基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究

王春才，閆 磊，李英韜

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春市萬易科技有限公司 工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

由于信息技術(shù)及電子商務(wù)的不斷壯大，各種數(shù)據(jù)以指數(shù)方式快速增長(zhǎng)，同時(shí)也由分散存儲(chǔ)逐漸轉(zhuǎn)向集中存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)的需求標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高．

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的提高和萬兆帶寬的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)正朝著網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化發(fā)展．目前在數(shù)據(jù)備份領(lǐng)域，主要有三類存儲(chǔ)方式，分別為直接附加存儲(chǔ) (DAS)，網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ) (NAS) 和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (SAN)．其中DAS屬于直連存儲(chǔ)架構(gòu)，SAN和NAS屬于共享式存儲(chǔ)架構(gòu)．DAS被認(rèn)為是一種低效率存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，既不方便數(shù)據(jù)保護(hù)也不便于數(shù)據(jù)共享，不利于使用需求和容量分配間的平衡．如今云技術(shù)和企業(yè)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)量指數(shù)性的增長(zhǎng)，使得需求市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力提出了更高的要求，而這一切對(duì)DAS都是不利的，所以DAS架構(gòu)逐漸退出了主流．取而代之的是NAS和SAN存儲(chǔ)方式．NAS直接使用局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因而NAS存儲(chǔ)在進(jìn)行數(shù)據(jù)備份或存儲(chǔ)過程中會(huì)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，不適合于數(shù)據(jù)塊級(jí)的應(yīng)用．SAN則很好的彌補(bǔ)了這一缺陷，它的出現(xiàn)使得存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等性能都得到了很大的提升．如今SAN已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)備份的主要存儲(chǔ)方式．

1 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)主要是為網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)主要有三個(gè)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大、可用性高和高傳輸速率．

1.1 網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)[1](NAS) 是一種專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，它包括存儲(chǔ)器件和內(nèi)嵌系統(tǒng)軟件，將它連接到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上，通過文件存取協(xié)議存取數(shù)據(jù)，可提供跨平臺(tái)文件共享功能．但是由于NAS采用文件請(qǐng)求的方式，它的性能相對(duì)塊請(qǐng)求方式的設(shè)備來說較差，擴(kuò)展性上也沒有采用SAN架構(gòu)的設(shè)備好．

1.2 存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)[1](SAN) 是一種以讓計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行通信為目的的高速網(wǎng)絡(luò)，它提供計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常與其他計(jì)算資源緊密集群來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程備份和存儲(chǔ)．一個(gè)完整的SAN系統(tǒng)包括應(yīng)用服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備三個(gè)部分(如圖1)．根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接口的不同，可以將其分為FC SAN和IP SAN兩種．當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)備前端提供FC接口并通過光纖通道協(xié)議[2][3](FC)與應(yīng)用服務(wù)器相連接的設(shè)備稱為FC SAN設(shè)備，將使用IP接口并通過iSCSI協(xié)議與應(yīng)用服務(wù)器連接的設(shè)備稱為IP SAN設(shè)備．

FC SAN[4]架構(gòu)將存儲(chǔ)設(shè)備組成單獨(dú)的FC存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)并利用光纖進(jìn)行連接，前端使用FC交換機(jī)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備可任意連接，I/O請(qǐng)求直接發(fā)送到存儲(chǔ)設(shè)備上．它將SCSI指令封裝在FC包中，包頭、包尾和校驗(yàn)碼占的比例非常低，因此其性能和效率非常高．FC SAN架構(gòu)將數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和傳輸介質(zhì)相互隔離成為相互獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，而且在數(shù)據(jù)的傳輸過程中不需要通過局域網(wǎng)，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造成影響，因此其擁有較高的可靠性和安全性，這也是其高性能的原因之一．但是，由于FC SAN需要光纖通道交換機(jī)、HBA卡以及光纖介質(zhì)等，它的造價(jià)非常昂貴，通常適用于需要高可靠性的企業(yè)級(jí)高端市場(chǎng)或短距離大數(shù)據(jù)量的備份．

圖1 SAN系統(tǒng)的組成

IP SAN[5]是一種應(yīng)用iSCSI技術(shù)的SAN網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸介質(zhì)為IP網(wǎng)絡(luò)．IP SAN架構(gòu)是基于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)構(gòu)建的，可將SCSI指令通過TCP通信協(xié)議傳遞以控制遠(yuǎn)程存儲(chǔ)設(shè)備．基于IP的SAN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性很高，并且由于IP技術(shù)是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其標(biāo)準(zhǔn)性和開放性早已成為共識(shí)．因此基于IP技術(shù)的IP存儲(chǔ)協(xié)議iSCSI在互聯(lián)互通方面有著先天優(yōu)勢(shì)，不存在任何兼容性問題．相對(duì)于FC SAN來說，IP SAN也更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可擴(kuò)展性和互操作性較高．

1.3 SCSI

SCSI[6]是一種用于計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備之間的系統(tǒng)級(jí)接口的獨(dú)立處理器標(biāo)準(zhǔn)．SCSI協(xié)議實(shí)現(xiàn)了端到端的I/O總線．SCSI總線上有發(fā)起端和接收端兩種設(shè)備．SCSI命令是由SCSI發(fā)起端發(fā)起，再傳輸給SCSI接收端處理．SCSI的發(fā)起端負(fù)責(zé)發(fā)起I/O進(jìn)程，接收端負(fù)責(zé)響應(yīng)請(qǐng)求，執(zhí)行I/O操作．互聯(lián)的SCSI設(shè)備使用SCSI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．

1.4 iSCSI技術(shù)

iSCSI技術(shù)[7]也被稱為SCSI Over IP，用TCP/IP 協(xié)議，它將SCSI 命令封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中進(jìn)行發(fā)送．iSCSI技術(shù)是一種基于internet及SCSI-3協(xié)議下的存儲(chǔ)技術(shù)，它的主要功能是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)設(shè)備之間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的封裝和可靠性傳輸．

具體來說，iSCSI技術(shù)就是將現(xiàn)有的SCSI接口與以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，將SCSI與TCP/IP結(jié)合可以使它在降低成本的同時(shí)也增加了工作距離和互操作性，并且可以支持千兆甚至上萬兆的以太網(wǎng)速率，使得服務(wù)器可以和使用IP網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)存設(shè)備交換數(shù)據(jù)．這是因?yàn)閕SCSI是一個(gè)供硬件設(shè)備使用的可以在IP協(xié)議上層運(yùn)行的SCSI指令集合，這種指令集合能夠?qū)崿F(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行SCSI協(xié)議，使其能夠在諸如高速千兆以太網(wǎng)上進(jìn)行路由選擇．

本質(zhì)上，iSCSI是一種利用IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸SCSI數(shù)據(jù)塊的方法，使用以太網(wǎng)協(xié)議傳送SCSI命令和數(shù)據(jù)．也就是說，iSCSI讓兩個(gè)主機(jī)通過IP網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)商然后交換SCSI命令．這樣，iSCSI就利用廣域網(wǎng)仿真了一個(gè)高性能本地存儲(chǔ)總線，從而創(chuàng)建了一個(gè)SAN．iSCSI不需要專用的電纜，它可以在已有的IP基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行．

2 基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

iSCSI是一種正在興起的IP存儲(chǔ)方案．以太網(wǎng)的普及使它的部署可以利用目前IT部門的既有經(jīng)驗(yàn)．iSCSI使用已經(jīng)廣泛普及的以太網(wǎng)來構(gòu)建IP存儲(chǔ)局域網(wǎng)，通過這種方法，iSCSI克服了直接連接存儲(chǔ)的局限性，使我們可以跨越不同服務(wù)器來共享存儲(chǔ)資源，并可以在不停機(jī)狀態(tài)下擴(kuò)充存儲(chǔ)容量，以這種方法傳輸SCSI數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳送．

IP SAN主要就是基于iSCSI技術(shù)組建起來的，即構(gòu)筑在IP協(xié)議基礎(chǔ)上的存儲(chǔ)局域網(wǎng)．iSCSI提供了發(fā)起端和接收端，這里的發(fā)起端和接收端是由軟件實(shí)現(xiàn)的．發(fā)起端(Initiator)[8]即典型的主機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)發(fā)出讀寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求，接收端(target)[8]即磁盤陣列之類的存儲(chǔ)資源，負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求．

目前實(shí)現(xiàn)iSCSI協(xié)議主要有三種方法．第一種是使用以太網(wǎng)卡[9]，iSCSI和TCP/IP等功能由主機(jī)CPU實(shí)現(xiàn)，但是這種方法在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)性能下降．第二種是使用智能網(wǎng)卡[10]，這種方式中iSCSI層功能仍由主機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是TCP/IP層功能由智能網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)，降低了CPU負(fù)荷．第三種是iSCSI HBA卡[11]方式，這種方法中iSCSI和TCP/IP功能都由HBA卡實(shí)現(xiàn)，這種方法中CPU負(fù)荷最小，但是造價(jià)最昂貴．在IP SAN架構(gòu)中我們使用第一種方法．

iSCSI的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)主要分為兩個(gè)部分：iSCSI發(fā)起端和iSCSI接收端．由于iSCSI是SCSI在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的傳輸協(xié)議，那么就需要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)SCSI發(fā)起端的功能，另一個(gè)是在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)接收端的功能．第一個(gè)問題在SCSI的SIML層(發(fā)起端中間層)[12]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，iSCSI需要通過SIML的接口才可以訪問SCSI硬件，從而將SIML接受到的SCSI命令轉(zhuǎn)換為IP包．第二個(gè)問題則需要SCSI的STML層[12-13](接收端中間層)實(shí)現(xiàn)，在IP網(wǎng)絡(luò)上收到SCSI命令后，經(jīng)FETD(發(fā)起端下層前端目標(biāo)端驅(qū)動(dòng)程序)[13]處理后獲得的SCSI命令和SCSI數(shù)據(jù)交給STML處理，STML執(zhí)行SCSI命令后返回命令響應(yīng)給FETD，F(xiàn)ETD再向發(fā)起端傳輸命令響應(yīng)．這樣，基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程就實(shí)現(xiàn)了，傳輸過程如圖2所示．

圖2 SCSI命令的執(zhí)行過程

基于iSCSI技術(shù)的IP SAN網(wǎng)絡(luò)具有非常高的性價(jià)比，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程備份、數(shù)據(jù)容災(zāi)和鏡像等功能，同時(shí)還可對(duì)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，并能通過IP網(wǎng)絡(luò)訪問其他IP存儲(chǔ)系統(tǒng)．

3 結(jié)論

現(xiàn)在越來越多的用戶認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)安全的重要性，存儲(chǔ)陣列保護(hù)、系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)容災(zāi)已經(jīng)成為了信息系統(tǒng)建設(shè)的熱點(diǎn)．存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)作為面向數(shù)據(jù)的“第二網(wǎng)絡(luò)”引發(fā)了信息化新浪潮．?dāng)?shù)據(jù)是未來網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)將成為主要的數(shù)據(jù)備份方式．

iSCSI的標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)都處于成長(zhǎng)中，據(jù)說有300多家公司支持這一標(biāo)準(zhǔn)，英特爾也把推動(dòng)iSCSI的普及和標(biāo)準(zhǔn)化作為自己在存儲(chǔ)領(lǐng)域的策略之一．由于IP互聯(lián)技術(shù)在成熟度、性價(jià)比和性能方面都有較大優(yōu)勢(shì)，可利用的資源和技術(shù)也非常豐富，再加上在SAN中采用TCP/IP協(xié)議并采用通用的存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，使得不同的廠商設(shè)備可以互操作，在許多廠商提出的城域網(wǎng)方案中，也把用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)任務(wù)作為重要的業(yè)務(wù)種類．通用網(wǎng)絡(luò)支持專門應(yīng)用的特色顯露無疑．

[1]李 瑛.常見的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)研究與比較[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,(6)：30.

[2]郝 樂.數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)研究[J].電子科技,2011,24(3):20～21.

[3]M．Bancroft,N.Bear,J.Finlayson,et al.Functionality and Performance Evaluation of File Systems for Storage Area Networks (SAN)[C].In the Eighth NASA Goddard Conference on Mass Storage Systems and Technologies,2000.

[4]黎小玉,田 澤,劉 娟,等.FC協(xié)議分析儀軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013,23(8):31～34.

[5]倪永軍,徐 忠.光纖通道協(xié)議技術(shù)分析與研究[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006,19(4):442～445.

[6]張新蕾.基于iSCSI的IPSAN研究及實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

[7]謝長(zhǎng)生,傅湘林,韓德志,等.一種基于iSCSI的SAN的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2003,40(5):746～751.

[8]趙俊欽.基于IP-SAN的云存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[9]張南平,楊照芳,夏紅霞.IPSAN基于IP的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)[J].微機(jī)發(fā)展,2003,13(1):19～21.

[10]白 勇,朱清新.基于iSCSI的IPSAN網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)及其安全性研究[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2009,46:12～17.

[11]杜越海.一種基于智能I/O的iSCSI HBA的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[12]陳大恒.基于iSCSI協(xié)議的IP SAN網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué),2006.

[13]鄧勁生.廣域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2005.