（计算机软件与理论专业论文）iscsi+target的实现分析与性能测试.pdf

i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试摘要 论文题目：i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 专业：计算机软件与理论 硕士生：姚逸钦 指导教师：张治国副教授 摘要 当今数字化时代，信息数据量呈现爆炸式膨胀。随着传统本地磁盘存储方式 已无法适应要求，新的存储技术开始逐渐发展起来，存储区域网络成为当前网络 存储技术发展的主流方向，而基于i s c s i 协议的i p s a n 已经成为s a n 研究领域 中的热点之一，i s c s i 应用了网络领域和存储领域中已经成熟的技术标准： s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e ) 接口和t c p i p 协议，应用i s c s i 技术， 高性价比的网络设备将部署在现有的口网络中。 i s c s i 技术允许块级别的存储数据在现有的t c p i p 网络中进行传输，该技 术现已被广泛认可，并将应用于构建未来存储系统的解决方案中。然而传统i s c s i t a r g e t 的设计还存在一些不足：( 1 ) 层次化软件设计结构还不够清晰。( 2 ) i s c s i t a r g e t 与物理存储器之问的接口包括m e m o r yi o 、f i l ei o 、d i s ki o ，但是这些接 口都还存在各自的缺点，值得改进。 本文首先将介绍当前网络存储的相关技术背景，研究i p s a n 的分类及相应 的架构，对i s c s i 协议进行深入的分析。 其次，针对i s c s it a r g e t 的上述不足，分析了新型i s c s it a r g e t 采取的改进 方案：研究g s t m l ( 通用s c s i 目标端中间层) 接管i s c s it a r g e t 的具体i o 操作， 并通过在g s t m l 和目标存储器之间建立b l o c ki o 接口来实现i s c s i 目标端的 块i o 操作模式，从而优化i s c s i 目标端的i o 传输性能。 最后，部署基于新型i s c s it a r g e t 的经济型i p s a n ，设计测试方案，对新型 i s c s it a r g e t 进行i o 性能测试，通过测试数据的统计结果，分析i s c s i 存储节点 的i o 操作特性，探索i s c s i 存储规模、i s c s i 客户节点数、网络带宽、网络丢包 率、网络延时等因素对i s c s i 目标端读写性能的影响，此外还将分析i s c s is a n 在电子商务系统等实际应用中的读写性能。分析结果表明：基于新型i s c s it a r g e t 的经济型i p s a n 在保持低成本的前提下，具有运行稳定、可扩展性强、i o 读写 速度快等特点，回写缓冲大幅度提高了i s c s i 的写速度，在电子商务系统中， i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 摘要 i p s a n 的读写速度明显高于n f s 网络存储系统四至十倍。 关键字：i s c s i 、i p s a n 、目标器、启动器、b l o c ki o 、s t m l i i i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 t i t l e ： m a j o r ： n a m e ： i m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fi s c s it a r g e t c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y y i q i ny a o s u p e r v is o r ：a s s o c i a t ep r o f z h i g u oz h a n g a b s t r a c t i nt h ed i g i t a la g e ，t h ei n c r e a s i n go ft h ed a t ai ne n t e r p r i s ea c h i e v e sa h i g hs p e e d t r a d i t i o n a ls t o r a g es o l u t i o nc a nn o ts a t i s f yt h en e wr e q u i r e m e n t i no r d e rt o s a t i s f y t h i sr e q u i r e m e n t ，n e ws t o r a g et e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e da n ds t o r a g ea r e a n e t w o r kh a sb e e nt h er i g h td i r e c t i o ni nt h i sf i l e d i p s a nb a s e do ni s c s i p r o t o c o li sa f o c u si nt h er e s e a r c ho fs a n i s c s ic o m b i n e st h et e c h n o l o g ys t a n d a r d so ft c p i p n e t w o r ka n ds c s i b a s e do ni s c s it e c h n o l o g y , l o w c o s ts t o r a g ea r e an e t w o r kc a nb e d e p l o y e di nt h ee x i s t i n gi pn e t w o r ka r c h i t e c t u r e i s c s ia l l o w sb l o c kl e v e ls t o r a g ed a t at r a n s f e r r e di nt h ei pn e t w o r k i n g t h i s t e c h n o l o g yh a sb e e na b r o a dr e c o g n i z e d i tc a nb eu s e di nt h es o l u t i o no ff u t u r e s t o r a g es y s t e m h o w e v e r , d e s i g no ft h et r a d i t i o n a li s c s it a r g e th a ss o m ep r o b l e m s f i r s t ，i tl a c k so fh i g hl e v e lh i b e r a r c h y s e c o n d l y , t h e r ea r es o m ei oi n t e r f a c e sb e t w e e n i s c s it a r g e ta n dd i s kd e v i c e ，s u c ha sm e m o r yi o ，f i l e1 0a n dd i s k1 0 ，b u tt h e ya l l h a v es o m ep r o b l e m st ob eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r , t e c h n o l o g ya b o u ts t o r a g ea r e an e t w o r kw i l lb ei n t r o d u c e d w ew i l l r e s e a r c ht h ea r c h i t e c t u r eo fs e v e r a li p s a n sa n di s c s ip r o t o c o lw i l lb ed e e p l y a n a l y z e d t h e n ，i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo fi s c s it a r g e ti n t r o d u c e da b o v e ，s o l u t i o n w i l lb ea n a l y z e d w er e s e a r c hg s t m lw h i c hi su s e dt od e t a c hi oo p e r a t i o no u to f t h es o f t w a r ed e s i g nf r a m eo ft h ei s c s it a r g e tm o d u l e b l o c k1 0i n t e r f a c ei s e s t a b l i s h e db e t w e e ng - s t m la n dt a r g e td i s kd e v i c e i op e r f o r m a n c eo fi s c s it a r g e t w i l lb eo p t i m i z e db a s e do nt h i sb l o c ki oo p e r a t i o nm o d e l a s t l y , l o w c o s ti p s a nw i l lb ed e p l o y e df o ro u rp e r f o r m a n c et e s t w ei m p o s e s e v e r a lt e s tc o n f i g u r a t i o n sa n di n i t i a t et h ei op e r f o r m a n c et e s to fn e wi s c s it a r g e t i i i i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i co fi s c s ii oo p e r a t i o nw i l lb ea n a l y z e d i m p a c to fs t o r a g es c a l e , n u m b e ro fc l i e n tn o d e s ，n e t w o r k i n gc o n d i t i o n ，n e t w o r kb a n d w i d t hw i l lb ed e t e c t e d w ew i l la l s oc o n s i d e ri p s a nu s e di ne - c o m m e r c i a ls y s t e m p o s t m a r kt e s ti sd o n et o r e s e a r c ht h ea c c e s ss p e e di nt h i sr e a la p p l i c a t i o n w i t ht h et e s tr e s u l t ，w ec a nm a k et h e c o n c l u s i o n sa sb e l o w a l t h o u g hi p s a nb a s e do nn e wi s c s it a r g e ti sl o w c o s t ，i tm r s s t a b l e ，s u p p o r t sm u l t i p l et a r g e t sa n dc l i e n t s i t sa c c e s ss p e e di sh i g h w r i t eb a c kc a c h e i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h et a r g e t w h e ni p s a ni su s e di nt h ee - c o m m e r c i a l s y s t e m ，i to f f e r sh i g h e rp e r f o r m a n c et h a nn f ss t o r a g es y s t e m k e yw o r d s ：i s c s i ，i p s a n ，t a r g e t ，i n i t i a t o r , b l o c k1 0 ，s t m l i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作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结果由本人承担。 学位论文作者签名：扇坠叁绝 日 期：羔! 皇21 ：兰! 学位论文使用授权声明 本人完全了解中l l i 大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位敝作者签名：扇幺盘钦翮j 签名：汽娩闺 同期：2 如7 年箩月二同 日期沙6 了年f 月同 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 环境下企业数据的爆炸性增长、企业商务模式的转变和以数据 为本的企业知识产权价值的体现，传统的信息存储方式已经无法满足新的需求， 存储区域网络化( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ，s a n ) 成为了i t 技术新的研究亮点。 目前网络存储技术的发展有三个主要的方向：n a s 、s a n 、i p s a n 1 1 ，同时 新兴的网络存储技术也不断涌现【2 】，如：统一虚拟存储、i n f i n i b a n d t 3 1 、d a f s 、 n a s d 等。存储技术的发展根据技术体系分为存储网络、总线存储和虚拟存储。 9 0 年代中后期，人们逐渐意识到i t 系统的数据集中和共享成为急需解决的 问题。随着网络的发展和普及，网络存储的概念被提出并且得到了迅速发展，网 络存储成为存储技术的发展趋势。目前网络存储有三个重要的发展方向【2 】：n a s 、 f c s a n 和i p s a n 。n a s 是从1 9 9 9 年发展起来的 4 1 ，体现了简便高效应用的核 心思想。典型的n a s 包括：存储设备、系统硬件、网络控制器和备份设备，它 们可以构成一个完备的存储解决方案。n a s 通过基于i p 网络的网络文件协议 州f s 、c i f s 或n w s ) 瞪】向多种客户端提供f i l e 级别i o 服务，客户端可以在n a s 存储设备提供的目录或设备中进行文件级的操作，如：c r e a t e 目录jd e l e t e 目录、 c o p y 文件等，这些目录及设备通过网络文件协议映射到客户端【6 】。f i b e rc h a n n e l s a n 是最早出现的一种存储区域网( 光纤通道协议制定于1 9 9 4 年) ，这种方式将 服务器和存储设备通过专用网连接起来。服务器和存储设备之间的距离最长可以 达到1 0 k m ( s c s i 为2 5 m ) ，多个服务器和存储设备之间可以任意连接。f c s a n 是 基于s c s i 协谢7 j 的b l o c ki o 读写技术，采用高速的光纤通道( f i b r ec h a n n e l ) 为 物理媒体介，以光纤通道协议作为传输协议，将s t o r a g es u b s y s t e m 网络化【8 】，实 现高速共享存储。 基于高速的网络带宽、廉价的高速率磁盘和网络适配器，我们可以构造出新 兴的分布式存储系统。这种技术已被广泛地应用到了商务数据备份及灾难恢复等 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试第1 章绪论 众多方面。i s c s i 协议的产生，并逐步得到成熟应用，越来越多对存储有着复杂 要求的用户，把目光转移到i s c s i s a n 方案上了。i p s a n 通过一组i p 存储协议 ( i s c s i 、f c i p 、i f c p 等) 提供了在i p 网络上封装块级请求的方法【2 】，使得我们可 以使用标准的t c p 协议【9 1 在口网络上传输s c s i 命令和块数据。i p s a n 结合了 n a s 和s a n 的优点，具有低成本、标准化、高扩展性、易管理、良好的广域网 连接以及灵活的安全性和o o s 保证等诸多优点。i s c s i 技术主要用于解决远程存 储问题，用户通过i s c s i 协议，可以穿越标准的以太网和互联网在任何地方创建 实际的存储网络，不必使用专门的光纤通道网络既可以在服务器和存储设备之间 传送数据。目前多数i s c s i 的网络传输带宽为1 g b i t ，第二代产品能够达到2 g b i t ， 在未来第三代通用i s c s i 标准中，带宽将达到1 0 g b i t 。 2 0 0 3 年2 月1 1 日，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，互联网工程任务组) 通过了i s c s i 协议标准【，这项由i b m 、c i s c o 共同发起的网络存储技术标准， 经历三年2 0 个版本的不断完善，最终获得i e t f 的认可。i s c s i 技术最重要的贡 献在于其对传统技术的继承和发展，首先、s c s i 技术是被现有磁盘阵列、磁带 等设备广泛采用的存储标准，从19 8 6 年诞生起到现在依旧保持着良好的发展势 头。其次、i s c s i 存储技术基于t c p i p 协议，t c p i p 在计算机网络中是最通用、 最成熟的协议，当前i p 网络的基础建设已经非常完善，由这两点看，不难发现 i s c s i 存储技术拥有一定的发展潜力。 i s c s i 协议定义了在t c p i p 网络上收发存储数据的机制和方法。支持i s c s i 传输的服务器和存储设备可以直接接入现有的i p 交换机和路由器上，因此i s c s i 在开放性、容量、传输速度、兼容性、安全性、简单的管理部署等方面具备一定 的优势并使其得到广泛的关注。早在2 0 0 1 年上半年，i b m 就已推出了i ps t o r a g e 2 0 0 1 ，这是市场上公认的第一款基于i s c s i 协议的网络存储产品，这款产品的出 现，对于身处信息爆炸时代而又无法承担高成本光纤通道s a n 环境的中小型用 户来说，具有巨大的吸引力。2 0 0 1 年l o 月，c i s c o 也推出了s n 5 4 2 0 存储路由器， 该路由器基于口标准和s a n 标准，可以提供与现有l a n 、w a n 、f i b e r 和s a n 设备之间的相互操作，率先建立了i p 网络与s a n 之间的连接。 2 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试第1 章绪论 1 2 网络存储发展与研究现状 网络存储技术和存储设备架构不断地更新【1 1 1 ，当前市场上各种技术的相关存 储设备产品并存，在设计面向海量数据的高速存储系统之前，有必要了解网络存 储的发展历史和现有的主流存储技术【1 2 】，通过对这些技术的分析比较，有助于 深入理解基于i s c s i 协议的i p s a n 的技术特点与优点。在网络存储产品方面， 国外各大厂商处于技术领先地位，网络存储高端产品市场也主要被i b m 、c i s c o 等大型公司占有，国内高校与研究机构近几年也进行了深入的研究与探讨，国内 厂商也推出了一系列自主研发的网络存储产品与解决方案。 网络存储市场不断扩大，技术上主要由国外大型i t 企业垄断。从事网络存 储技术研究与产品研发的公司主要有i b m 、n e t a p p 、c i s c o 、d e l l 、m i c r o s o f t 、 a d a p t e c 、e m c 和i n t e l 1 3 】等，他们都已推出了专门为存储优化设计的网络路由、 交换机和网络适配卡( i s c s ih b a ) ，以及网络存储服务器等完整的网络存储解决 方案，占领了网络存储产品的大片市场。到目前为止i b m 已经推出了针对l i n u x 和、矾n d o w s n t 2 0 0 0 ) ( p 的i s c s i 驱动程序，其t o t a ls t o r a g e 解决方案对基于 i s c s i 网络存储方案进行了试用。微软最新的w i n d o w ss t o r a g es e r v e r2 0 0 3 中也 提供了对i s c s i 存储技术的支持。 网络存储技术的标准化工作是网络存储技术的核心，主要的存储网络标准化 组织有s n i a ( 网络存储工业协会，s t o r a g en e t w o r ki n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 和 i e t f ( i n t e m e t 工程任务组，i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 。s n i a 由制造商联合 组成，主要从事存储网络技术工业标准的制定，在整个存储行业中具有较大的影 响力。而i e t f 是传统的i n t e m e t 标准制定的组织，在i p 存储领域也具有较大的 影响力。 国内在网络存储研究方面起步较晚，目前有国防科技大学、华中科技大学、 清华大学和江南计算技术研究所等机构从事网络存储技术的研究。华中科技大学 成立了外存储国家重点实验室，在网络存储技术的研究上处于领先地位，新研究 成果不断涌现。为了弥补传统s a n 和n a s 技术的缺点，华中科技大学提出一种 n a s 和s a n 融合技术的存储网络技术：统一存储网u s n ，并对统一存储网中的 虚拟通道技术进行了研究，在此基础上研究并实现了基于u s n 的高性能文件服 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试第1 章绪论 务器。此外他们还自主研发了i s c s ih b a 卡。华中师范大学还对基于l i n u x 的 嵌入式网络存储器设计进行了深入研究。在市场方面，国内的联想、方正、大恒 等公司也推出了基于i s c s i 的网络存储解决方案与相关产品。 现有占领市场的i s c s i 存储设备中的网络适配卡绝大多数采用的是千兆网 卡，这其中的主要原因是建设1 g 网络环境成本低，这符合i s c s l 诞生的初衷： 实现高性价比。在研发领域和学术界，已经开始讨论最新的高速网络适配器在优 化i s c s i 系统性能中的应用价值。最典型的有：1 、基于i n f i n i b a n d 远程i s c s i c a c h e t l 4 】，i n f i n i b a n d 架构是一种支持多并发链接的“转换线缆”技术，利用这种技 术，每种链接都可以达到2 5 g b p s 的运行速度。这种架构在单个链接时速度是 5 0 0m b s ，四个链接的时候速度是2 g b 秒，1 2 个链接的时候速度可达6 g b s 。 i n f i n i b a n d t l 5 】技术并非用于一般网络连接，它的主要设计目的是针对服务器端的 连接问题的。2 、r d m a ( r e m o t ed i r e c tm e m o r y a c c e s s ，远程直接内存存取) 在 i s c s i 传输中的应用【1 6 】。r d m a 通过网络把资料直接存到计算机的存储区，将数 据从一个系统迅速转移到远程系统存储器中，而不会对操作系统产生任何影响， 这样就不需要占用多少计算机的利用率。它消除了外存储器复制与文本交换操 作，因此可以释放总线空间和c p u 周期进而改进i s c s i 存储系统性能。将r d m a 技术应用到i s c s i 传输中，需要在i s c s i 协议层和t c p 协议层之间插入o f a a p i ( s o f l - w a r ep r o t o c 0 1 ) 和i w a r p ( h a r d w a r ep r o t o c 0 1 ) 1 3 应用前景 目前，由于千兆网络设备的价格不断下降，大多数中小企业都已承担得起以 t c p i p 协议为基础建立的网络环境，对于它们来说，由于不同于大型企业的产 品需求，耗费大量资金建设高速的s a n 系统显得过于浪费，更可以说没有必要 作出这样的选择。当前网络时代，信息数据高速膨胀，数据资料的采集和处理已 经成为了决定i t 企业长期生存发展之关键因素，面对扑面而来的海量数据处理， 许多企业己倍感压力。本文研究实现基于经济型x 8 6p c s 的i p s a n ，使得网络 存储设备的成本大幅下调，而又可以在网络带宽上进行b l o c ki o 级别磁盘数 据传输，设备充分利用了现有i p 网的成熟性和普及性等优点，由于该存储设备 4 i s c s lt a r g e t 的实现分析与性能测试第l 章绪论 的高性价比，使得中小型企业，尤其是小型企业不需花费多少成本就可以构建出 大规模的海量存储设备。基于i s c s i 的i p s a n 的应用领域相当广泛，如网吧数 据系统、网络磁盘系统、银行系统、各类数据中心、大型档案管理系统和电信系 统。目前，银行系统和电信系统早已实现了全国范围内的联机，而它们的大量数 据存储必然会转向网络存储，传统f c s a n 有距离上的限制，并且价格昂贵，而 基于i s c s i 的i p s a n 架构于现有的i p 网络，随着1 g 网络的普及应用，i p s a n 可以很好地满足这些领域的需求。对于那些存储数据高速增长的小型企业，他们 将会成为i p 存储和i s c s i 技术的最大受益者，小成本实现海量存储环境。由于 i p s a n 的种种优点，i s c s is a n 在相关领域的应用中将逐步取代d a s 等传统存 储设备，成为网络存储领域中的新宠儿。 1 4 本文研究目标 当前，存储设备厂商出台的i s c s i 存储设备大都是构建在高性能服务器上， 其设备实现依赖于独有的硬件设计，产品面向大中型企业客户，成本相对比较 高。学术界对i s c s it a r g e t 的实现分析还缺乏一定深度。作为一种新兴的存储技 术，i s c s i 传输性能依旧未被充分发挥出来，由于i s c s i 传输机制基于现有多种 成熟技术及其架构，所以影响i s c s i 传输性能的因素非常多，i p s a n 在传输特性 方面还有待测试及剖析。 针对i s c s i 网络存储的上述特点，本文的研究目标是： ( 1 ) 在深入分析i s c s i 协议的基础上，研究如何优化传统i s c s it a r g e t 模块的设 计框架，把目标端的磁盘i o 操作设计从i s c s it a r g e t 的设计框架中分离到 g s t m l ( 通用s c s i 目标器中间层) 中。 ( 2 ) 研究如何扩充传统i s c s it a r g e t 的i o 操作模式并优化i s c s it a r g e t 端的i o 传输效率，b l o c ki o 接口将被建立在i s c s it a r g e t 模块和磁盘设备驱动之间( i s c s i 目标器( - - - ) b l o c ki o 接口专磁盘设备) 。 ( 3 ) 实现基于新型i s c s it a r g e t 的经济型i p s a n ，深入研究其i o 传输特性并 探索影响其读写性能的各种因素，如：网络带宽、网络延时、网络丢包率、存储 设备的规模、w r i t e b a c kc a c h e 等，最后还将得出相关结论。 5 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试第1 章绪论 1 5 本文的组织结构 本文的结构组织如下： 第一章绪论 介绍本论文的研究背景、研究现状、应用前景、研究内容及目标，以及本文 的组织结构。 第二章s t o r a g ea r e an e t w o r k s 概述 介绍什么是s a n 和i p 存储网络，i p s a n 使用的数据传输协议分为3 类：f c i p 、 i f c p 、i s c s i 。i s c s i 存储网络作为s a n 的一种，了解s a n 、i p s a n 的相关知识 是研究i s c s i 传输设计的基本前提之一。 第三章i s c s i 协议分析 先介绍s c s i 架构，然后对i s c s i 协议进行分析，分析包括i s c s i 资源的命 名与地址、i s c s i 会话机制、i s c s i 协议栈、i s c s i 的协议数据单元p d u 、i s c s i 序列、i s c s i 读写操作、i s c s i 的错误处理、i s c s i 安全机制等内容。 第四章新型i s c s it a r g e t 在l i n u x 下的设计与实现 讲述新型i s c s it a r g e t 的设计需求分析、i s c s it a r g e ts e r v e r 的层次框架及分 层设计、i s c s i 目标器的工作流程、新型i s c s it a r g e t 模块的具体设计实现，包 含相关的数据结构和模块函数。另外还将讲述g s t m l 与i s c s it a r g e t 之间的相 互调用、i s c s i t a r g e t 端的块i o 操作模式的实现等内容。 第五章i s c s it a r g e t 性能测试与分析 构建基于新型i s c s it a r g e t 的经济型i p s a n 、设计测试所需的各种系统配置 方案，测试内容包括：网内端对端的t c p 流量、i s c s i 协议传输速度、i s c s ir a m d i s k 的i o 性能、本地磁盘的i o 性能、单节点i s c s i 存储系统和双节点i s c s i 存储系 统的传输性能、网络状况对i s c s i 传输的影响、p o s t m a r k 测试等。研究测试之间 的相互关联，分析基于新型i s c s it a r g e t 设计的i p s a n 的传输性能，及影响其传 输性能的各种因素，最后得出相关结论。 第六章总结与展望 总结论文的研究成果并展望未来与i s c s i 相关的新技术。 6 第2 章s t o r a g ea r e an e t w o r k s 概述 2 1 什么是s a n s n i a ( s t o r a g e n e t w o r k i n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 对s a n 作了定义：一个特有的网 络该网络的主要目的是连接计算机系统与存储单元并进行数据传输。一个s a n 由一个通信架构组成该架构提供了大量物理连接以及一个管理层，用来组织传 输连接、存储器和计算机系统，这样可以保证海量存储的安全性。s a n 经常与 b l o c ki o 级磁盘服务联系在一起，而并非f i l ei o 存取服务。 一个存储网络【1 也可以由存储元素、存储设备、计算机系统、控制软件组成， 这些都将在该网络中进行数据通信。 s a n 是一个集中了服务器与大量存储设备的特有高速网络【i i ，其架构图如图 2 1 所示。存储区域网络允许网内任意结点之自j 的相互连接，内部连接结点包括 t o u t e r s ( 路由器) 、g a t e w a y s ( 网关) 、h u b s ( 集线器) 、s w i t c h e s ( 交换机) 等设 备。s a n 充分利用删络的优越性使一个服务器或多个服务器共享同一个存储结 点，每个存储结点可以有大量的存储器( 如：硬盘、磁带、o p t i c a ls t o r a g e ) ，这 些存储结点可以相距服务器很远。 幽2ts a n 的架构图 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 s a n 可以被视为对存储总线概念的延伸，它利用l a n s ( 1 0 c a la r e an e t w o k s ) 和w a n s ( w i d ea r e an e t w o r k s ) 包括路由器、交换机、集线器、网关等设备将存储 设备与服务器连接起来。不同服务器可以共享同一个s a n 。s a n 可以是本地 s a n ，也可以远程s a n 。 s a n 创建了许多方案使存储节点提供给网内服务器连接使用。这些方案在存 储系统的利用率和传输性能方面都做了很大改进。当前，s a n 被用来使网内服 务器簇连接到存储阵列和磁带机系统。s a n 可以避免传统的网络瓶颈。利用 s a n ，可以在服务器和存储结点之间建立直接、高速的磁盘数据传输，主要体现 在以下几方面： ( 1 ) 建立服务器到存储器的连接 这是连接存储设备的传统模型，它的优点在于多台服务器可以并发地在同 个存储结点上进行数据存取。 ( 2 ) 建立服务器到服务器的连接 网内所有存储服务应用结点可以通过s a n 作为媒介进行高速通信。 ( 3 ) 建立存储结点到存储结点的连接 这种连接模式使得数据在存储结点和存储结点之间的传输不需要任何其它 服务器的介入，这样可以释放服务器处理器周期。这罩给出一个应用案例：一个 存储结点要将数据备份到另一个存储设备，利用s a n 任意存储结点可以将数据 备份至一个远程的存储结点，而避免存储管理服务器的介入。 s a n s 在应用方面有其优越性，它提升了数据传输性能。在数据从源位置传 输至目标器的过程中，s a n s 最小化了介入的服务器数量。s a n s 的优势总结如 下： ( 1 ) 提高存储应用利用率 存储结点独立于存储应用服务器件，充分利用网内连接，采用多条数据传输 通道来提升数据传输性能。 ( 2 ) 优异的存储应用性能 存储服务从单个应用服务器中独立出来，并转移至整个特有网络 ( 3 ) 存储服务集群化 管理简单、存储规模化、利用率高、配置合理 8 ! ! 空! 塑盟苎墨竺塑兰堡墼苎苎墨! 至墅苎墅! 竺型! 堕 ( 4 ) 允许数据传输至远程目标器件 数据远程备份可以极大地避免存储灾难的发生、屏蔽相关的存储攻击 ( 5 ) 简单、集中化的存储管理 2 2i p 网络存储协议 现有s a n 的实现不同于光纡通道技术。在研究领域，i p s a n ”使用的数据 传输协议分为3 类：f c i p 、i f c p 、i s c s i l 2 i 。它们采用了不同的架构、技术，且 市场导向不同。 2 2 1f c i p 协议( f i b r e c h a n n e lo v e r i p ) 在i p 网络4 靴张蚓牦上加载光纤通道( f c i p l 也被视为光纤隧道或存储隧道 1 2 0 io 这种通信机制利用现有i p 网络进行光纤通道信息通信。由于大多数企业都 已铺设了i p 网络，使得建立s a n s 的成本变的很低。f c i p 协议将加载光纤通道 块数据，基于t c p 协议进行有序的数据传输。t c p i p 服务用于在s a n s 之建立 网络连接。任何操作控制、管理、数据错误检测、恢复丢失的数据都将经过t c p i p 服务进行处理而不影响f c 光纤通道服务。f c i p 不会因为i p 网络而取代光纤通 道，它允许铺设基于i p 网络的光纤通道。基于f c i p 的f cs a n 的架构模型如图 22 所示。 i 悬一爹：蔷 7 1 1 、一一，。 国豳 图22 基于f c i p 传输的f cs a n 蕙= j 圈 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 第2 章s t o r a g e a r e an e t w o r k s f i b r ec h a n n e lf r a r r l e f c s o fs c s - d a t ac r ce o f h d r 、 l 咿 i pp a y - o a d ( f cf r a m e )c r c lh d r 图2 3 封装f c i p 协议的i p 数据报 如图2 3 所示，f i b r ec h a n n e lf r a m e 将被封装到i p 数据报中，这使得每个光 纤存储设备都可以取得一个基于i p 网络的i p 地址，并在现有i p 网络中进行数 据通信。 综上所述，f c i p 的主要优点在于，它克服了光纤通道传输的距离限制，在 保持光纤通信服务优越性的同时，使用现有的i p 网络架构来建立分布式s a n s 。 2 2 2 i f c p 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 0 1 ) i n t e m e tf i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ( i f c p ) 2 0 】提供这样一种机制，在s a n 内进行光 纤通道存储设备数据传输，这种传输也可以基于使用t c p i p 的因特网。i f c p 是 对现有光纤通信协议的扩充，如f c i p ，i f c p 甚至可以取代f c i p 。i f c p 与f c i p 之间最大不同点在于，基于t c p i p 和千兆网络环境的i f c p 实际上取代了底层的 光纤通信机制。利用i f c p 通信机制，光纤通信设备将连接到i f c p 网管和交换 机，任一个f i b r ec h a n n e l 会话将连接至本地网关并通过i f c p 协议转换成t c p i p 会话，网内另一个网关或交换机接收i f c p 会话并还原f i b ：kc h a n n e l 会话。 i f c p 面向以下客户需求，铺设一系列的光纤通道设备并使这些设备连接到现 有的p 网络，其中使用了i f c p 通信机制。i f c p 将f cs a n s 与m 网络相互联系 起来，并且使客户利用现有t c p i p 网络取代s a n 。i f c p 是一个网关之间的传输 协议，而不仅仅是封装f c 块数据。网关在f c 始发器和目标器之问作为传输媒 介。虽然这些网关无法取代现有的f c 光纤，但是i f c p 可以用来将f cs a n 连 接至p 网络，充分发挥两者的优势。 i f c p 协议使用t c p i p 交换机、路由器来强化或取代f cs a n 相关组件，这 使得现有的f c 存储设备或s a n s 可以获得i p 地址并连接到i p 网络上。i f c p 可 以取代或者是结合现有类似f c i p 的通信技术，因为它可以解决f c i p 无法处理 的问题，比如：f c i p 只能在光纤环境中工作，而i f c p 还可以在i p 网络中进行 1 0 i s c s it a r g e t 的实现分析与性能测试 第2 章s t o r a g ea r e a n e t w o r k s 数据块传输。基于i f c p 的f cs a n 架构模型如图2 4 所示。 图2 4 基于i f c p 传输的f cs a n 模型 f i b r ec h a n n e lf r a m e f c s o fs c s id a t ac r ce o f h d r 萼么o l i p pp a y - o a d f cf r a m e ) l c r ci h d r t cp 图2 5 封装i f c p 协议的i p 数据报 如图2 5 所示，i f c p 机制的工作原理是：将f i b r ec h a n n e l 数据封装到i p 包中，并将i p 地址映射至f i b r ec h a n n e l 设备的f c 地址。由于在i p 网中每个 f i b r ec h a n n e l 设备都有独特标识，所以可以与位于i p 网内的其它节点设备单 独实现存储数据的收发操作。f i b r ec h a n n e l 信号在i f c p 网关处结束，信号转 换之后，存储通信将在i p 网中进行，所以i f c p 可以轻松打破传统f i b r ec h a n n e l s a n 的距离限制( 约为1 0 公里) 。 当不同光纤通道网互连时，每个i f c p 网关都能作为一个自治系统单独运行， 它的运行相对于整个i p 网和其它所有i f c p 网关域都是透明的。如果位于i f c p 网关的两节点之间要进行存储数据传输，将首先运用内部的光纤通道协议，遍历 多i f c p 网关的通信之后会被封装到i f c p 中，然后映射成为不同的i p 地址，这 样数据就可以通过现有i p 网络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 节点间都将建立一个单独的i f c p 会话。 i f c p 与i s c s i 使用相同网际存储名称