（计算机应用技术专业论文）基于iscsi协议的ip+san技术研究.pdf

ab s t rac t witht heexp o n e n t i ali n c r e a s i n g ofdatai n ent 呷ri s t h e t ra d i t i o n al哪 t r al l z ed s t o r a ge solu t 沁 d面es d 0 ts atisfy theirr 叫ui t .t 七 e r e fo r，t he st o r a g earea n e 七 刃 o rk(s a n ) h asw al k即 tot h e s t ase o f h is t o r y .b utt r adit i o n als a nh asso m e d i s adv ant a g e ssu ch as s h o rtd i st ancc ， hi gh一 cos t andcom p l e xd e s i gn. as an ew techno fo g y o f net w o rks to ra ge， i s c s l i n t e gr ates s t o r a g e l 了 ow i t h ll，n e t w o 氏and h as an ex“l l ent a dvant a ge i n com p ar abl yt oo t h e r p r o t o cols . t 七 eips t o r a g et ech o l o gy b as e d oni s c s i p ro t 0 c 0 l h asb c com e h o t i s s u e i n n e two rks to ra g e thisaxt心ere s e a r c h e so nip n e t w 0 r ks to r a ge t e c h nol o g yb a s ed o ni s csi p r o t o c o l .fi r stly， itre se a r c h es on th ecurrent p o p ul ar te c h n o fo gy of n e t w 0 i k s t o r a ge.the ni t d o es s o me re s e a r c bon th ekeyt e c h n o l 0 g y0 fi s c s i s p ecia l l y ana l y s e s t h e so m e f a c t s t h a t a fl 七 ct s t h e e ffid e n y o f the i s csi p r oco t o l . the 氏fo r the l o we ffic i e n c y o f i s c s i c r cal gori t hm， we r e p l ace thc o ri gi n a l se ri alc r cb y p a r a l l elc r cal gori t b m ， a n d a cco r d i n g tot hech a r a c t e rsofi s csi ， w e u n p r o v e th e p a ra l l e l c r ca l gori t h m . w 七 p r o p o sea newbu月 七 r s t r a t e gyt o s hort e n the re s 卯n s e t i m c . w 七 u s e avoi d a n c e cop y i n g t ech 刀 ul ogy tore d u 沈r e d u n d ant d a t a cop y in l in u x k e rn elw hi chcan a dvan ceth e s to ra gcs y s y c m ls performance f l n al ly， b as edon t he邝 se a rc ho f o th erc x p erts ， we desi gn a n d汕p l e m ent the is csi s ys t 恤 w 苗 c hr u n s inun u x 、k e m e l space b ym cansof瓦 e ra r c h alm odu le s l nj ct u r e ， it别 昭 u 比 s th e l east in d e p elld e n t ofp h ys i cal d e v l “ 5 ， a n d c as y totrans p l ant toe mbe ddedpl a t fo rm. ail as t ， we t es t 。 刀 o performace 口 e as u res， the utili z in g rate of c p uandth ec o m m andd o l a y. 户 刃 dt he te s t in gre s ul tss b o w so u r加p r o v e m e nts d a =r e as e t heu t li 沈 i llgrate o f t h e cpua n d s 加rt 切com m a n d del a y. k e y w d r d s : ne。 刀 o rks to r a 罗; ips a n ; i s csi ;p aral l e l c 七 亡 c k o ut ; b u ffer s t rate g y ; 山p y 户 浑 o l d e o c e 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 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。据我所知，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 人己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 一 鱼鬓全乞或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同 工作的同志对本研究所做的 任何 贡献均已在论文中作了明 确的 说明 并表示谢意。 学 位 论 文 储签 名 (手 写 ):饰， 咖签 字 日 期 :问年 月 ， 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论文作者完全了 解南昌大学有关保留、 使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大嵘可以 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授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ，: 饰大 蝴导 师 签 名 (手 写 ，: 签 字 日 期 : 词 年如 尹日签 字 日 期 ， 知 夕 年 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第1 章 引言 第 1 章 引言 1 . 1课题来源 本课题来源于导师主持的 “ 本地通信网综合化集中维护系统”，属于理论 与应用相结合的课题。该系统需要处理大量的告警数据，这些告警数据的类型 是多样化的，存储结构也是多样化的。为了保证告带数据存储的高性能和储存 系统的先进性，降低系统运行维护的成本，需要使用护存储网络技术来建构存 储系统.本课题的主要研究内容是， 对基于is csi 协议的ip存储网络进行改进， 缩短命令的响应时间和减少资源的占用率。 1 . 2研究背景 存储管理技术最早起源于20世纪70年代的终端/ 主机模式，数据集中在主 机上，与主机相连的 硬盘驱动器和磁带机是它的存储设备和备份设备。80 年代 以后，随着客户机/ 服务器模式的出现，数据呈现分布存放趋势。90年代以来， 网络技术迅猛发展， 信息形式呈现多样化，信息容量急剧膨胀，数据存放更加 分散，数据安全日益重要，所有这些促使数据存储和管理技术发生革命性的变 化1 ， 。 随着企业级的数据呈指数增长，传统的集中式存储方案己无法满足其存储 的要求。 存储区域网 ( s a n ) 由 此走上了 历史舞台。 s a n技术 在服务器集群、 存储 合并以及磁带备份等方面都具有重要的应用价值，存储网络预计在最近几年内 可以占 领半数以上存储市场. fc s a n是较早发展起来的一种相对成熟的网络存 储技术。 但由于目 前的主干网络主要以ip流量为主， 如何利用现有的ip网络将 孤立的光纤通道(f ib crc b a n n e l ， f c ) s a n进行连接或直接使用ip技术构建存储 网络， 越来越受到人们的 关注。 尽管ip存储方案可以 利用许多fc技术所提供的 优势，但也有其自 身的一些特点。 2003年2 月n日 ， 正 t f 伽t e rn et enginc e r i n g task fo心， 互联网 工 程任务 组) 通过了is c s i ( inte rn e t s csi) 标准， 这项由ibm、 asco 共同发起的技术标准， 经过三年20 个版本的 不断完善，终于得到正t 下认可。 这将吸引更多的厂商参 与到相关产品的开发中，极大的推动了is csi 技术的发展。is c sl技术最重要的 第1 章 引言 贡献 在于 其对传统技术的 继承 和发 展上: 其一， s c si( s m all com p uter s y stem s inte ifaee，小型计算机系统接口 ) 技术是被磁盘、 磁带等设备广泛采用的存储标 准，从1 9 8 6 年诞生起到现在仍然保持着良 好的发展势头; 其二，沿用t c p/ ip协 议， t c p 月 p 在网络方面是最通用、 最成熟的协议， 且ip网络的基础建设非常完 善。这两点的有机结合为iscsi 的无限扩展提供了坚实的基础。 is csi 协议定义了在t c p 八 p网络上发送、接收数据块(bl ock ) 级的存储数据 的规则和方法。支持 iscsi 技术的服务器和存储设备能够直接连接到现有的 ip 交换机和路由器上，因此iscsi 技术具有易于安装、成本低廉、不受地理限制、 良 好的 互操作性、 管理方便等优势。 早在2 0 01年上半年， ibm就推出了ips t or age 2 x 1 ， 这是市场上公认的第一款基于is csi 协议的产品， 这款产品的出现， 对于 身处信息爆炸时代却无法承担光纤通道s a n环境高成本的中小型用户来说， 具 有巨大的吸引力。 2001 年 10月， cisco 也推出了sn5420存储路由器， 这种路由 器 基 于ip标 准 和s a n (s to r agearean e tw o rk ， 存 储区 域网 络 ) 标 准， 可以 提 供 与 现有l a n( l 又 a l 户 lr c a n e twork ， 局 域网 ) 、 认 叭 n ( w i d e 户 “ e a n e tw o rk ， 广域网 ) 、 光纤和s a n设备之间的互操作， 率先建立了印网络与s a n之间的桥梁。 现在， 有更多的厂商参与到is csi 产品的开发中，如玩 比 1 公司己 经推出了存储网卡ip st o rage is csi p r oll 峨x 幻 t ，将 协议转化也就是 封装、 还原t c p 月 p 包的步 骤转移 到网卡上来执行，大大降低了服务器处理器的占用率。同时，还有芯片、板卡 制 造 商 加 入 到is csi 产 品 的 开 发 中 ， 如a da pt er 、 q fo gic等 等 12 。 国内 外的许多专家也对is csi 协议的性能进行了 研究。 s a r k a r 等人对软件实 现的协议性能与 那些用t o e 和h b a适配器实现的协议性能进行了 评价13) 。 美国 克罗 拉多州 大学的 信息存储中 心的step h e d aik e n 等人 对软 件实 现的is c sl协议 和fc协议的 性能 进行了比 较l 。 p cter r a d k o v 等人 对用于正网 络 存储的n f s 和 is csl 两 种协 议 的 性 能 进 行比 较 囚 。 wee te c k ng等 人 研 究 了 高 延 时 和 拥 塞的 广 域 网 之 上 的is csl 协 议 的 性 能 161 。 文 献 【 7 1 5 也 都 对 对 真 实 环 境 下is c si协 议 的 性 能 进行了 研究. 文献9对ip存储网 络中的 文 件访问 性能 和对 块级 数据访问 的 性能 进行了比 较。 文献1 1 0 提出了 在 协议软件实 现中的 一些 优化 技术. 文献 1 1 中 对 l i n ux下基于is csi 存储系统的实现进行了性能评测。 第 1 章 引言 1 . 3应用前景 目 前，大多数中小企业都以t c p z ip协议为基础建立了网络环境。对于它们 来说，投入巨资建设s a n系统既不现实，也无必要。 但在信息时代， 信息的采 集与处理将成为决定企业生存与发展的关键，面对海量数据，许多企业己感到 力不从心。 iscsi 的实现可以在ip网络上应用s c sl的功能， 充分利用了现有ip 网络的成熟性和普及性等优势，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。 基于is csi 的ps a n可以 应用于多个领域， 如银行系统和电 信系统。 目 前， 银行系统和电信系统都实现了全国联网，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is c si的ips a n 可以较好地满足这些领域的需求。对于那些存储数据高速增长的企业，他们将 会成为ip存储和is csi 技术的首批受益者。 is csi 在这些应用中将用来取代d 声 5 设备，并且加快这些企业向网络存储转换的步伐。 1 . 4主要研究内 容 论文的主要研究内容如下: ( 1) 学习当前流行的网络存储技术。 ( 2) 深入 研究ips a n中 涉及到的 关键技术。 (3 )分析l in u x 内 核网 络协议栈。 (4) 研究影响基于is csi 协议的ips a n存储系统 传输效率的因素。 (5 ) 对其影响因素 做出 相应的改 进和优化， 提高 传输效率。 1 . 5论文结构 本文章节安排如下: 第1 章 引言 介绍了本课题的来源、 研究背景、 应用背景、 本文的 研究内 容以 及本文的结 构。 第2 章 网 络存储技术概述 介绍了目 前主流的一些网络存储技术， 重点分析了ip存储网络技术的三种 实现方式。 第 1 章 引言 第3 章 i s c si 技术概述 首先分析了s c si协议的技术特性，然后对isc si协议的技术特征、与s c si 协议的关系进行了分析，最后重点研究了 i s c si 协议的模型及其包含的相关技 术。 第4 章 i s c si系统关键技术分析与优化 首先对 isc si 协议的性能进行了分析，找出影响其性能的主要因素。针对 i s c s 工 协议中存在的数据校验算法效率低的问题， 提出了以下优化措施: 引入了 并行数据校验算法，提高校验速度;为了缩短命令的响应时间，改进了 i s c si 存储系统中的缓冲策略; 为了提高系统的性能， 使用避免拷贝技术， 减少l i nux 内核中数据的冗余拷贝. 第5 章 优化的is csi 网络存储系统设计与实现 针对现有的isc sl软件存在的问题， 应用前一章提出的改进与优化的思路和 方案，设计和实现了一种效率更高、结构更清晰、可移植性更强的 i s c si 软件 系统， 并对系统进行比较测试，分析测试的数据。 第6 章 结束与展望 本章对课题所做的 研究工作进行总结， 指出了可以 进一步研究的方向。 第2 章网络存储技术概述 第2 章 网络存储技术概述 2 1主流网络存储技术 随着信息量的 爆炸式增长， 对于数据的存储方式也正在变革，以满足惊人 的存储需求。现在主流的存储技术大都是以网络技术为基础的，也就是说，利 用互连网络来构成数据存储的布局方式。下面介绍当前的几种主流的网络存储 技术阴阴。 2 . 1 . 1直接连接存储 (das) d a s ， 是d i r ec t attachedstora 罗的 缩写。 在历史上， 标准的 连接方式是通 过 s esl 接口 一对一地将存储设备直接连接到一台计算机上，这就是d a s的布 局形式。 d a s是网络存储的先驱，它的出现标志着网络存储技术在世界存储舞 台上的“ 闪亮登场” ，虽然现在它仍然活跃在很多应用领域，但由于本身的一些 缺点，在s a n或n a s 这些新技术面前己经黯然失色。 客户机主机存储设备 霎 应用软件 np 图2. i d a s 访问 方式 它的缺点主要有:当其中的服务器出现故障时，就使这一存储方式失效， 无法连结并取得磁带库等存储媒体中的数据; 数据备份占用1 姚n的带宽和主机 资源，随着存储设备和服务器数量的 激增， 使得管理的负担加大。 第2 章网络存储技术概述 2 . 1 . 2网络连接存储 ( n 5) n a s ， 就是n e tw o rka tt ac he d s tora ge的 缩 写。 文 件系 统 在n a s 设 备 端实 现， 客户端通过 n fs 或者cifs 访问n a s设备的磁盘，这就是n a s的布局方式。 n as 的传输载体是文件形式的数据，由网络协议指定数据在客户机与存储介质 之间的流动方式，而不用考虑客户端平台的构造是否相同。这种共享数据的方 式对于大多数网络都适用，并对大多数格式的文件都支持，例如常见的n f s格 式的文件， 利用u n 饮服务器或li n ux服务器所提供的指令在n a s中进行数据的 传输是十分便利的。 文件级访问 块级访问 图2 2 n 六 名访问方式 2 . 1 . 3存储区域网络 ( 5 n) s a n ， 是st orageareanetwo rk的 缩写。 s a n是目 前 最 显现优势的网 络存 储 技术， 它将多台存储服务器互连组成一个数据网络。这样一来，其中的服务器 与存储设备可以构成任意形式的连接，对于任意一台存储设备上的数据，都能 被整个网络中的所有服务器所共享。 相对于d a s与n a s ， 其优势在于: 可扩展性，由于存储服务器互连构成网 络，当需要加入新的存储设备时只需要在一个节点处加入，就可以很容易地实 现共享;灵活性，由于采用特定的方式互连，所以在地理位置上可以分散，这 第2 章网络存储技术概述 无形中又可以提供更大容量的存储数据:稳定性，由于存储功能与基本功能脱 离，所以 做备份操作时不会对网络的总体性能产生直接的影响，同时也消除了 海量数据对局域网安全性能的冲击。 用户 应用服务器 图2 3基于s a n的存储结构 s a n允许用户能够对备份作业进行集中式的管理，从而使管理变得更为简 便，各份资源的 利用率也更高。 如果集中 备份无法实现，s a n解决方案还能 够 集中管理分布式数据备份。 这种灵活性可对己 有的系统实现更好的管理， 并可 在将来需要时 对系统进 行扩展。 据g a rt o e r g r o up统计， 2 0 00年s an在全 球整个 存储市场中占1 麟， 而2 0 05年将达到52% 。 显然， s an将会成为主流的存储技术。 通常s a n使 用f c ( f i b r e ch介 1) 协议组 建， 然而pc s a n的 成本昂 贵， 这 在很大程度上限制了s a n技术的发展。 ip存储技术的出现， 提供了一种廉价方 便的数据存储解决方案，随之而生的ip s a n可以充分利用ip网络的廉价方便 以及其他成熟的基于t c p/ ip的网络技术，从而大大扩展了s a 刊的应用领域。 2 . zip 存储技术 ip存储是指基 于ip协议进行块级数据访问 的一系列网 络存储技术川 ， 基于 ip协议和可进行块级数据访问是该技术的主要特征。 ip存储技术可以通过ip网 第2 章网络存储技术概述 络 将 存储设 备 和 其他设 备 互 联， 通 过利 用ip网 络中 成 熟 的 安 全 协议 ( 如ip s ec) ， 可以安全地将原本局限于局域网范围的s a n扩展到广域网。 由i e t f 提出 的 三 种ip网 络 存 储 协 议fcip 1刀 ， i f c p l l sl 和is csl ( r f c 33 盯) 1101， 主 要 采 用 两 种 方 法 结 合ip和s an( 目 前f c ip和if cp只 有 草 案， 还 没 有正 式的标准) 。 2 . 2 . 1 基于 i p 的光纤通道协议 ( f o ! p ) 早期s a 刊普遍采用光纤通道技术， 但因存在高成本、 距离限制等突出问题， 目 前人 们正 在研究基于ip协议的光纤通道技术( f c i p 或f c 月 p ) 。 fcip的机制允许光纤通道在ip网络上的s a n设备之间， 进行更简单的数 据传输，这种能力促使在一个地理位置较为分散的企业中数据分享变得简单。 fcip还可用来克服光纤通道目 前存在的距离限制因素，能够跨越大于光纤通道 支持的距离连接s a n孤岛， 因此被提议为通过现有的ip网络连接光纤通道s a n “ 孤岛”的一种标准方法。由于光纤通道己经包含了s c sl协议，这种方法无需 重大技术改造，就能满足s c sl协议的要求。在传输的发送端，所有的光纤通道 帧被转换，即“ 包装” 成t c p / ip数据报。 在接收端， 数据报“ 包装器” 被丢弃， 光纤通道帧则以原先的格式展示给接收端的 s a n ， t c p 八 p纯粹充当了隧道 (t u nnel ) 的 作用， 而fcip数 据报本身与其 他任何数 据报一 样可以 路由 或交换ll 】 f c ip协议是通过ip网络进行数据传输的一种方式， 这个协议提升了存储数 据的传输能力和性能，被认为是有助于快速地开发s a n市场的关键技术之一。 2 . 2 . 2 互联网光纤通道协议 ( i f c p) i f c p是一种网关至网关的协议， 被称为因特网光纤通道协议的混合技术， 是咒ip协议的变体。 它通过t c p 皿 链路连接光纤通道设备，使用is csi 协议 传输光纤通道数据。现有的光纤通道阵列和主机总线适配器可以利用 “ 轻便” 网关连接至ip网络， 从而使标准t c p/ ip交换和路由基础设施部件取代了同等的 光纤通道部件脚 114 11 。 fcip和i f c p可以连接地理位置分散的s a n ，扩展了传统采用光纤通道技 术实现s a n存储的应用领域，然而这两种协议只能用于光纤通道技术的连接， 只是将光纤通道技术拓展到ip网 络上实现。 相比 较而言， is c sl技术是真正意 义上的ip存储，它可以在现有以太网上运行，完全摒弃了光纤通道技术，利用 第2 章网络存储技术概述 现有的ip网络设施， 实现廉价方便的ip存储l2l。 2 . 2 . 3i s c s i 协议 is csi (s csi overt c p 朋) 是一种在功 t e m et协议网 络上， 特别是以 太网 上 进 行数 据块 传 输的 标 准 协议 151 。 它 是针 对s csl 协议 而提出 的 传 输层 协议， 运行 在 t c p之上，在ip网络中提供主机到存储的机制，实现端到端传输 s csi 命令和 数据的功能。 is csi 协议是用于新一代存储终结节点间通讯的协议， 它使用纯粹 的t c p /ip协议实 现， 而不需 要使用fc 协议 【 4 210 i s csi 协议由c i s co和1 阴等公司发起，得到了ip存储技术拥护者的大力 支持。与光纤通道和 i b a( i n f i n i b a n d ) 技术相比，i s c s i比光纤通道和 i ba 有 更好的可扩展发现和登录机制， isc sl的动态超时计算机制更适用于无法预测负 载变化的广域网环境。 此外，i s c sl还可以充分利用 ip 网络中成熟的身份验证 和加密机制。 目 前，i s c sl技术的实现主要有三种方式15 。 1 .软件方式。使用通用的以 太网卡，is csi 和 t c p j 1 p层的功能都由主机 c p u完成。 这种方式的硬件成本最低， 但是由于c p u要完成is csi 和t c p 月 p 层的功能， 在访问频繁、 通信量大的系统中， c p u负荷大大增加， 会使系统的 性能下降。 2 .使用智能网卡方式。 这种方式， t c p / ip层的功能由智能网卡实现， is csi 层的功能仍由 主机实现。 智能网卡实现了t c p/ ip功能，相比 较第一种方式降 低了c p u负荷，系统性能有所提高。 3 .is csi h b a卡方式。 i scsl和t c p 月 p 层的 功能都由i s c 5 1 h b a ( h o s l b us ad叩 ter主 机总 线 适 配器 ) 实 现， 这样c f u的 负 担 最小， 但是价 格最昂 贵。 对 于 主机而言，相当于一个标准的s csi h b a ，不需要其他软件功能的支持即可以 在各种操作平台上应用。 is c sl具有低廉、 开放、 灵活等诸多优点， 随着新技术标准的制定， 必将成 为网络存储领域内的核心技术之一。 第3 章is c sl技术概述 第3 章 i s c sl 技术概述 3 . is c s . 技术特性 随着 pc 及其兼容个人微型机和外部设备的迅速发展，主机和外设的速度都 有了极大的提高，而负责主机和外设之间数据传输的接口 技术，如现在普遍使 用的 工 d e接口，却远没有跟上发展，数据传输率和可靠性已经不能满足高速主 机和高速外设之间的通信要求，已经成为系统数据传输的瓶颈。要想解决pc及 其兼容个人微型机系统数据传输的瓶颈问题，只有通过提高设备接口的传输率 和可靠性。一种方法是发展新技术，另一种方法是引入s c si接口技术，目 前己 经有一些厂家正在研制并生产了应用在pc 兼容机上的支持该技术的产品，如主 板、适配器、硬盘等。 小 型 计 算 机系 统 接口s csll lzl( s m allomput ers ys te mlh te ri 油 c e ) 是 在 美国 shu g a rt 公司开发的s asl 基 础上， 增加了 磁盘管 理功能 而实 现的。 s csi 接口 作 为输入输出接口，主要用于光驱、磁带机、扫描仪和打印机等设备， s c si标准 早在 1 9 86年就已经审议完成，称为s c s h标准，由于s c sl的特点是传输速度 快 ( 最高传输率达到40mb 招以上) ，支持多刀 0任务并行操作，因此在p c上得 到了广泛的应用。 3 . 1 . 1系统结构 一个s csi 系统可以由多个主适配器和多个外部设备构成。 主机与适配器通 过系统总线或局部总线连接， 适配器与外设控制器之间是s csi 总线， 多个适配 器和控制器通过总线实现数据的传输。 所有直接与s csi 总线连接的适配器或外 设控制器统称为s csi 设备， 每个外设控制器可以控制一个或多个外设设备， 控 制器和外设之间的总线是设备级别局部总线。 s csi 作为一种高级的系统接口， 可以 通过一些设备级别接口 来实现对外设的控制，如 esdi、s tso 6 / 4 1 2 、护 1 一 2 等设备级别的接口 都可以与s csi 相连。 无论采用什么类型的设备级别的接口 ，设备以 及系统总线结构， s csi 总线 都具有相同的物理和逻辑特性。s csi 具有与设备和主机无关的高级命令系统， s csi 命令是以 命令描述块cdb( 。m lnan ddes c ri p t ion bl oc k ) 形式由 主设备发 第3 章isc s i 技术概述 送给目 标设备， c d b说明了 操作的性质、源和目 的数据块的地址、 传送的数据 块数目 等信息。s csi 系统可以是一个主机，即由 一个主适配器和一个外设控制 器组成的最简单形式，也可以是由一个或多个主机与多个外设控制器组成的复 杂形式。 s csi 规定系统最多可以 拥有的s c sl设备数目 为s c sl数据总线的个数。 例 如， 采用3 2 位数数 据总 线， 则最多 可以由3 2 个s csi 设备 l3 1 . 3 . 1 . 2物理特性 s c sl一1 采用两种可选的信号 传输形式: 单端信号和差分信号。 但两者采用 相同的传输线: a电缆包含8 位数据总线. 如果系统要超过8 位并行数据， 则可 以 使用s c sl一 2 标准，s c sl 一 2 标准规定了16位、犯位数据总线，因此必须在a 电 缆的 基础上另外加一根电 缆即b电 缆， b电缆包括d b(0一7) 以 外的d b(8 一 3 1 ) 以及相应的控制信号， 通过使用两根电缆就保证s c sl 一 1 和s csi 一的兼容 性。 s csi 设备通过a电 缆和可选的b电缆以菊花链形式连接成一个系统， 但单 端方式 和差分方式在 一个系统中 不能同时 存在113 1 。 3 . 1 . 3逻辑特性 s c sl设备可以作为主设备，也可以作为目 标设备。主设备是请求执行一个 刀 0进程、发出命令的s csi 设备，目 标设备则是一个刀 0命令的执行者。 通常 情况下， 与主机相连的适配器是主设备， 它接受来自 主机的刀 0任务， 并以s c si 命令形式通知目 标设备执行相应的刀 0处理;而外设控制器通常就是目 标设备。 但在一 个系统中主设备和目 标设备并不是固定的， 两者的划分是根据它们在刀 0 任务处理过程中 所起的不同作用来确定的。 一个目 标设备本身可以具有多个逻辑单元，一个逻辑单元可以是物理设备 也可以是虚拟设备，一个外设可以是单个外设的一个部分，也可以是几个外设 的结合体。由于系统建立时执行的初始化操作不同，因此可以根据外设的情况 定 义逻辑单元， 每个逻辑单元都有一个唯一的 逻辑单 元号l u n( 助g i cal u 创 t n u m b er)。 目 标设备的每个逻辑单元可以同时处理来自 任何一个主设备的刀 0进程。 这 些进程必须以一定的优先级顺序排队，由目 标设备进行统一的管理。每个主设 备发给每个逻辑单元的刀 0进程相关的排队标号，排队标号并不反映有限顺序， 第 3章isc sl技术概述 而是区分各个到 0进程的标志。 排队标号在逻辑上也可以看作是一个逻辑单元的 子单元， 不同排队 标号表示刀 0操作对象为不同的子单元， 如果把3 个硬盘当作 3 个逻辑单元， 则可以把硬盘的每个分区当作一个子单元， 而既可以把排队标号 看作是与刀 0进程相联系的标志，也可以看作是与物理设备相联系的子单元。 s c sl是一种系统级接口，它的高级命令结构、对逻辑地址的处理，都体现 出了智能化.s c sl地址体现在三个层次上: ( 1) s c sl设备地址 今 逻辑单元号 今 逻辑分区 ( 子单元) ( 2) s c sl设备地址 令 目 标例行程序号 s c sl设备地址即设备号是从0开始的，不同的s csi 设备具有不同的s c sl 设备号，逻辑单元号是指目 标设备上的每个逻辑单元对应的一个唯一逻辑序号。 目 标例行程序是指与目 标设备有关的测试诊断子程序。如果需要调用不同的子 程序，则必须给出确定的目标例行程序号。目标例行程序号，它只与目 标设备 有关，与具体逻辑单元无关，主设备用它来进行诊断、维护。 逻辑分区地址是根据逻辑单元划分的不同逻辑扇区或区段。无论是顺序存 取设备还是随机存取设备都是以逻辑扇区为单元进行分配的。一个逻辑扇区可 以是一个物理扇区，也可以多个物理扇区，如5 12字节、1 024字节等。 逻辑扇 区与物理扇区的划分和映射是由目标设备实现的，对于主设备而言物理地址是 透明的， 所有的刀 0操作都是根据逻辑地址进行信息交换。 物理设备的缺陷也是 由目 标设备处理，目标设备自 动为所有不可用的坏分区进行列表管理。对于主 设备而言，外设是一个具有连续可用地址的 “ 完好”设备。 s csi 接口 使用逻辑地址简化了操作，减轻了主机的负担，主机可以不必了 解具体外设的特征。此外，使用逻辑地址也增加了设备操作的可靠性，设备的 缺陷由目 标设备来管理，从逻辑上保证了设备的完整性【 川 。 3 . zi s c s i 技术特性 随着各种应用对计算机刀 0带宽的需求不断增长， 传统的并行s csi 总线的 长度限 制导致不得不考虑如何通过某种串 行化模式来克服并行s c sl总线的这种 局限性。 ibm和qsco 公司在2 1洲 洲 ) 年1 月提出了iscsi 协议草案， 并在2 (x)3 年 2 月份由 互联网工程任务组正t f 制定为is c sl标准. is csi 协议继承了s csi 协议所具备的稳定性和可靠性.基于 s c sl协议的 第3 章 is c sl技术概述 is c sl协议可以使得主机系统与不同的外部设备进行基于数据块的u o操作，这 些外部设备包括磁盘、磁带设备、光纤存储设备，也包括打印机和扫描仪设备。 传统的主机与外部设备的s c sl连接是基于并行电缆的， 它不可避免地存在使用 距离和设备支持的限制， 而is csi 是一种新的基于网络体系结构的刀 0技术， 能 够很好地解决传输距离和设备支持的限制。 3 . 2 . 1技术概述 is c si是一种新的基于ip的网络存储协议，能够将s csi 命令通过ip网络 进行传输。在ip网络上传送数据使得存储变得更加便利，而且可以实现远程存 储管理。 is c si协议是推动s a n快速发展的关键技术之一，因为它使数据的传 送变得更加快捷，而且 ip 网络的灵活性可以使得 is c s i 在局域网、广域网和 加e rne t 上的任意位置进行数据传输。 is csi 协议使标准的s csi 命令能够在t c p / ip网络上的主机系统和存储设备 之间传送，而且is csi 协议支持在系统之间传送标准的s csi 命令，系统之间连 接是通过标准的ip网 络基础设施实现的，而不是通过s csi 线缆或者光纤通道。 s csi 命令可以通过发起端上的软件以标准的 t c p 月 p协议和现有的网络接口卡 nlc( n etwo rk如 te ri 油 c e c ar d ) 来完成传送， 但由 于处理t c p 月 p 协议需要占 用较 多的c p u资源， 所有“ 软” 实现的方法会对系统性能造成一定的影响。另一种 方法就是 采is csl 主机总线适配器h b a(h os t b usadapter) 以 硬件的 方式实现， is csi h b a可以 完成is csi 层和t c p / ip协议栈的功能，使得操作系统完全卸载 is csi 和t c p 月 卫协议处理的重负， 提高了系统性能，但由于采用的是专用 1 别 洛 1 h b a ， 这种方式的硬件成本很高。 is csl 协议的 工作原理是: 当终端用户或应用程序发出一个请求后， 操作系 统将生成一个相应的s c sl命令和数据请求，s csi 命令通过is csi 层进行封装， 然后在前面加上t c p 月 p 协议的包头，就可以在以 太网上传输。目 标端在收到这 个数据包后按照相反的方向进行解封装，解析出原始的s esl 命令和数据请求， 再把s csi 命令发送给s csi 存储设备驱动程序， 因为is csi 协议是双向的协议， 所以 它可以 将数据处理后的响应返回给发起端。 is c s i 存储网络主要是由iscsi 发起端，如文件服务器和isc sl 目 标端，如 磁盘阵列和磁带子系统组成。 主机和存储设备同时支持千兆以 太网 接口 和is csi 协议，从而使得存储设备可以直接与千兆以太网交换机和 ip路由器相连，在网 第3 章is c sl技术概述 络中被看作是普通的ip实体。 与通常的ip实现机制一样， 存储设备也需要一个 ip地址以 及类似域名服务 器d n s(dom ai n n a m e s etver) 的 名字地址查询 服务， 因此is csi 发起端首先查询is csi 目 标端，获得所需目 标资源的ip地址，然后 再建立t c p连接。 3 . 2 . zi s c s i 与5 璐1 的关系 s c sl协议 在十几年前 就已 经成为 服务器和 存储设备 之间 传输块 伪 l oc k) 数据 的重要协议。目 前， s csi 接口己经可以 做到与更复杂更快的操作系统时刻保持 同步。s csi 协议支持大多数类型的存储外部设备，如磁盘和磁带，可以使较新 的系统硬件和高智能控制器的优势得到良好的发挥。 尽管s csi 协议由许多优势， 但它在传输距离、支持设备的数量和灵活性等方面存在着一些固有的局限性， 这使得它满足不了分布式网络环境的要求。i s c sl协议的出现弥补了s c sl协议 的不足，很好地解决了在多个系统之间共享存储设备的问 题。 因此， iscsi 协议是一种集成了s c sl协议和t c p 月 p 协议的新的网络存储协 议。s c sl协议和is csi 协议的应用关系如图3. 1 所示: 卜妞 ， 怀r 用户应用程序 文件系统 ( h 习 人 ) s c s i 总经 s c sl总线 进盘 scsl 协议摸型 心c “协议模型 图3 . i s csi 和is csi 应用模型比较 第 3 章is c s i 技术概述 iscsi 协议是在 s c sl 的基础上扩展了网络功能，s c sl 协议只能访问本地 s csi 设备，而is csi 协议可以让s esl 命令通过网络传送到远程的s csi 设备， 将数据的储存变得更加灵活。 3 . 3 1 3 . 3 。 1 scsl协议模型和相关技术 i s c s i 协议模型 is c si协议包括发起端 ( 面ti ator ) 和目 标端 (t a r g e t ) 两个部分， 发起端 为有网 络存储要求的客户机，目 标端为带有存储设备的服务器。 is csi 体系结构 如图3 2所示: 图3 .2is csl 体系结构图 发 起端和目 标端之间的 通信称为 会话(s es s io n) ， 一个会话 包含一 个或 者多 个 t c 卫 连接。 初始化阶段， 由 发起端向目 标端发起建立连接请求， 然后is csi 执行 登 录操作， 建立会话. 登录 完成后， is csl 进入全双工阶段 伽n feat u rep h as e) ， 开始正常的s c sl交互。 当发起端向目 标端发起一个存储刀 0请求是，根据图3. 2 所示的is c sl体系 结构， 发 起端操作系统 先把该 请求转 化成为 s csi 命令， s csi 命令经过 is csi 层时， 被封装为is c s l 协议数 据单元p d u(p ro to c o l d a l a u n i t ) ， 再 经过t c p 月 p 第3章isc s i 技术概述 协议栈封装成ip数据包， 就可以在ip网络上向目 标端传输， 封装后的is c sl协 议数据报格式如图 3. 3 所示: 图3. 3 is csi 协议数据报格式 目 标端收到 ip数据包后，按照相反的 方向 解封装，恢复成封装前的 s c sl 命令，再把该命令交给目 标存储设备处理。处理结束后，目 标端把得到的s c sl 响应和数据沿着相反的路线封装成isc sip d u ， 再传回给发起端:发起端收到 返回的 ip数据包后解封装，把提取的 s c si 响应和数据交给操作系统处理.当 所有请求都被处理完，发起端则主动断开连接， 整个会话结束。 iscsi 协议是为从主机到存储设备的端到端连接而设计的，is c sl技术能够 使主机与兼容的存储存储设备通过ip交换机进行通信，而驱动器仍然可以使用 原先的s c sl驱动器。 3 . 3 . zi s cs! 数据包格式 is csi 协议数据单元即is csi p d u ，随着标准的不断修改更新这部分也是会 变化的。 is csi p d u包含一个或多个头部， 后面跟一个可选的数据段， 其长度总 是填充为4 个字节的整数倍。它由四个部分组成，格式如图3. 40 第3 章is c s i 技术概述 勿1 76 5 43 21 0 76543210 76，4321 07 6， 4 3 21 0 0xl 操作码 frw00人tl ， r 保留cr n or r目 别 翻 飞 cd 4 八 】 5 长度 数据段长度 吕 逻辑单元数 l 6 in 币 曰 “ 端的 任务 标 识， 20 预期的数据传物长度 24 命令序列号 28 预期的状态顺序号或数据结束顺序号 32 s c s 】 命令描述块 (cd 日 ) 4 卜 附 加 头 部 柑15 ( 可 选) 、 头 部数 据 校脸 ( 可选) 数据段 ( 命令十数据+数据段校脸 ( 可选) 图3 4 is csi p d u单元格式 基本头 部( b h s) : 这是数据单元的 必备部分， 为48 字节长 度。 它包括操作 码 ( 。 芦 叼c) 、 附 加 头 部总 长 度( 肠切 】a h s i 刀 n gtn) 和 数据 段 长 度 ( d a t a s e gme ni l 君 n g t h ) 等。 头部和数据段摘要:这部分用以 保证数据的完整性和真实性， 摘要类型在 登录阶 段 协 商。 将head er与d ata的dige st 分离， 以 利于is csl 路由 。 压g es t 不 包含d at a 或heade r 长度内。 附加头部( ahs):附加信息。 数据段( 可 选) : 包 含p du关 联的 数据， 长度由b hs 中的d atase glnetl ength 给出。 第3 章 is c sl技术概述 3 . 3 . 3t a r e