（计算机科学与技术专业论文）基于以太网的不对称iscsi协议研究.pdf

r e s e a r c ho na s y m m e t r i ci s cs ip r o t o c o lb a s e do ne t h e r n e t b y l iz h a o j u n b e ( h u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rt a n h u a i l i a n g j u n e ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：寿期堑日期：沙i 口年7 月i 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“，) 日期：2 o l o 年- 7 月l 二日 日期：2 。f 口年7 月1 7 , 日 随着信息时代的发展，海量数据的存储处理成为关键问题，计算机系统的中 心将逐步向存储系统转移。因此网络存储得到迅速发展，特别是基于以太网的存 储系统的出现，使得网络存储系统的普及成为可能。目前以太网存储系统主要是 基于t c p 协议的i s c s i 系统，t c p 协议在实现方面比较保守，使得i s c s i 系统利 用传输带宽较低，c p u 资源占用较多。i s c s i 协议开销过高导致系统性能降低， 因此改善传输协议性能有利于提高i s c s i 存储系统性能。 基于以上原因，本文提出了基于以太网的不对称i s c s i 协议研究，即在传输 层同时使用u d p 和t c p ，t c p 主要用于动态速率控制和重传处理，并把它们作 为i s c s i 协议栈的并行传输层。 本文完成的主要研究工作如下： ( 1 ) 高速可靠u d p 协议：可靠u d p 位于应用层，在内核与应用层都设计了 u d p 缓冲区，并给出可计算模型来对一些特征参数进行优化( 缓冲区大小，传输 速率等) 。对发送者和接收者的数据流及结构和动态速率控制算法做了细节描述。 同时还给出了缓冲区数据排序算法和优化内存管理算法，最后从实验中对本文描 述的高速可靠u d p 协议与其他的基于u d p 的协议( h u r r i c a n e 、u d t 等) 进行对比 分析。 ( 2 ) 基于高速可靠u d p 协议的i s c s i 的改进：对i s c s i 协议的p d u 进行扩 展以支持u d p 数据传输，并对命令连接忠贞进行补充说明，接着使用有限状态机 模型和着色p e t r i 网对i s c s i 的c o n n e c t i o n 状态进行分析简化。 ( 3 ) 基于高速可靠u d p 协议的i s c s i 设计和实验分析：提出基于u d p 数据 传输的不对称i s c s i 模型，使用i s c s i 的数据序号和错误恢复机制来保障数据可 靠，对新的i s c s i 的读写过程进行了描述，并通过实验来测试比较不对称i s c s i 与标准的i s c s i 性能。 实验结果表明，不对称i s c s i 能提高大概2 3 3 2 的读吞吐率，1 9 - 2 7 的 写吞吐率。并且降低了5 17 的c p u 禾i j 用率。充分说明了基于高速可靠u d p 数 据传输的不对称i s c s i 协议的优势。 关键词：网络存储；i s c s i ；高速可靠u d p ；有限状态机；着色p e t r i 网 i i 基于以太网的不对称i s c s i 协议研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n f o r m a t i o na g e ，m a s sd a t as t o r a g e da n dp r o c e s s e di st h ek e yi s s u e ，t h e c e n t e ro fc o m p u t e rs y s t e mw i l lb eg r a d u a l l yt r a n s f e r r e dt ot h es t o r a g es y s t e m t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ks t o r a g e ，e s p e c i a l l yt h ee m e r g e n c eo fs t o r a g e s y s t e m sb a s e do ne t h e r n e t ，i ti sp o s s i b l et h a tt h en e t w o r ks t o r a g es y s t e m sb e c o m e p o p u l a r c u r r e n t l y ，e t h e r n e ts t o r a g es y s t e mi sm a i n l yb a s e do ni s c s io ft c pp r o t o c o l ， i m p l e m e n t a t i o no ft c pp r o t o c o li sal i t t l em o r ec o n s e r v a t i v e ，u s i n gl o wb a n d w i d t h ， t a k i n gu pm o r ec p ur e s o u r c e s a sar e s u l t ，o v e r h e a do fi s c s ip r o t o c o li st o oh i g h c a u s i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ed e c r e a s e d ，i m p r o v i n gt r a n s p o r tp r o t o c o lp e r f o r m a n c e c a nc h a n g ei s c s is t o r a g es y s t e m sp e r f o r m a n c e f o rt h e s er e a s o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ho fa s y m m e t r i ci s c s ip r o t o c o l b a s e do ne t h e r n e t ，w h i c hu s e su d pa n dt c pa tt h et r a n s p o r tl a y e r ，t c pi sm a i n l y u s e df o rd y n a m i cr a t ec o n t r o la n dr e t r a n s m i s s i o nh a n d l i n g ，a n dm a k et h e ma sa p a r a l l e lt r a n s p o r tl a y e ro fi s c s ip r o t o c o ls t a c k m a j o rr e s e a r c hw o r kc o m p l e t e do ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： ( 1 ) h i g h s p e e dr e l i a b l eu d pp r o t o c o l s ：r e l i a b l eu d p a tt h ea p p l i c a t i o nl a y e r ， a p p l i c a t i o nl a y e ra n dk e r n e ll a y e ra r eb o t hd e s i g n e du d pb u f f e r s ，a n dg i v e sa c o m p u t a b l em o d e lt oo p t i m i z et h ef e a t u r ep a r a m e t e r s ( b u f f e rs i z e ，t r a n s m i s s i o nr a t e ， e t c ) t h ed a t af l o wa n ds t r u c t u r eo ft h es e n d e ra n dr e c e i v e ra sw e l la sd y n a m i cr a t e c o n t r o la l g o r i t h ma r ed e t a i ld e s c r i p t e d s i m u l t a n e o u s l y ，ad a t as o r t e da l g o r i t h mo f b u f f e ra n dao p t i m i z i n gm e m o r ym a n a g e m e n t a l g o r i t h m a r e d e s i g n e d f i n a l l y ， h i g h - s p e e dr e l i a b l eu d pp r o t o c o l sa n do t h e ru d p - b a s e dp r o t o c o la r ec o m p a r a t i v e l y a n a l y z e d ( 2 ) i m p r o v e m e n t so fi s c s ib a s e do nh i g h - s p e e dr e l i a b l eu d pp r o t o c o l ：t h e i s c s ip d ui se x t e n d e dt os u p p o r tu d pd a t at r a n s f e r ，a n da d d i n gs u p p l e m e n t so f c o m m a n dc o n n e c t i o na l l e g i a n c e ，t h e nu s i n gt h ef i n i t es t a t em a c h i n em o d e la n d c o l o r e dp e t r in e t st os y m p l i f yt h es t a t e so ft h ei s c s ic o n n e c t i o n ( 3 ) d e s i g na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fi s c s i b a s e do nh i g h - s p e e dr e l i a b l eu d p d a t at r a n s f e r ：p r o p o s i n ga s y m m e t r yi s c s im o d e lb a s e do nt h eu d pp r o t o c o lf o rd a t a t r a n s m i s s i o n ，t h ed a t an u m b e ra n de r r o r sr e c o v e r ym e c h a n i s mo fi s c s i a r e l u s e df o r g u a r a n t e e i n gt h ed a t ar e l i a b l e ，r e a da n dw r i t ep r o c e s s i n go ft h en e wi s c s ia r e d e s c r i b e da n dc o m p a r e db ye x p e r i m e n t st ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fa s y m m e t r i ci s c s i i i i 基于以太网的不对称i s c s i 协议研究 w i t hs t a n d a r di s c s i e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea s y m m e t r i ci s c s ic a ni m p r o v ea b o u t2 3 t o 3 2 o ft h er e a dt h r o u g h p u t ，19 t o2 7 o ft h ew r i t et h r o u g h p u t ，a n dr e d u c eb y5 t o 17 c p uu t i l i z a t i o n i tf u l l ys h o w st h a ta d v a n t a g e so fh i g h s p e e dr e l i a b l eu d p - b a s e d d a t at r a n s f e ra s y m m e t r i ci s c s ip r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：n e t w o r ks t o r a g e ；i s c s i ；h i g h s p e e dr e l i a b l eu d p ；f i n i t es t a t em a c h i n e ； c o l o r e dp e t r in e t s i v 硕l ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 存储技术的发展1 1 1 2i ps a n 的出现2 1 2 研究现状3 1 2 1 有关i s c s i 协议的研究4 1 2 2 高速可靠u d p 的研究5 1 3 主要工作5 1 4 论文结构6 第2 章i s c s i 协议解析及其相关研究7 2 1s c s i 与i s c s i 的提出7 2 2i s c s i 体系结构7 2 2 1i s c s i 的分层说明。8 2 2 2i s c s ip d u 格式9 2 3i s c s i 序列机制1 1 2 3 1 命令序列机制1 1 2 3 2 状态序列机制1 3 2 4i s c s i 的命名规范j 1 3 2 5i s c s i 的请求和响应类型1 4 2 6i s c s i 会话管理1 5 2 6 1i s c s i 参数协商处理1 6 2 6 2i s c s i 登录过程1 7 2 6 3i s c s i 登录的全功能阶段f f p 1 9 2 7i s c s i 错误处理_ 19 2 8i s c s i 的安全问题j 1 9 2 9 j 、结2 0 v 幂于以太网的不对称i s c s i 协议研究 第3 章高速可靠u d p 协议研究2 l 3 1 基于u d p 的协议2 1 3 2 高性能协议的目标2 2 3 3 一个可计算模型：2 2 3 3 1 应用层缓冲区2 2 3 3 2 内核缓冲区2 4 3 3 3 数据发送者2 5 3 4 结构与算法2 6 3 4 1 速率控制算法2 6 3 4 2 包处理2 6 3 5 实现细节2 8 3 5 1 数据流和结构2 8 3 5 2 磁盘活动2 9 3 5 3 重传和速率控制3 0 3 5 4 延迟模拟器31 3 5 5 内存管理3l 3 6 实验结果和分析3 2 3 7 小结3 3 第4 章支持高速可靠u d p 的i s c s l 协议的改进3 4 4 1i s c s lp d u 的扩展3 4 4 2 命令连接忠贞的补充3 4 4 3i s c s i 中状态图的简化3 5 4 3 1 标准c o n n e c t i o n 状态图3 5 4 3 2 状态的简化4 0 4 4 ，j 、结4 4 第5 章基于高速可靠u d p 的i s c s i 设计与实验分析4 5 5 1 基于u d p 数据传输的不对称i s c s i 模型4 5 5 1 1i s c s i 数据序号机制| 4 5 5 1 2i s c s i 错误恢复机制4 7 5 2 基于u d p 数据的i s c s i 读写处理4 7 5 2 1i s c s i 读处理设计4 8 5 2 2i s c s i 写处理设计4 9 5 3 实验测试与分析4 9 5 4 小结l 5 2 结论j 5 3 v i 硕十学位论文 参考文献5 5 致谢5 8 附录a 攻读硕士学位期间发表论文5 9 附录b 攻读硕士学位期间参与科研项目6 0 v n 图2 图2 图2 图2 图2 图2 图2 图3 图3 2 基于缓冲区管理的动态速率算法2 7 图3 3 缓冲区排序算法2 3 图3 4 数据发送者2 9 图3 5 数据接收者3 0 图3 6 内存管理算法3 9 图4 1i s c s ip d u 基本首部3 4 图4 2 启动器标准c o n n e c t i o n 状态3 9 图4 3 目标器标准c o n n e c t i o n 状态4 0 图4 4 简化的启动器c o n n e c t i o n 状态转换4 2 图4 5 简化的目标器c o n n e c t i o n 状态转换4 3 图5 1 基于u d p 数据传输的不对称i s c s i 协议栈及包结构4 5 图5 2 读命令流程一4 6 图5 3 写命令流程4 6 图5 4 内进数据的读处理4 8 图5 5 外出数据的写处理。一4 9 图5 6 测试系统结构| 5 0 图5 7 读吞吐率对比实验5l 图5 8 写吞吐率对比实验5 l v i i i 硕仁学位论文 附表索引 表2 1 启动器操作码1 0 表2 2i s c s i 登录连接会话转换表1 8 表3 1 吞吐率3 2 表3 2 丢包率3 2 表4 1 启动器状态转换表3 9 表4 2 目标器状态转换表3 9 表4 4i s c s i 启动器会话状态表4 2 表4 4i s c s i 启动器会话转换表4 3 表5 1 虚拟s c s i 磁盘读写性能测试数据表5 0 表5 2c p u 的利用率对比数据表5 l i x 硕十学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 存储技术的发展 第1 章绪论 数据存储技术最早起源于2 0 世纪7 0 年代，从连接主机的硬盘、磁带直接备 份至今智能化、网络化存储，历经了d a s ，n a s 到s a n 的发展历程。 直接附加存储d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ) 自从大型机时代以来就一直占据 着存储系统访问模式的主导地位，直到今天，d a s 方式仍然是目前大多数服务器 所采取的方式。简而言之，d a s 通过专用的通讯路径将存储设备直接连接到服务 器来实现数据的访问。在d a s 结构中，服务器通过专用路径( 典型的如s c s i ) 将 存储设备连接起来，当需要访问存储设备的时候，它发出i o 指令，存储设备根 据指令进行相应操作，将数据返回给服务器，或者将从服务器传来的数据写入到 磁盘。d a s 的存储设备可以是磁盘驱动器，也可以是r a i d ( 磁盘冗余阵列) 【1 , 2 】子 系统，或者是其他的存储设备。通常d a s 与服务器之间提供块级的接口，也就是 说，数据的传输是以块为单位的。文件系统位于服务器上，由它来决定在一次访 问中，需要访问哪些数据块。基于d a s 的存储系统具有如下优点：布局简单，技 术成熟，成本较低。但是其缺点也很多。首先它无法实现有效的多机数据共享， 其次由于电缆电气性能等的限制，其传输距离非常短，存储系统必须在物理上非 常靠近主机，第三，其可扩展性差，第四，分散的d a s 系统无法进行有效的管理。 因此，d a s 现j 下逐步被出现的基于网络的存储系统所替代。 网络附加存储n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 本质上是一个以文件服务器为 中心的系统，它为网络上的客户提供文件级的访问接口。n a s 主要由n a s 服务 器，网络和应用服务器组成。在这种结构中，系统的计算任务由应用服务器来完 成，而n a s 服务器为应用服务器提供存储( 即应用服务器是n a s 服务器的客户 机) 。n a s 服务器是种专用服务器，它带有大容量的存储设备，为应用服务器提 供文件服务。为了提高效率，n a s 般都采用专用操作系统，或者使用经特别优化 的通用操作系统。应用服务器通过网络从n a s 服务器读写文件数据。在n a s 中 通常使用局域网作为数据传送通道，用得最多的是e t h e r n e t ，这样用户可以利用 现有的e t h e r n e t 而不需要为存储布置单独的网络。对于应用服务器来说，他们不 需要关心与存储相关的问题，这样使之更专注于对数据的处理。n a s 服务器自身 基于以太网的不对称i s c s i 协议研究 带有文件系统，文件系统构建于其所连接的存储设备上。n a s 服务器与应用服务 器之间采用文件级接口，n a s 服务器通过将文件系统输出来使得外部客户可以访 问其上的数据。通常在n a s 服务器上采用工业标准的n f s ，c i f s ，h t t p 和f t p 等作为网络文件访问接口协议，因此n a s 能在异构计算机系统之间提供数据共享 能力。n a s 的主要优点在于它能够以低廉的价格提供基于网络的存储系统，由于 它使用文件级的接口，因而不能实现在异构系统之间共享存储，另外n a s 系统的 布局和管理都非常简单，使得其成为数据容量和流量较小的中小系统的首选。其 缺点是其性能往往比较低，可扩展性较差，另外它无法支持像数据库这类基于块 的应用。 存储区域网络s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 是一种专用的高速存储网络技术。 根据存储联网工业协会( s n i a ) 的定义：它是在计算机系统和存储元素之间或者在 存储元素之间传输数据的网络。s a n 技术最初来自于i b m 的e s c o n 和f i c o n 3 1 ， 后来发展为基于光纤通道的s a n 。s a n 可以被看作是存储总线概念的一个扩展， 它使用局域网( l a n ) 矛i 广域网( w a n ) 中类似的单元，实现存储设备和服务器之间 的互连。这些单元包括：路由器、集线器、交换机和网关。s a n 可在服务器间共 享，也可以为某服务器所专有，既可以是本地的存储设备也可以通过网络扩展到 地理区域上的其他地方。s a n 的接口可以是企业系统连接( e s c o n l 、小型计算机 系统接口( s c s i ) 、串行存储结构( s s a ) 、高性能并行接口( h i p p i ) 、光纤通道( f c ) 或任何新的物理连接方法。采用s a n 网络技术的存储系统一般由服务器，存储设 备和s a n 网络互联设备组成。服务器运行应用程序，数据存放在存储设备上。多 个服务器和存储设备通过s a n 连接在一起，理论上网络中的所有服务器都可以访 问系统中的其他存储设备，通过z o n i n g 技术可以对存储设备进行分区，从而为 数据访问提供安全保证。当前s a n 实现一般采用光纤通道作为网络传输介质，在 s a n 结构中，磁盘设备和磁带设备都可以直接连接到网络中，从而可以实现自由 局域网( l a n f r e e ) 的数据备份。基于s a n 的存储系统为服务器提供块级的数据访 问。与d a s 相似，文件系统构建在服务器上，由它们来决定需要访问的数据块。 s a n 主要用于企业级的存储网络中，也可应用于数十公里范围的城域网中，s a n 的主要优点是其具有优异的性能，它也能提供强大的扩展能力，适用于对性能和 扩展性要求较高的系统。其缺点在于硬件成本高，且由于使用专门网络，所以培 训成本也较高，另外s a n 结构的管理非常复杂，这些都阻碍了s a n 的普及。 1 i 2i ps a n 的出现 i ps a n 融合n a s 与s a n ，s a n 在提供高性能数据存储的同时带来高额成本 及系统复杂度的增加，n a s 基于廉价而成熟的i p 和以太网技术，成本低、简单 2 硕一l ：学位论文 易用，却在性能方面不尽如人意。如何利用以太网的成熟技术，同时又保留光纤 通道或类似存储协议的高效率和高性能，是i ps a n 追求的主要目标。i ps a n ， 又称i p 存储网络，指在i p 网络中传输块级数据，使得服务器可以通过i p 网络连 接光纤、s c s i 设备，并且像使用本地设备一样，无需关心设备的地址或位置。目 前，i ps a n 在实现方式上分为f c i p ，i s c s i 和i f c p3 大类【4 】，f c i p 将光纤通道帧 封装在i p 数据报中，利用t c p i p 协议实现2 个s a n “孤岛”的连接，克服光纤通 道1 0 k m 长度限制；i f c p 在t c p i p 协议之上实现完整的光纤通道协议；i s c s i 将 光纤通道底层协议用t c p i p 替换掉，保留s c s i 3 指令映射，3 种方式都具有各 自的优势和适用范围【5 1 。 i s c s i 协议是一种正处在发展中的网络存储协议，它能将两种主流协议i s c s i 和t c p i p 实现无缝地融合。在实际应用过程中，t c p i p 处理容易成为系统的瓶 颈，表现在： ( 1 ) 为了包传输而引起的c p u 中断：当有新信息到达时会产生中断，如果 利用以太网卡处理t c p i p 协议，每个处理程序会产生大量中断。 ( 2 ) 包必须通过内存总线的时间：系统利用本地内存保留连接背景信息，在 最后的包被传送前存储数据，这种对内存的多次访问会产生瓶颈。 ( 3 ) 包必须通过p c i 总线的时间：p c i 总线将n i c 连接到系统，每个通过 n i c 的t c p i p 包必须通过p c i 总线多次，增加了延迟，降低了其他p c i 总线外 围设备的性能，造成高延迟和低利用率。 此外i s c s i 还会产生特殊的对网络性能方面的影响： ( 1 ) 首先，在t c p i p 协议栈中，数据的传输途径是：网卡，操作系统核心 空间，应用程序用户空间。从减少开销的角度来看，最好是从网卡直接到应用程 序的内存空间，这就是所谓的零拷贝。而i s c s i 是建立在t c p i p 的基础上，t c p i p 是一种基于流的协议，很难实现零拷贝的语义。 ( 2 ) 另外，不同协议的数据帧的大小是不同的，而i s c s i 若采用通用的以太 网卡来实现，则必须由操作系统来实现数据帧的分解和组合，相对而言增加了主 机软件开销，加重了主机c p u 的负载。为解决这个问题，应该采用专用的智能以 太网卡( 而不是通用的网卡) 来实现，不过这也增加了实现成本。 本文的研究课题是基于不对称协议来设计高性能的i s c s i ，从而减轻i s c s i 的性能瓶颈问题。 1 2 研究现状 目前，i s c s i 技术的实现主要有三种方式：( 1 ) 纯软件方式：采用通用的以太 网卡实现网络连接，主机c p u 通过软件完成i s c s i 和t c p i p 协议栈的功能层。 3 基于以太网的不对称i s c s i 协议研究 由于采用标准网卡，因此这种方式的硬件成本最低。( 2 ) 智能i s c s i 网卡实现方式： 采用特定的智能网卡，i s c s i 层的功能由主机来完成，而t c p i p 协议栈功能由网 卡来完成。( 3 ) i s c s ih b a 卡实现方式：i s c s i 层和t c p i p 协议栈功能均由该主机 总线适配器来完成，对主机c p u 的需求最少，相对主机而言，就是一个标准的 s c s ih b a ，可以在各种操作系统平台上应用。 为了解决高性能服务器在i o 处理方面的瓶颈，i n t e l 及各大厂商推出了专用 于i o 处理的智能板卡，用于卸载主机的负担。这些负担主要来自于i o 设备的 频繁中断，当采用i o 处理卡之后，中断的数量将大大减少，从而提高主机的性 能。在i n t e l 推出i o 处理卡的同时，也联合其它厂家提出了智能i o ( i n t e i i i g e n ti o 即1 2 0 ) 的体系架构，并制定了相应的规范。于是t o e ( t c p i po f f l o a de n g i n e ) 技术 应运而生，并实现基于1 2 0 的i s c s ii n i t i a t o r 6 1 。具有t c p i p 卸载引擎的网卡实 现方式：一般的t c p i p 网络中，主机处理器需要耗费大量资源进行多层网络协 议的数据包处理工作，这些协议包括传输控制协议( t c p ) 、用户数据报协议 ( u d p ) 、互联网协议( i p ) 以及互联网控制消息协议( i c m p ) 等。 t o e 技术使用硬件承担了上述协议处理工作中的绝大部分，将主机c p u 从 繁重的网络协议处理工作中解放了出来，同时也大大提高了处理的效率。采用具 有t o e 的网卡实现i s c s l 协议，主机c p u 和软件部分就只需要完成i s c s l 协议 数据单元的封装、解封装，下层的处理工作由网卡完成。 1 2 1 有关i s c s i 协议的研究 许多学者对i s c s i 协议进行了研究。美国克罗拉多州大学存储中心的s t e p h e n a i k e n 等人对软件实现i s c s i 协议和f c 协议的性能进行了对比研究【| 7 1 。文献 8 】 研究i s c s i 协议在l i n u x 下的实现。文献 9 】对i s c s i 协议在o p e n t 中的实现进 行了研究。文献 1o 卜【12 】对i s c s i 协议的性能进行了研究。文献 13 】提出了在协 议软件实现中的优化技术。文献【1 4 中对l i n u x 下基于i s c s i 存储系统的实现进行 性能测试，w e et e c kn g 等人【l5 j 研究了高延迟和拥塞的广域网之上的i s c s i 协议 的性能。还有些研究人员对i s c s i 协议进行改进研究，如文献 1 6 】设计一种新的 专有传输协议h s p ( h i g hp e r f o r m a n c es t o r a g ep r o t o c 0 1 ) ，它与一般的传输层协议不 同，传统的传输层协议依靠网络层提供的服务在两个端点之间传输数据，而h s p 协议直接利用数据链路层的服务来实现端到端的传输。由于没有了网络层，协议 层次被精简，从而可以减少系统协议处理开销。由此带来的问题是h s p 协议不能 跨越两个网络，但对于局域网环境下的存储应用( 特别是集群系统) 来说，所有机 器都位于同一个网络中，因此不会有什么影响。文献 17 】为了提高存储网络的性 能，本文研究w i n d o w 中t c p 层的拥塞控制和i s c s i 层的最大猝发长度 4 硕1 j 学位论文 ( m a x b u r s t l e n g t h ) 参数的关系。它们的功能都是用来控制网络流量。当网络忙时， 它们都变小，反之亦然。由于t c p 层在网络存储层之下，它先侦测到网络状态的 变化，m a x b u r s t l e n g t h 参数的改变迟于拥塞控制。因此就存在最大猝发长度与网 络状态不匹配的时段，这样就会减少网络带宽的利用。本文就是使2 个参数同时 改变来优化处理以提高性能。文献 1 8 对于i s c s i 实现的s a n 中，在虚拟化交换 机中使用基于缓存i s c s i 会话i d 结构的包转发方法，再加上地址转换器和复制处 理器，能够实现在i s c s i 会话进入全功能阶段后，虚拟交换机中p d u 被传输到 i s c s i 层即返回，而不必经过i s c s i 层以上协议的处理，实验结果表明：包转发 系统能取得读写操作2 0 2 5 的性能，并且c p u 的利用率降低了1 0 15 。 但是这样会增加软件设计的复杂性。文献 1 9 研究使用一种语义操作上的并行 i s c s i 协议的存储结构能并行处理i s c s i 命令并采用二种新方法来提高i s c s i 协议 的性能。一种是通过排除重复写来减少写时延，另一种是减少对同一存储扇区的 多次读的读延迟。理论上的性能分析表明这种语义操作上并行的协议能提高传统 i s c s i 的性能。 1 2 2 高速可靠u d p 的研究 基于u d p 的协议包括s a b u l u d t 2 0 , 2 1 】，r b u d p 2 2 】等。这些u d p 协议大体 上是有一个类似的结构：u d p 用于大量数据传输而t c p 只是起到控制机制的作 用。大部分基于u d p 的协议使用基于延迟的速率控制而不使用拥塞窗口。 本文研究的高速可靠u d p ( h i g hs p e e dr e l i a b l eu d p ) 是在其它基于u d p 的协 议基础上的，利用t c p 来控制速率和包的重传处理，在内核和应用层上同时使用 缓冲区来确保数据的可靠性。采用此u d p 包进行i s c s i 数据的传输，而命令、状 态响应以其重传的传输仍然使用t c p 来提高数据传输速率，同时通过简化i s c s i 的状态机模型以支持高速可靠u d p ，从而达到提高i s c s i 的性能，减轻主机c u p 负担的目的。 1 3 主要工作 本文的主要工作主要是以下三个方面： ( 1 ) 高速可靠u d p 协议：可靠u d p 位于应用层，在内核与应用层都设计了 u d p 缓冲区，并给出可计算模型来对一些特征参数进行优化f 缓冲区大小，传输 速率等) 。对发送者和接收者的数据流及结构和动态速率控制算法做了细节描述。 同时还给出了缓冲区数据排序算法和优化内存管理算法，最后从实验中对本文描 述的高速可靠u d p 协议与其他的基于u d p 的协议( h u r r i c a n e 、u d t 等) 进行对比 5 基于以太嘲的不对称i s c s i 协议研究 分析。 ( 2 ) 基于高速可靠u d p 协议的i s c s i 的改进：对i s c s i 协议的p d u 进行扩 展以支持u d p 数据传输，并对命令连接忠贞进行补充说明，接着使用有限状态机 模型和着色p e t r i 网对i s c s i 的c o n n e c t i o n 状态进行分析简化。 ( 3 ) 基于u d p 协议的i s c s i 设计实现及其实验分析：提出基于u d p 数据传 输