FC和iSCSI协议分析比较论文

1、FC和iSCSI协议分析比较论文摘要Fc和iScSI是目前存储区域网络 SAN的两个主流 协议。该文介绍 Fc 和 iScSI ( InternetScSI )协议的协议结 构以及流量控制和发现机制，在零复制和流量控制等方面对 Fc 和 iScSI 的协议功能进行了分析比较。 关键词存储区域网 络;Fc;iScSI;零复制。1引言SAN是一种专用网络，是网络 服务器群的后端，可采用光纤通道或 iScSI 等存储专用协议 连接成高速专用网络，使网络服务器与多种存储设备直接连 接。 SAN 的最大特点就是可以实现网络服务器与存储设备之 间的多对多连接，而且，这种连接是本地的高速连接。SAN架构的优

2、势在于，强大的扩展性、多种存储设备的集中和新 架构支撑下的新型数据应用方式，在安全意义下负责可持续 的存储和数据传输。 目前， Fc 和 iScSI 是应用于存储区域网 吉比特速率的两种主要技术。 2Fc 协议分析 2。 1Fc 协议结构 光纤通道按协议层进行分层，各层之间技术相互独立，留有 增长空间，并且由被认可的标准化机构进行开发，分层结构 共分 5 层, 如图 1 所示。图 1Fc 协议层次 c-0:Fc-0 层定义了连接的物理端口特 性，包括介质和连接器的物理特性、电气特性和光特性、传 输速率以及其它的一些连接端口特性。Fc-1 :规定了 8B10B 编码方式和传输协议包括串行编码、解

3、码规则、特 殊字符和错误控制。c-2 （帧协议）：规定了具体的传输机制，包括帧格式，节点间的信息交换。c-3 （公共服务）：提供高级特性的公共服务，即端口间的结构协议和流动控制， 它定义了三种服务：条块化、搜索组和多路播放。Fc-4 :定义了 Fibrechannel 和 IP， ScSI-3 以及其他的上层协议 （ULP）之间的接口。 2.2FC流量控制Fc中的流量控制机制 是在信用度系统上的基础上。所谓的信用度是指设备接受额 外帧的能力。信用度的多少决定了设备接收额外帧能力的大 小。如果接受方没有向发送方发出任何的信用度, 那么发送方就不能发送任何帧 , 在信用度的基础上协调帧传送 , 可

4、以 避免帧的丢失 , 同时减少了对整个帧序列进行重传的频率。 实际上 , 这种基于信用度的机制建立在终端节点能够提供的 缓冲区的数目上 , 这些缓冲区用于存储到来的数据流。例如， 拥有板上存储器的主机总线适配器，可能被分派作为接受缓 冲区，成为 Fc-1 解串和译码功能，以及 Fc-2 的帧重新装配 功能之间的接口。当 Fc-1 来提交帧的时候，这种接受缓冲 区被充满；当 Fc-2 的装配线取出各个帧进行数据块的重建 时，这种接受缓冲区被清空。为了充分的利用 Fc 的传输能 力，最好能够连续的多发出多个帧。这一点在事务开始前由 授权充分信用度来实现，同时利用 Fc 的全双工能力在帧还 未接受时

5、就发出附加的信用度。 Fc 中常用的两种是端到端和 缓冲区到缓冲区的流量控制。端到端的流量控制机制是在两个终端节点之间使用的 流量控制。在两个通信节点登录并交换通信参数时候，建立 起传输信用度，并且由节点本身来监测。中间的交换机不参 与端到端流量控制。如图 2 所示图 2Fc 基于信用的流量控制一旦一个初始的信用度等级 授权后，如果要补充信用度的话，要由接受方向发送出应答(Ack)来实现。每发出一个帧发送方就消耗了一个端到端 的信用度( EE-credit )，只有当其接收到一个 Ack 后才能增 加信用度。光纤通道中还定义使用 BB-credit 的流量控制机 制，并且依靠 receive-

6、ready 有序集补充信用度，如图 2 所 示。某个附接到交换机的终端接点将在登录到交换机的过程 中建立它的 BB-credit 。在交换机远端参与通信的一方将在 登录时建立其自身交换机的 BB-credit 。 BB-credit 没有端 到端的成分。发送方在发出一个帧时将 BB-credit 减 1，直 到 BB-credit 的数量为零的时候 . 此时不能再进行帧发送。 在接收到 R-RDy 时将 BB-credit 加 1。 BB-credit 的初始值 必须是非零的。如果为零的话 , 说明不能再接收或者发送帧。 2.3Fc 发现机制在 Fc 中，当一个新的设备加入到网络中时， 它要与

7、它的网络的管理者(一般是交换机)取得联系，网络 管理者便会依次告知所有那些已经注册过的和那些需要被 通知这一事件的设备。此外，在 Fc 中，由于为了增强网络 的灵活性和安全性，有时可能需要进行分区。当一个新的设 备加入到网络中的时候，该设备首先与它同在一个分区的其 它现有设备完成注册，然后连接这个设备的交换机会把这一 事件告知其他的分区的设备和其它的交换机。图 3Fc 发现机制如图 3 所示，如果当 A 区的节点 A 加入网络时，它先与 Fc 交换机取得联系，那么 Fc 交换机将把 A 节点加入网络的 这一信息先后分别告知节点 B 和节点 c 以及 B 区的节点 D 和 节点E。至此，A节点就

8、加入到网络中，可以与A区与B区中的设备进行通信。 3iScSI 协议分析 3.1iScSI 协议结构如 同任何一个协议一样， iScSI 也有一个清晰的层次结构，根 据 oSI 模型， iScSI 的协议栈自顶向下一共可以分为五层， 如图 4 所示：图 4iScSI 协议分层模型 .ScSI 层：根据应用发出的请求 建立ScSIcDB,并传给iScSI层；同时接受来自iScSI层的 cDB,并向应用返回数据。.iScSI层：对ScSIcDB进行封装， 以便能够在基于 TcPIP 协议的网络上进行传输， 完成 ScSI 到 TcP IP 的协议映射。 这一层是 iScSI 协议的核心层。 .Tc

9、P 层：提供端到端的透明可靠传输。 .IP 层：对 IP 报文进行路 由和转发。 .Link 层：提供点到点的无差错传输 3.2iScSI 流 量控制与超时重发流量控制是指发送方控制发送数据帧到 网络的速率。发送方发送的速率般是传送路径上的交换机、 路由器或接收方可用的缓冲区大小的函数。 iScSI 则采用 TcP lP 协议的端到端的流量控制机制， 以可变发送窗口的方式 进行流量控制。发送窗口在连接建立时由双方面定，但在通 信过程中，接收方可根据自己的资源使用情况，随时动态地 调整自已的接收窗口，然后告诉对方，使发送方的发送窗口 和自己的接收窗口一致。 iScSI 采用的是 TcP 的自适应

10、超时 重发算法，可根据网络的情况动态调整。这种算法记录每一 个报文段发出的时间以及收到相应的确认报文段的时间，这 两个时间之差就是报文段的往返时延RTT,当发送一个数据段时，启动相应的定时器，如果定时器超时确认报文段还没 有到达，就触发数据配发机制。如果超时之前得到确认，就 记录新的往返时延，将各个报文段的往返时延样本进行加权 平均得到新的报文段的平均往返时延RTT,显然定时器设置的重发时间应大于平均的往返时延RTTo在实际应用中，RTT的算法还很复杂，目前一般采用的是karm 算法。 3.3iScSI发现机制 iScSI 发起端为了和 iScSI 目标端建立 iScSI 会话， iScSI

11、需要知道 IScSI 目标端的 IP 地址， TcP 端口号和名字 三个信息。iScSI发现的目的是为了让iScSI发起端获取一 条到iScSI目标端的通路。iScSI有三种发现机制：静态 配置：在 iScSI 发起端已经知道 iScSI 目标端的 IP 地址 TcP 端口号和名字信息时，iScSI发起端不需要执行发现。iScSI 发起端直接通过 IP 地址和 TcP 端口来建立 TcP 连接，使用 iScSI目标端的名字来建立iScSI会话。这种发现机制比较适合比较小的 iScSI 体系结构 SendTarget 发现：在 iScSI 发起端知道 iScSI 目标端的 IP 地址和 TcP

12、端口的情况下， iScSI 使用 IP 地址和 TcP 端口号建立 TcP 连接后建立发现对 话。iScSI发起端发送SendTarget命令查询网络中的存在的 iScSI 信息。这种方法主要用于网关设备， iScSI 发起端被 静态配置连接到指定的 iScSI 设备。 iScSI 发起端和 iScSI 网关设备建立对话并发送 SendTarget 请求给 iScSI 网关设 备。 iScSI 网关设备返回一系列和它相连的 IScSI 目标端的 信息。iScSI发起端选择一个目标端来建立对话。零配置 发现：这种机制用于 iScSI 发送设备完全不知道 IScSI 目标 端的信息的情况下。 iS

13、cSI 发起端利用现有的 IP 网络协议 SLP（ ServiceLocationProtocolforDiscovery,服务定位协议）。iScSI目标端使用SLP来注册，iScSI发起端可以通过 查询 SLP 代理来获得注册的 iScSI 目标端的信息。当 iScSI 目标端加入到网络中的时候，拓扑结构也随之改变。虽然这 种方法增加了实现的复杂性，但它不需要重新配置发起端即 可找到新的目标端。 4Fc 与 iScSI 协议的比较本文主要从下 面几个方面对两个协议进行比较 :4.1 流量控制机制对网络 的适应性 Fc 采用基于信用的流量控制机制，当接受者有足 够的缓存接受发信者的数据时，接受

14、者把 credit （信用度） 分配给发信者。 它根据发送者的请求分配 credit ，仅当发送 者没有用完它的 credit 时，它才可以发送数据。 在 mAN/wAN中，发送者必须要等待很长时间来获得接受者的确认消息 （以向网络发送新的数据） 。这种基于信任的流量控制机制 降低了网络的利用率。 iScSI 是基于窗口的发送机制，由于 发送方可以根据网络的拥塞情况动态地调整发送速率，因此 iScSI 的流量控制机制对网络的适应性更好，尤其在网络传 输延迟较大的网络中。 4.2 超时重发机制的灵活性在TcPIP 协议中， TcP 使用自适应重传算法以适应互连网络时延的 变化。它的要点是： Tc

15、P 监视每一条连接的性能，并计算出 报文的往返时间 RTT。当连接的性能变化时，TcP随即修改 RTT RTT被发送方用来决定是否重传报文。而Fibrechanne使用的是静态的超时重发机制，不会根据网络的情况动态地 加以改变，因此发送方可能过早或过迟地出现超时，这对改 善网络的综合性能不利。相对而言， iScSI 可以动态地自适 应于网络的当的情况，可以改善网络的综合性能，从这个角 度看， iScSI 应该优于 Fibrechannel ，更加适合目前的网络 情况 4.3cPU 对数据封装的负担大小在存储环境中，发出的 块 I 0 请求的大小一般介于 4k 到 64k 之间。以 8k 的块

16、I 0 请求为例，已经知道在 iScSI 中以太网帧的大小是 1.5k ， 在Fc中，Fc的帧大小是2k。因此8k的块l/o请求必须被 分成多个小的段，以适应不同的传输帧大小。在 Fc 中，分 段和重组操作是在网卡中实现的，因此减轻了主机cPU的负担。对于 iScSl 协议，由于分段与重装是有 cPU 来完成的， 因此增加了 cPU 的负担。 4.4 是否能保证数据安全传送在安 全性方面，因为 iScSI 的一个设计标准是它在不受信任的广 域环境中的使用， iScSI 规范允许使用多种安全方法。位于 iScSI 层下的加密方案（例如， IPsec ），不需要在 iScSI 端 设备之间进行协商

17、，它们对于高层应用程序来说是透明的。对于其他的认证实现（如, kERBERo或者公钥/私钥的交换）, iScSI 登录过程为两个端设备协商两者都支持的安全类型提 供了文本字段。如果协商成功，iScSI设备之间的PDU交换 将由所使用的安全程序根据适当的安全确认需求而被格式 化。 iSNS（ InternetStorageNameServer ）服务器也可以协 助此过程（如作为公钥的仓库） 。光纤通道是工作在第二层 的协议，原本并没有建立相应的安全机制以及安全通用协议， 只不过是基于逻辑上的数据通道绑定。 5 结束语对于传统的 基于LAN的SAN来说，Fc是比iScSI更好的网络互连协议， 因为 Fc 的零复制和分段组装机制大大地减轻了 cPU 的负担， 加快了数据的处理。但是，随着存储应用的增长，存储网络 往往需要跨越很远的距离，由于在流量拥塞控制机制、发现 和地址机制、 超时重发机制、 安全机制等方面的优势， iScSI 比 Fc 更 适 合 这 种 情 况 。 参 考 文 献 :1iScSIProtocolconceptsandImplementation。cisioSystemsInc 。 ,XX。 2 罗金平，汪东