IP网络存储iSCSI的概念与工作原理

存储的概念与术语

    在存储的世界里，有各种各样的名词和术语，常见的有SCSI、FC、DAS、NAS、SAN等。本节重点介绍与存储相关的术语和知识。

1、SCSI介绍

    SCSI是小型计算机系统接口(Small Computer System Interface)的简称，SCSI作为输入/输出接口，主要用于硬盘、光盘、磁带机、扫描仪、打印机等设备。

2、FC介绍

    FC是光纤通道(Fibre Channel)的简称，是一种适合于千兆数据传输的、成熟而安全的解决方案。与传统的SCSI技术相比，FC提供更高的数据传输速率，更远的传输距离，更乡的设备连接支持，更稳定的性能，更简易的安装。

3、DAS介绍

    DAS是直连式存储(Direct-Attached Storage)的简称，是指将存储设备通过SCSI接口或光纤通道直接连接到一台计算机上。当在地理上比较分散，很难通过远程进行互连时，DAS是比较好的解决方案。但是这种式存储只能通过与之连接的主机进行访问，不能实现数据与其他主机的共享，同时，DAS会占用操作系统资源，例如CPU资源、IO资源等，并且数据量越大，占用操作系统资源就越严重。

4、NAS介绍

    网络接入存储（Network-Attached Storage）简称NAS，它通过网络交换机连接存储系统和服务器，建立专门用于数据存储的私有网络，用户通过TCP/IP协议访问数据，采用业界标准的文件共享协议如NFS、HTTP、CIFS来实现基于文件级的数据共享。NAS存储使文件共享访问变得更方便和快捷，并且能很容易地增加存储容量。通过专业化的文件服务器与存储技术相结合，NAS为那些需要共享大量文件数据的企业提供了一个高效的、高可靠的、高性价比的解决方案。但是NAS也有一定的局限性，它会受到网络带宽和网络拥堵的影响，在一定程度上限制了NAS的网络传输能力。

5、SAN介绍

    存储区域网络(Storage Area Network)简称SAN，它是一种通过光纤交换机、光纤路由器、光纤集线器等设备将磁盘阵列、磁带等存储设备与相关服务器连接起来的高速专用子网。

    SAN由3个部分组成，分别是连接设备(如路由器、光纤交换机和Hub)、接口(如SCSI、FC)、通信协议（如IP和SCSI）。这3个部分再加上存储设备和服务器就构成了一个SAN系统。SAN捉供了一个灵活的、高性能的和高扩展性的存储网络环境，它可以更加有效地传输海量的数据块。由于采用了光纤接口，因此SAN还具有更高的带宽，同时，SAN也使统一管理和集中控制实现简化。现在SAN已经广泛应用于ISP和银行等，随着用户业务量的增大，SAN的应用前景将越来越光明。

iSCSI的概念

    iSCSI，即internet SCSI，是IETF制订的一项标准，用于将SCSI数据块映射为以太网数据包。从根本上说，它是一种基于IP Storage理论的新型存储技术，该技术将存储行业广泛应用的SCSI接口技术与IP网络技术相结合，可以在IP网络上构建SAN。简单地说，iSCSI就是在IP网络上运行SCSI协议的一种网络存储技术。iSCSI技术最初由Cisco和IBM两家开发，并且得到了广大IP存储技术爱好者的大力支持，这几年得到迅速的发展壮大。

    对于中小企业的存储网络来说，iSCSI是个非常好的选择。首先，从技术实现上来讲，iSCSI是基于IP协议的技术标准，它允许网络在TCP/IP协议上传输SCSI命令，实现SCSI和TCP/IP协议的连接，这样用户就可以通过TCP/IP网络来构建SAN，只需要不多的投资，就可以方便、快捷地对信息和数据进行交互式传输和管理。但是，在iSCSI出现之前，构建SAN的唯一技术是利用光纤通道，这要花费很大的建设成本，一般中小企业无法承担。其次，iSCSI技术解决了传输效率、存储容量、兼容性、开放性、安全性等方面的诸多问题，在使用性能上绝对不输给商业的存储系统或光纤存储网络。

    iSCSI的优势主要表现为：首先，iSCSI沿用TCP/IP协议，而TCP/IP是在网络方面最通用、最成熟的协议，且IP网络的基础建设非常完善，同时，SCSI技术是被磁盘和磁带等设备广泛采用的存储标准，这两点使iSCSI的建设费用和维护成本非常低廉；其次，iSCSI支持一般的以太网交换机而不是特殊的光纤通道交换机，从而减少了异构网络带来的麻烦；还有，iSCSI是通过IP封包传输存储命令，因此可以在整个Internet上传输数据，没有距离
的限制。

 FC SAN与IP SAN

    在iSCSI技术出现后，通过IP技术搭建的存储网络也应运而生，SAN技术也就出现了两种不同的实现方式，即FC SAN与IP SAN。简单来说，以光纤搭建的存储网络就是FCSAN．以iSCSI技术搭建的存储网络叫做IP SAN。

    作为SAN的两种实现方式，FC SAN与IP SAN各有优劣，下面从几个方面分别阐述。
     在数据传输方式上，FC SAN与IP SAN都采用块协议方式来完成。这是它们的相同点。
     在传输速度上，就目前的传输速率而言，FC SAN(2Gbit/s)最快，iSCSI(lGbit/s)次之，口在传输距离上，FC SAN理论上可以达到100公里，而事实上，传输超过50公里后，就会出现瓶颈。而通过IP网络的iSCSI技术在理论上没有距离的限制，即iSCSI可以进行没有距离限制的数据传输。
     往管理及维护成本上，架设FC SAN网络需要投入很多硬件成本，并且需要特定的工具软件进行操作管理，而IP SAN构建成本低廉，由于iSCSI是通过IP网络来传输数据和分配存储资源的，因此只要在现有的网络上进行管理和使用即可，这样就可以省下大笔的管理费用及培训成本。

    其实IP SAN也面临着一些不可回避的困扰：首先，基于IP SAN的网络存储还没有得到用户的充分肯定：其次，IP SAN存储需要专门的驱动和设备，幸运的是，一些传统的光纤适配器厂商都发布了iSCSI HBA设备，同时Inter也推出了专用的IP存储适配器，而Microsoft、HP、Novell、SUN、AIX、Linux也具有iSCSI Initiator软件，并且免费供用户使
用：还有，在安全方面，IP SAN虽然有一套规范的安全机制，但是尚未得到用户的认可。

    这些问题和困扰虽然会妨碍iSCSI的发展，但是相信在未来的网络存储世界里，IP SAN绝对金拥有一席之地。

iSCSI的组成

一个简单的iSCSI系统大致由以下部分组成：

iSCSI Initiator或者iSCSI HBA
iSCSI Target
以太网交换机
一台或者多台服务器

一个完整的iSCSI系统的拓扑结构如图所示。

   完整的iSCSI系统拓扑结构

    在图中，iSCSI服务器用来安装iSCSI驱动程序，即安装iSCSI Initiator；Storage Router可以是以太网交换机或者路由器；iSCSI存储设备可以是iSCSI磁盘阵列，也可以是具有存储功能的PC服务器。下面详细介绍一下iSCSI Initiator与iSCSI Target的含义。

1、iSCSI Initiator

    iSCSI Initiator是一个安装在计算机上的软件或硬件设备，它负责与iSCSI存储设备进行通信。

    iSCSI服务器与iSCSI存储设备之间的连接方式有两种：第一种是基于软件的方式，即iSCSI Initiator软件。在iSCSI服务器上安装Initiator后，Initiator软件可以将以太网卡虚拟为iSCSI卡，进而接受和发送iSCSI数据报文，从而实现主机和iSCSI存储设备之间的iSCSI协议和TCP/IP协议传输功能。这种方式只需以太网卡和以太网交换机，无需其他设备，因此成本是最低的。但是iSCSI报文和TCP/IP报文转换需要消耗iSCSI服务器的一部分CPU资源，只有在低I/O和低带宽性能要求的应用环境中才能使用这种方式。

    第二种是硬件iSCSI HBA (Host Bus Adapter)卡方式，即iSCSI Initiator硬件。这种方式需要先购买iSCSI HBA卡，然后将其安装在iSCSI服务器上，从而实现iSCSI服务器与交换机之间、iSCSI服务器与存储设备之间的高效数据传输。与第一种方式相比，硬件iSCSIHBA卡方式不需要消耗iSCSI服务器的CPU资源，同时硬件设备是专用的，所以基于硬件的iSCSI Initiator可以提供更好的数据传输和存储性能。但是，iSCSI HBA卡的价格比较昂贵，因此用户要在性能和成本之间进行权衡。

    iSCSI Initiator软件一般都是免费的，Centos和RHEL对iSCSI Initiator的支持都非常不错，现在的Linux发行版本都默认自带了iSCSI Initiator。

2、iSCSI Target

    一个可以用于存储数据的iSCSI磁盘阵列或者具有iSCSI功能的设备都可以被称为“iSCSI Target”，因为大多数操作系统都可以利用一些软件将系统转变为一个“iSCSI Target”。本章重点讲述如何构建一个PC构架的iSCSI存储系统。所谓PC构架就是选择一个普通的、性能优良的、可支持多块磁盘的PC（一般为PC服务器），再选择一款相对成熟稳定的iSCSI Target软件，将iSCSI Target软件安装在PC服务器上，使普通的PC服务器转变成一台iSCSI存储设备，并通过PC服务器的以太网卡对外提供iSCSI数据传输服务。

    目前大多数iSCSI Target软件都是收费的，例如DataCorc 的SANmelody，FalconStor的iSCSI Server for Windows等，这些都是Windows平台支持的。不过，也有一些Linux平台的开源iSCSI Target软件，例如iSCSI Enterprise Target，后面的内容会重点介绍这个软件。

    利用iSCSI Target软件，可以将服务器的存储空间分配给客户机使用，客户机可以像使用本地硬盘一样使用iSCSI磁盘，包括对其进行分区、格式化及读写等。而且每个客户端都可以向iSCSI磁盘写数据，互不干扰，并且不会破坏存储到服务器中的数据。同时，iSCSITarget软件对用户权限控制非常灵活，支持配置文件。

    我们知道，iSCSI是使用TCP/IP协议进行通信的，因此，将iSCSI两端连接起来，仅仅需要一个以太网络就可以了。由此可知，iSCSI的存储性能和这个以太网络有直接关系，所以最好在iSCSI网络中使用千兆以太网交换机，劣质的网络设备会严重影响存储系统的性能，也就是说，要为每个服务器配备高质量的千兆以太网交换机，并提供两个连接。对于iSCSI Target，应该为每个独立阵列中的两个独立端口配备交换机，最后将交换机连接起来，采用这种配置方式，即使两个交换机中的一个出现了故障，整个iSCSI存储系统仍然能够正常工作，这保证了存储系统的不间断运行。

iSCSI的工作原理

    要理解iSCSI的工作原理，就必须知道iSCSI的层次结构。根据OSI模型，iSCSI的协议自顶向下一共可以分为三层，如图7-2所示。

  iSCSI的协议结构

    下面对每个分层进行简单介绍。

SCSI层：根据客户端发出的请求建立SCSI CDB（命令描述块），并传给iSCSI层。同时接收来自iSCSI层的CDB，并向应用返回数据。
iSCSI层：对SCSI CDB进行封装，以便能够在基于TCP/IP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。
TCP/IP层：对IP报文进行路由和转发，并且提供端到端的透明可靠的传输。

    iSCSI协议定义了在TCP/IP网络发送、接收数据块存储数据的规则和方式。先发送端将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中，然后通过IP网络转发，接收端收到TCP/IP包之后，将其还原为SCSI命令和数据并执行，执行完成后，将返回的SCSI命令和数据再封装到TCP/IP包中，之后再传回发送端。这样就完成了数据传输的整个过程。

    iSCSI的整个数据传输过程在用户看来是完全透明的，用户使用远端的存储设备就像使用本地的硬盘设备一样。不过，这只是理论状态，实际上iSCSI的数据传输速率并不能完全达到本地硬盘的数据传输速率，但差别并不明显。而且这种网络存储模式还有一个优点是安全性高，这对于数据集中存储的iSCSI来说显然非常重要。