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可远程引导的i s c s i 虚拟存储主机通道研究 摘要 在信息海量增长的压力下和人们对计算模式的移动性需求下，存储与计算的 分离成为未来计算模式发展的趋势，网络计算是符合存储与计算分离要求的计算 模式。i s c s i ( i n t e r n e ts c s i ) 协议作为存储系统的互联协议，结合了s c s i ( s m a l l c o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 协议和t c p i p 协议的优势，是网络存储实施方案的首 选协议。 本文主要研究了i s c s i 网络计算系统中客户主机的远程引导策略和基于 i s c s i 协议的i o 访问重定向策略，并且提出了i s c s i 虚拟存储主机通道的i o 加 速技术一一汀r m ( i s c s it r a n s p a r e n tr e l i a b l em u l t i c a s t ) 协议。 本文完成的主要研究工作如下： 首先，从b i o s 的s h a d o wm e m o r y 中读取i s d h ( i s c s is e s s i o nd a t ah e a d e r ) 信息，包括本机i p 地址和i s c s i 会话登录参数，实现了操作系统从处理器实模式 下的远程引导向保护模式下远程引导的转换。 其次，通过在w i n d o w s 操作系统内核中实现虚拟s c s ih b a ( h o s tb u sa d a p t e r ) 和虚拟s c s i 磁盘，向操作系统提供了处理器保护模式下的磁盘i o 访问重定向服 务，并以t d i ( t r a n s p a r e n td r i v e ri n t e r f a c e ) 客户程序的形式实现了s c s ic d b ( c o m m a n dd e s c r i p t o rb l o c k ) 与i s c s ip d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 之间的转换处理。 最后，提出了i s c s i 虚拟存储主机通道的i o 加速技术一一i t r m 协议，将可 靠多播协议引入到i s c s i 会话中，弥补了i s c s i 协议的底层传输协议t c p 单播传 输的不足；扩展了i s c s ip d u 的定义使i s c s i 会话能够传输多播会话通告和响应； 研究了多播监控代理的多播启动策略，实现了多个客户主机访问共享资源时的多 播会话启动；研究了多播会话对数据丢失的请求重传策略，多播传输中丢失的数 据由i s c s i 会话重传，保证了多播数据传输的可靠性。 实验测试表明，i s c s i 虚拟存储主机通道能够实现w i n d o w s 操作系统的远程 引导，并且客户主机启动的速度相当于p c 机从本地磁盘启动的速度；i s c s i 虚拟 存储主机通道实现的虚拟s c s i 磁盘在功能上等同于本地磁盘，虚拟磁盘的i o 性 能不低于本地i d e 磁盘；当多台客户主机同时启动时，i t r m 协议能够提高客户 主机的操作系统启动速度和应用程序加载速度。 关键词：网络计算；i s c s i ；虚拟存储；远程引导；i o 加速；可靠多播 硕，l 二学位论文 a b s t r a c t a st h ei n f o r m a t i o nr e s o u r c ei sg r o w i n gr a p i d l y ，c o m p u t i n gm o d e ld e v e l o p e si n t o t h em o d e lo fs t o r a g es e p a r a t e df r o mc o m p u t a t i o n t h ec o n c e p to fn e t w o r kc o m p u t i n g i si na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n do fs e p a r a t i n gs t o r a g ef r o mc o m p u t a t i o n s t o r a g e w i l lb e c o m et h ec e n t e ro fi tt e c h n o l o g yi nf u t u r e t h ei s c s i ( i n t e r n e ts c s i ) p r o t o c o l c o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fs c s ia n dt c p i pp r o t o c o l ，s oi t i st h ef i r s tc h o i c ef o r n e t w o r ks t o r a g e r e m o t eb o o ti s c s iv i r t u a ls t o r a g eh o s tc h a n n e li sd e s i g n e df o rc l i e n th o s t ，w h i c h r e m o t e l yb o o t sf r o ms t o r a g es e r v e ri ni s c s in e t w o r kc o m p u t i n gs y s t e m t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e sp o l i c i e s o fr e m o t eb o o ta n di or e d i r e c t i o na n dt e c h n o l o g yo fi o a c c e l e r a t i o nf o rc l i e n th o s t sb a s e do ni s c s ip r o t o c 0 1 t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nt a s ko fr e s e a r c hi ni s c s iv i r t u a ls t o r a g eh o s tc h a n n e l a tf i r s t ，i tr e a d sc o n t e n to fi s d h ( i s c s is e s s i o nd a t ah e a d e r ) f r o mb i o s s h a d o wm e m o r y ，w h i c hi n c l u d e sl o c a li pa d d r e s sa n di s c s is e s s i o nl o g i np a r a m e t e r s i nt h i sw a y ，o sc a nc h a n g ew o r k i n gm o d ef r o mr e a lm o d eo fp r o c e s s o rt op r o t e c t e d m o d e s e c o n d l y ，i tp r o v i d e ss e r v i c eo fi or e d i r e c t i o nf o ro sv i am a p p e dv i r t u a ls c s i h b a ( h o s tb u sa d a p t e r ) a n dv i r t u a ls c s id i s kw h i l eo si sw o r k i n gi np r o t e c t e d m o d e t h et a s ko ft r a n s f o r m a t i o nb e t w e e ns c s ic d b ( c o m m a n dd e s c r i p t o rb l o c k ) a n di s c s ip d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) i sc o m p l e t e db yt d i ( t r a n s p a r e n td r i v e r i n t e r f a c e ) c l i e n tp r o g r a m a tl a s t ，i ti n t r o d u c e si oa c c e l e r a t i o nf o ri s c s iv i r t u a ls t o r a g eh o s tc h a n n e l ： i t r m ( i s c s it r a n s p a r e n tr e l i a b l e m u l t i c a s t ) p r o t o c 0 1 t h e i t r m p r o t o c o l i n t r o d u c e sr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o li n t oi s c s is e s s i o n ，a n dp a t c h e su pw e a k n e s so f t c pu n i c a s tt r a n s p a r e n tm o d e li ni s c s is e s s i o n 。t h ei t r mp r o t o c o le x p a n d st h e d e f i n i t i o no fi s c s ip d u s ot h a ti s c s is e s s i o nc a nc o m p r e h e n di s c s im u l t i c a s t s e s s i o na n n o u n c e m e n t t h ei t r m p r o t o c o li n v e s t i g a t e st h el a u n c hp o l i c yo fm u l t i c a s t s e s s i o n ，w h i c hi se x e c u t e db ym u l t i c a s tm o n i t o ra g e n t t h er e t r a n s m i s s i o no fl o s td a t a f o rm u l t i c a s ts e s s i o ni st r a n s m i t t e dv i ai s c s is e s s i o n ，s ot h a tt h er e l i a b i l i t yo f m u l t i c a s ts e s s i o ni sg u a r a n t e e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei s c s iv i r t u a l s t o r a g eh o s tc h a n n e lc a nm a k eo s r e m o t e l yb o o tf r o ms t o r a g es e r v e r ，a n dt h es p e e do fb o o t i n gi se q u a lt op ct h a t 可远程引导的i s c s i 虚拟存储主机通道研究 b o o t i n gf r o ml o c a li d ed i s k t e s tr e s u l t sa l s op r o v et h a tt h ef u n c t i o no fv i r t u a ls c s i d i s ki sa l i k et or e a ld i s k ，a n dt h ei ot h r o u g h p u to fv i r t u a ls c s id i s ki sn o tl e s st h a n l o c a li d ed i s k w h e nt h e r ea r es e v e r a lc l i e n th o s t sb o o t i n gs i m u l t a n e o u s l y ，t h ei t r m p r o t o c o li m p r o v e sb o o t i n gs p e e do fo sa n dl o a d i n gs p e e do fa p p l i c a t i o n sf o rc l i e n t h o s t s k e yw o r d s ：n e t w o r kc o m p u t i n g ；i s c s i ；v i r t u a ls t o r a g e ；r e m o t eb o o t ； i 0a c c e l e r a t i o n ；r e l i a b l em u l t i c a s t i v 硕上学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 插图索引 s c s l 分布式服务模型9 s c s i 客户服务器模型9 s c s ic d b 的结构一11 i s c s i 协议层次模型1 2 i s c s i 体系结构的网络实体模型1 3 i s c s i 会话与连接的关系14 i s c s ip d u 格式15 i s c s ip d u 的基本头格式16 i s c s ii t t 与c m d s n 的序号增长关系规定一1 8 i s c s i 立即命令和非立即命令的序列号增长规定1 8 i s c s i 读命令的数据序列机制2 0 i s c s i 写命令数据序列机制2 0 i s c s i 消息同步机制21 i s c s i 错误恢复级别2 2 w i n d o w s 操作系统的i o 子系统结构2 5 w d m 的设备对象分层结构2 6 s c s i 端口微端口驱动程序结构3 0 t d i 客户驱动程序结构层次一3 1 i s c s i 网络计算系统的系统结构3 3 i s c s i 虚拟存储主机通道的驱动程序结构3 7 i s c s i 虚拟存储主机通道的虚拟s c s ih b a 设备对象3 8 t d i 客户程序的多线程实现一4 4 虚拟s c s i 磁盘的随机读i o 性能测试4 7 虚拟s c s i 磁盘的随机写i o 性能测试4 7 p c 机与多台i s c s i 客户主机的平均启动时间4 8 i s c s i 客户主机的应用程序平均启动时问4 8 i t r m 协议的体系结构5 2 i t r m 协议的多播数据传输过程和消息交互过程5 5 i s c s i 多播会话通告p d u 的格式5 6 i s c s i 多播会话响应p d u 的格式5 7 引入i t r m 协议前后的客户主机的操作系统启动时间5 8 v h 町远千呈引导的i s c s i 虚拟存储主机通道研究 图5 6引入i t r m 协议前后的客户主机的应用程序启动时间5 8 硕上学位论文 附表索引 表2 1常见的s c s i 命令定义1 0 表2 2i s c s ip d u 的操作码定义16 i x 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：彦准新日期：沙口7 年月，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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：虐彳薹新日期：口哆年歹月，日 导师签名：聱一蔫日期：办呷年f 月，日 l 硕| 二学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 近年来，随着数字化信息的加速膨胀，信息的存储量越来越大。根据国际数 据公司i d c 的一项调查分析一一数字宇宙膨胀：到2 0 1 0 年全球信息增长预测 显示：2 0 0 6 年，全球数字化信息总量为1 6 l e b ( 1 e b = 1 0 0 0 p b ，l p b = 1 0 0 0 t b ) ；到 2 0 1 0 年，数字信息量将增长6 倍，达到9 8 8 e b ；中国的信息增长速度还要高于全 球，2 0 0 6 2 0 1 0 ，全球信息量增幅为6 倍，而中国则高达7 倍【l 】。关于信息增长的 速度，图灵奖获得者j i mg r a y 提出了一个经验定律：网络环境下每18 个月产生 的数据量等于有史以来的数据量之和【2 1 。由于数据量的持续爆炸性增长，数据存 储和共享已经成了一个i t 应用要考虑的关键的问题。信息技术正从以计算设备为 核心的计算时代进入到以存储设备为核心的存储时代，数据存储已经成为国内外 信息技术研究的重点和热点，网络存储已成为存储市场的热点。 因为信息的海量增长，计算模式的移动性【3 】，存储与计算在技术实现上的显 著差异，传统的信息存储方式已经不能满足日益增长的数据存储要求，存储与计 算的分离成为计算模式发展的趋势【4 1 。存储资源由软件、数据和存储载体等信息 单元组成，计算资源由计算机处理器、内存、主板等计算单元组成，将存储资源 和计算资源分开，可以在逻辑上动态地重新构建适用于不同用户需求的计算机系 统。分离后的存储资源可以采用i p s a n t 5 】等网络存储结构，计算资源可以适应从 个人的嵌入式终端到企业的服务器等不同级别的计算需求。 本文的研究课题基于信息海量增长的背景，按照存储与计算相分离的要求， 构建可远程引导的i s c s i ( i n t e r n e ts c s i ) 虚拟存储主机通道。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网络计算相关研究 在传统冯诺依曼体系结构中，计算资源与存储资源( 包括物理存储设备及保 存在其上的系统数据和用户数据等) 静态绑定在一起而构成一个具有局部自治、自 主决策的计算实体，该体系结构的局部计算实体之间缺乏有效的协同能力，难以 联合起来共同完成大型的应用任务，这种相对独立的状态一方面严重影响了计算 实体内部资源综合效用的发挥；另一方面分散式管理与维护相对独立的计算实体， 其工作量庞大，并且需要根据计算实体数量支付相应的软件版权费用。随着计算 技术与网络技术的飞速发展和广泛应用，网络计算的概念得到重视，网络计算模 可远程引导的i s c s i 虚拟存储主机通道研究 式让用户可以在合适的地点合适的时间通过网络简便自由地获取所需的计算服务 1 6 , 7 】。该概念对冯诺依曼结构进行空间扩展，把“存储程序 概念由单一计算实 体扩展到网络环境，在不同的计算资源上分别实现程序的存储和执行，而不需要 对程序作任何修改，实现了存储与计算的分离。网络计算模式把计算任务交给各 种分布计算资源，而数据的存储集中于具有按需部署功能的存储服务器中，即存 储在存储资源中的系统数据不再属于某一特定计算主体，而可以供网络中所有计 算资源共享。 目前实现网络计算的相关技术研究主要有： ( 1 ) i n t e l 公司的p x e 技术。 i n t e l 公司开发的p x e ( p r e b o o te x e c u t i o ne n v i r o n m e n t ，预先引导执行环境) 【8 】 技术是比较成熟的远程引导技术。p x e 在客户端构建p x eb i o s 或者p x eb o o t r o m ，客户端启动时通过d h c p 服务向p x e 服务器获取本机的i p 地址，并通过 t f t p 协议从p x e 服务器下载操作系统映像文件来实现远程引导。p x e 的传输层 采用u d p 协议。文献【9 】介绍了基于p x e 技术的b x p 无盘网络的构建。 ( 2 ) 清华大学普适计算实验室的透明计算模式。 透明计算是指用户在使用计算机系统时，无需感知操作系统、中间件、应用 程序的具体所在，只需根据自己的服务需求，通过网络得到相应计算服务的计算 模式【l0 1 。透明计算中的客户机负责完成客户端应用程序的计算工作，服务器只负 责进行资源存储和管理。客户机所需要的任何应用程序、中间件及操作系统都通 过动态的请求调页方式从服务器中获得。 基于透明计算模式的可管理多媒体网络计算机m m n c 系统【lo 】采用m r b p 协 议来实现存储与计算的分离，其传输层采用u d p 协议，并且采用r t o ( 重传超时) 算法来保证u d p 传输的可靠性【1 1 1 。 ( 3 ) 基于i s c s i 协议的i s c s i 网络计算系统。 i s c s i 眩】网络计算系统由可远程引导的客户主机( i s c s i 启动器) 、集中保存数 据的存储服务器( i s c s i 目标器) 以及千兆以太网络构成。i s c s i 网络计算系统的具 体实现将在第4 章第l 节进行介绍。 i s c s i 网络计算系统的传输层采用t c p 协议，p x e 技术和透明计算模式的传 输层都是采用u d p 协议。因为u d p 协议的a r q ( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，自 动重传请求) 策略是简单停止等待协议，只在丢包率不高的负载较轻的低速局域网 内才能获得良好的i o 性能。而t c p 协议的可靠传输特性使它能较好的适应复杂 的高负载的广域网环境，所以基于i s c s i 协议构建的i s c s i 网络计算系统具有较 好的研究前景【1 3 , 1 4 。 网络计算机由于没有本地存储资源，客户主机的启动要借助于远程引导技术。 文献 8 】和文献【l5 】是关于从b i o s 中构建远程引导的技术，远程引导的实现过程 2 硕十学位论文 是： ( 1 ) 机器上电，初始化系统b i o s ； ( 2 ) b i o s 自检，扫描系统上位内存，读取设备控制卡上的r o m 内容； ( 3 ) p c i 总线上检测到网卡的扩展r o m 中带有引导信息，将控制权转给网卡 r o m ： ( 4 ) 初始化r o m 中的引导程序，通过d h c p 广播包从服务器获取本机的i p 地址和操作系统映像文件的下载地址； ( 5 ) 使用t f t p 协议从服务器下载操作系统的初始化程序，通过改写b i o s 磁 盘中断将操作系统映像文件映射为虚拟本地磁盘； ( 6 ) 从虚拟本地磁盘上读取m b r ( m a s t e rb o o tr e c o r d ，主引导记录) ，执行m b r 中的操作系统引导程序； ( 7 ) 操作系统初始化，加载操作系统内核组件和设备驱动程序到本机内存中； ( 8 ) 操作系统继续初始化，引导成功。 在文献【1 1 】、文献 16 】、文献 17 】和文献【18 】中，分别讨论实现了基于透明计 算模式的远程引导技术：m r b p 2 协议【11 1 、i o m a n 协议【16 1 、n a s p 协议【1 7 】和n c b p t l 8 】 协议。它们都是通过修改b i o s 的磁盘中断处理程序以及创建虚拟磁盘来实现客 户端的磁盘i o 重定向服务的。其中n c b p l l 8 1 协议还考虑了多播启动，它的实现 方式是在网络计算机启动时以u d p 多播的方式从服务器向客户机发送操作系统 映像，但是它没有考虑u d p 协议在高速网络中带宽利用效率不高这个问题，也没 有考虑网络环境不好的情况下u d p 多播传输可靠性的问题。 本课题的i s c s i 虚拟存储主机通道按照网络计算的要求实现操作系统的远程 引导和i o 访问重定向服务。 1 2 2i s c s i 协议的相关研究 在存储领域，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 ) 技术作为被磁盘、磁带 等设备广泛使用的接口标准，满足了块级数据的快速传输的要求，但是s c s i 技 术受制于线缆的长度和总线节点数量的限制，扩展性有限。随着互联网的壮大， 基于t c p i p 技术的i p 网络发展成为目前最成熟、最普及的网络，网络基础建设 非常完善。i s c s i 协议【1 2 】将s c s i 协议和t c p i p 协议结合在一起，实现方法是将 s c s i 命令块打包成i p 数据包通过i p 网络传输，从而使s c s i 总线扩展到了i p 网 络上。 i s c s i 技术基于完全成熟的t c p i p 网络标准，支持i s c s i 协议的服务器和存 储设备能够直接连到现有的i p 交换机和路由器上，它实现了存储接口技术和网络 传输技术的无缝结合，即基于i s c s i 协议的i ps a n 1 9 , 2 0 】。由于t c p i p 网络的通 用性和普及性，基于i s c s i 协议的i ps a n 是网络存储实施方案中性价比最高的 可远程0 i 导的i s c s i 虚拟存储土机通道研究 选择，它可以大幅度的降低存储系统的总体拥有成本，尤其适合中小企业，i s c s i 网络计算系统是本课题研究的面向中小企业的存储解决方案。 由于i s c s i 技术高性价比的优势，硬件和软件厂商开发了众多的支持i s c s i 技术的产品，如i n t e l 、i b m 、c i s c o 公司都推出了采用i s c s i 技术的主机适配卡和 存储路由器，l i n u x 已经在其2 6 版本的内核中提供了对i s c s ih b a 的支持，微 软在w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 后的所有的服务器版本操作系统都提供了i s c s it a r g e t 服务。 对于i s c s i 协议的研究实现主要集中在i s c s i 协议中s c s i 协议到t c p i p 协 议的转换接口实现上，其主要产品是i s c s ih b a 。 h b a ( h o s tb u sa d a p t e r ，主机总线适配器) 服务器内部i o 通道和存储系统i o 通道之间的物理连接。最常用的内部i o 通道是p c i 总线和s y s t e mb u s ( 系统总 线) ，它们是主机c p u 和外围设备的通信协议。最常见存储系统i o 通道是i d e 总线、s c s i 总线和f c ( 光纤通道) ，它们各自采取自己的协议实现存储系统与主 机之间的通信。服务器内部需要一种设备来实现内部i o 通道协议与存储系统i o 通道协议之间的转换，这种设备就是h b a 。 i s c s ih b a 就是实现存储系统的i s c s i 协议与主机内部i o 通道协议之间转 换的设备，i s c s ih b a 依照它的软硬件实现层次可以做如下分类： ( 1 ) t o e 智能网卡加i s c s i 软件驱动模块。 t o e ，即t c p i po f f l o a de n g i n e ，t c p i p 卸载引擎的意思【2 。一般的t c p i p 网络中，主机的处理器需要耗费大量计算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 技术将上述通信协议的处理工作集成到 网卡的智能芯片中，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 也因为减少了内存的读写次数，大大提高了网络协议处理的效率。采用t o e 智能 网卡加i s c s i 软件驱动模块实现i s c s i 协议，主机c p u 只需要处理i s c s ip d u 和 t c p 数据包之间的封装、解封装工作，网络层的协议处理工作由网卡芯片完成【2 。 但是t o e 智能网卡的造价较高。 ( 2 ) i s c s l 主机适配器卡。 i s c s i 主机适配器卡是在芯片里面集成了i s c s i 协议栈和t c p i p 协议栈处理 功能的板卡，i s c s i 协议、t c p 协议、i p 协议、网络链路层和物理层的数据包处 理任务都由i s c s i 主机适配器卡上的芯片完成。这种方式使得主机无须考虑i s c s i 协议层和t c p i p 协议层的数据包处理工作，只需要关注i s c s i 协议的应用层实现， 极大的减轻了主机c p u 的负担，这种纯硬件方式实现的i s c s i 协议在性能上是最 优的1 2 2 1 。但是i s c s i 主机适配器板卡造价昂贵，系统实施成本高，仅适用于高端 应用。 4 硕f ：学位论文 ( 3 ) 普通以太网卡加i s c s i 软件驱动模块 以太网卡加i s c s i 软件驱动模块是i s c s ih b a 的纯软件实现方法。其方法是 用普通网卡作为网络连接适配器，i s c s i 协议和t c p i p 协议栈采用软件驱动模块 的方式加载到操作系统中，由主机c p u 和软件驱动模块共同完成i s c s i 协议和 t c p i p 协议的数据包处理工作。这种方式由于采用标准以太网卡，无须额外添加 适配器板卡，因此系统的实施成本最低。文献 2 3 】、文献【2 4 】文献 2 5 】和文献 2 6 】 讨论的都是关于纯软件模拟实现i s c s ih b a 的实现方法。 目前国内外对i s c s i 协议的研究主要集中在i s c s i 性能的提升上，实现方法 主要有： ( 1 ) 从i s c s i 层到t c p 层的数据格式转换的算法优化2 7 】 ( 2 ) 通过多个s e s s i o n 、多t c p 连接来提高数据传输的并发程度【2 8 ，2 9 】； ( 3 ) 通过将i s c s i 数据分成共有部分和私有部分，对共有数据通过链路层采用 多播传输，来提高i s c s i 的数据传输速度3 0 , 3 1 】。 本文的工作借鉴了上述研究中的i s c s i 多线程实现和多播传输在i s c s i 协议 中的引进思想。 本文的i s c s i 虚拟存储主机通道在w i n d o w s 操作系统内核中实现i s c s i 协议， 使客户主机能够远程引导w i n d o w s 操作系统，并在i s c s i 会话中引入可靠多播协 议实现客户主机的i o 加速。 1 3 课题目标 本课题的研究目标是以w i n d o w s 操作系统内核驱动的形式实现i s c s i 虚拟存 储主机通道对操作系统的远程引导及其i o 加速技术。 1 3 1 可远程引导的i s c s i 虚拟存储主机通道 i s c s i 虚拟存储主机通道是基于i s c s i 协议的将主机i o 通道和存储系统i o 通道连接起来的适配器，即i s c s ih b a ( h o s tb u sa d a p t e r ，主机总线适配器) 。因 为本课题的i s c s ih b a 的实现是通过软件模拟实现的，故称为虚拟存储主机通道。 由于w i n d o w s 操作系统的普及性，本课题主要考虑i s c s i 虚拟存储主机通道 在w i n d o w s 操作系统内核中的实现。具体的研究方法是认真分析和深入理解 i s c s i 协议和w i n d o w s 内核驱动模型w d m ，在w i n d o w s 操作系统内核中实现虚 拟s c s ih b a 和虚拟s c s i 磁盘，其中虚拟s c s i 磁盘实现w i n d o w s 操作系统的远 程引导和i o 访问服务重定向。程序开发工作基于w i n d o w s 的w d m 驱动程序模 型、s c s i 端口微端口驱动程序结构、t d i 客户程序等编程技术。 可远程引导的i s c s i 虚拟存储士机通道研究 1 3 2i s c s i 虚拟存储主机通道的i o 加速技术 i s c s i 虚拟存储主机通道的i o 加速技术是在i s c s i 会话中引入可靠多播协 议，弥补标准i s c s i 协议的t c p 单播传输方式的不足，提高i s c s i 客户主机并行 启动时的i o 性能。实现方法是扩展i s c s ip d u 的定义，让i s c s i 会话能够识别 多播会话通告；设计多播监控代理，对共享数据采用多播传输；设计透明可靠多 播控制程序，将i s c s i 会话接收的单播数据和多播层接收的多播数据整合。 1 4 论文内容安排 根据本课题的研究目标和相关知识背景，本文将从以下这几个方面展开讨论。 首先介绍s c s i 协议和i s c s i 协议，着重介绍i s c s i 协议到s c s i 协议的映射 模型，包括i s c s i 会话到s c s i 总线的映射关系。再根据i s c s i 协议标准规定，介 绍i s c s i 协议的通信方法，包括i s c s i 的会话和连接的管理，i s c s ip d u 的格式 定义，i s c s i 的数据同步机制等。i s c s i 协议的容错能力也略作介绍。这些内容安 排在第2 章。 因为本文主要考虑i s c s i 虚拟存储主机通道的w i n d o w s 操作系统内核实现， 所以w i n d o w s 操作系统的内核驱动模型也要做一些介绍。第3 章介绍w i n d o w s 的设备驱动模型w d m 、s c s i 端1 2 1 微端口驱动程序结构和t d i 客户驱动程序， w d m 是w i n d o w s 内核驱动程序的基础，s c s i 端口微端口驱动程序用于实现虚 拟s c s ih b a 和虚拟s c s i 磁盘，t d i 是w i n d o w s 内核模式的网络传输协议的调 用接口。这些内容安排在第3 章。 第4 章介绍i s c s i 虚拟存储主机通道对w i n d o w s 操作系统的远程引导实现方 法及其在w i n d o w s 操作系统中的驱动程序结构，包括虚拟s c s ih b a 和虚拟s c s i 磁盘的生成，s c s ic d b 到i s c s ip d u 的转换处理，t d i 客户程序的多线程实现 及其同步关系。第4 章末尾介绍了i s c s i 虚拟存储主机通道的实验测试结果，分 析了它的i o 性能。 第5 章介绍对i s c s i 虚拟存储主机通道的i o 加速技术：i t r m 协议。i t r m 协议将可靠多播协议引入到i s c s i 会话中，弥补了标准i s c s i 协议的t c p 单播传 输方式的不足。第5 章的主要内容包括可靠多播协议的研究介绍、i t r m 的结构 模型、i t r m 的数据传输和消息传递过程和i s c s ip d u 定义的扩展以支持多播会 话通告和响应。第5 章末尾对引入i t r m 协议前后的i s c s i 客户主机的i o 性能 的实验测试结果作了介绍，结果表明，i t r m 协议实现了i s c s i 客户主机的i o 加 速。 论文的最后一章是总结和展望。 6 硕上学位论文 1 5 小结 本章首先介绍了本文的选题背景：存储与计算分离背景下的网络计算模式， 再介绍了网络计算相关研究和i s c s i 协议在网络计算中的应用，然后介绍了本文 的课题目标：可远程引导的i s c s i 虚拟存储主机通道及其i 0 加速技术，最后介 绍了本文的内容安排。 7 可远程引导的i s c s i 虚拟存储t 机通道研究 第2 章从s cs i 协议到i s c s i 协议的发展 由于i s c s i 协议是s c s i 协议簇的传送子系统的一个实现，i s c s i 协议在存储 接口上仍然使用s c s i 命令，所以本章将先介绍s c s i 协议，着重介绍s c s i 体系 结构和命令模型，并由此过渡到i s c s i 协议的介绍。 2 1s c s i 协议 2 1 1s c s i 体系结构模型 s a m 2 ( s c s ia r c h i t e c t u r em o d u l e ，s c s i 体系标准模型) 【3 2 】是整个s c s i 协议 簇的基础，它定义了整个s c s i 系统基本术语、概念、构成及其关系。在s c s i 体 系结构中，将具体的s c s i 物理部件抽象成了功能等价的组件，s c s i 体系结构描 述这些组件的外部特征。客户与服务传送子系统之间的接口称为s c s i 启动器接 口，服务器与服务传送子系统之间的接口称为s c s i 目标器接口。 ( 1 ) s c s l 分布服务式模型 如图2 1 所示，一个s c s i 系统由三大部分组成：客户( s c s i 启动器) 、服务 器( s c s i 目标器) 和服务传送子系统【3 2 ，3 引。s c s i 启动器发起请求，s c s i 目标器处 理请求，服务传送子系统将启动器和目标器连接起来，并在启动器和目标器之间 传送请求和应答【3 2 1 。 ( 2 ) s c s i 客户服务器模型 如果忽略服务传送子系统，可以将s c s i 的分布式模型进一步细化，得到s c s i 客户一服务器模型，如图2 2 所示。 一个s c s i 启动器设备由一组应用客户组成。应用客户通常表现为操作系统 中的驱动程序或其他能够管理i o 请求的代码。所有的s c s i 请求都是由应用客户 发起，应用客户创建一个或多个任务，一个任务表示一个s c s i 命令或一个任务 管理操作。 一个s c s i 目标器设备由一组逻辑单元( l o g i c a lu n i t ) 组成。每个逻辑单元都是 一个单独的i o 设备，如磁盘驱动器、磁带驱动器、c d 和d v d 驱动器、打印机、 扫描仪等。一个逻辑单元由一个设备服务器和个任务管理器组成。逻辑单元实 现设备功能模型并处理来自客户端的s c s i 命令。每个等待完成的s c s i 命令都定 义一个由逻辑单元处理的工作单位，每个工作单位都被s c s i 目标器设备表示为 一个内部任务( t a s k ) ，通过任务管理器可以引用或管理这些任务( 如撤销某个任务 等1 。 8 硕士学位论文 s c s i 启动器s c s i 目标器 图2 1s c s l 分布式服务模型 一一一设备服务请求一一一一一一 一一设备服务应答- 一一一一一 一一一一任务管理请求- 一一- 一 一一一一一任务管理应答一一一一一 图2 2s c s i 客户服务器模型 应用客户可以向一个逻辑单元中的某个特定的设备发送请求报文，并通过请 求报文请求设备服务器执行某个s c s i 命令。在应用客户发向设备服务器的请求 报文中包含一个c d b ( c o m m a n dd e s c r i p t o rb l o c k ，命令描述块) 【34 1 ，其中含有请求 执行的命令、输入数据与命令相关的参数等信息。设备服务器解释c d b ，并根据 c d b 执行s c s i 命令。 2 1 2s c s i 的基本命令 s c s i 协议可以支持多种不同类型的s c s i 设备，如磁盘、磁带、打印机、扫 描仪等，每类设备都有自己特定的操作方式，因而都有自己特定的命令集。然而， 9 可远程引导的i s c s i 虚拟存储皇机通道研究 它们又都是s c s i 设备，有着许多共同的特征，所以又有许多公用的操作方式和