是它的i p 地址。对 t a r g e t 来说，其i p 地址和t c p 端1 2 就是它的网络入口。 222 i s c s | 会话管理 i s c s i 由i n i t i a t o r 和t a r g e t 阿部分组成。i s c s i 会话( s e s s i o n ) 管理指的是i s c s i i n i t i a t o r 与 i s c s lt a r g e t 之间的通信1 。i s c s ii n i t i a t o r 一般是有网络存储需求的客户机，与之对应，i s c s i t a r g e t 则一般为带有存储设备的服务器。一个会话可以包含一个或者多个连接( c o m e o n ) 。 i s c s 会话通过一个_ 二元组 米标识，它表示i s c s ii m r l a t o r 和i s c s it a r g e t 之间的 南京航空航天大学硕士学位论文 联系，该联系在s c s i 协议中称之为i - tn e x u s ( i t 联结) 1 2 1 0 整个会话过程可以分为两个阶 段，登录阶段( l o g i np h a s e ) 和全l 阶段( f u l lf e a t u r ep h a s e ) 。登录阶段可以细分为初始化阶 段、安全认证阶段和参数协商阶段。初始化阶段，由i s c s ii n i t i a t o r 发出建立连接请求，然后i s c s i 执行登录操作，建立会话。登录完成后，i s c s i 进入全j i = 阶段，开始正式的s c s i 交互。 i s c s ii n i t i a t o r 在发起每次t c p 连接时先向系统注册该连接，该连接能够被用于传输s c s i 命令之前，连接的注册阶段必须完成。i s c s i 注册是一种在i s c s ii n i t i a t o r 和i s c s it a r g e t 之间建 立t c p 连接的机制。它将鉴别连接双方，就会话间的各种参数进行磋商，并设置相应的安全关 联，还要为属于相应i s c s i 会话的连接做上标记。i s c s ii n i t i a t o r 通过连接一个已知的t c p 端口 开始注册程序，i s c s it a r g e t 也通过这个端口来监听进入的连接。 i s c s ii n i t i a t o r 和i s c s it a r g e t 之间的t c p 连接以及i s c s i 协议赋予该t c p 连接的属性合称 为i s c s i 连接。一个t c p 连接建立之后，就可以传输s c s i 命令、数据以及状态信息，完成i s c s i i n i t i a t o r 与i s c s it a r g e t 之间的通信任务。i s c s ii n i t i a t o r 与i s c s it a r g e t 之间可能会产生一个或者 多个这样的t c p 连接