网络存储导论第九章：iSCSI 技术与应用

第九章 IP SAN 系统设计

    9.1 iSCSI 技术与应用

    九十年代以前，存储产品大多作为服务器的组成部分之一，这种形式的存储被称为SAS（Server Attached Storage，服务器附属存储）或DAS（Direct Attached Storage，直接附属存储）。随着技术发展，进入九十年代以后，人们逐渐意识到IT 系统的数据集中和共享成为一个亟待解决的问题。于是，网络化存储的概念被提出并得到了迅速发展。从架构上来分，今天的网络化存储系统主要包括SAN（Storage Area Network，存储区域网）和NAS（Network Attached Storage，网络附加存储）两大类。

    目前，许多网络存储提供商致力于将SAN 中使用的光纤通道（FC）设定为一种实用标准，但是其架构需要高昂的建设成本，远非一般企业所能够承受。与之相比，NAS 技术虽然成本低廉，但是却受到带宽消耗的限制，无法完成大容量存储的应用，而且系统难以满足开放性的要求。iSCSI 在避开了传统NAS/SAN 差别之后的以网络为中心的新存储方案（开放存储网络）中同时享受到NAS 和SAN 拓扑结构的优势。“iSCSI”（互联网小型计算机接口）标准把存储设备和服务器与应用普通互联网协议建立起来的网络结合在了一起，而不是使用速度更快但是价格更昂贵、更复杂的光纤通道技术，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。

    9.1.1 iSCSI 的概念

    iSCSI（互联网小型计算机系统接口）是一种在Internet 协议网络上，特别是以太网上进行数据块传输的标准。它是由Cisco 和IBM 两家发起的，并且得到了IP 存储技术拥护者的大力支持。是一个供硬件设备使用的可以在IP 协议上层运行的SCSI 指令集。简单地说，iSCSI 可以实现在IP 网络上运行SCSI 协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。

    SCSI（小型计算机系统接口）是以一种广泛使用的连接硬盘和计算机的技术标准，iSCSI 这种技术则是将该技术应用到网络连接上，对于中小企业的存储网络而言，iSCSI 技术的性价比要高于基于光纤的产品。iSCSI 是基于IP 协议的技术标准，是允许网络在TCP/IP 协议上传输SCSI 命令的新协议，实现了SCSI 和TCP/IP 协议的连接，该技术允许用户通过TCP/IP 网络来构建存储区域网（SAN）。而在iSCSI 技术出现之前，构建存储区域网的唯一技术是利用光纤通道（Fiber Channel），该标准制定于20 世纪90 年代初期，但是其架构需要高昂的建设成本，远非一般企业所能够承受。iSCSI 技术的出现对于以局域网为网络环境的用户来说，它只需要不多的投资，就可以方便、快捷地对信息和数据进行交互式传输和管理。相对于以往的网络接入存储，iSCSI 的出现解决了开放性、容量、传输速度、兼容性、安全性等问题，其优越的性能使其自发布之日始便受到市场的关注与青睐。

    9.1.2 iSCSI 的工作流程

    iSCSI 协议就是一个在网络上封包和解包的过程，在网络的一端，数据包被封装成包括TCP/IP 头、iSCSI 识别包和SCSI 数据三部分内容，传输到网络另一端时，这三部分内容分别被顺序地解开。

    iSCSI 系统由一块SCSI 卡发出一个SCSI 命令，命令被封装到第四层的信息包中并发送。接收方从信息包中抽取SCSI 命令并执行，然后把返回的SCSI 命令和数据封装到IP 信息包中，并将它们发回到发送方。系统抽取数据或命令，并把它们传回SCSI 子系统。所有这一切的完成都无需用户干预，而且对终端用户是完全透明的。

    为了保证安全，iSCSI 有自己的上网登录操作顺序。在它们首次运行的时候，启动器（initiator）设备将登录到目标设备中。任何一个接收到没有执行登录过程的启动器的iSCSI PDU （iSCSI Protocol Data Units，iSCSI 协议数据单元）目标设备都将生成一个协议错误，而且目标设备也会关闭连接。在关闭会话之前，目标设备可能发送回一个被驳回的iSCSI PDU。这种安全性是基本的，因为它只保护了通信的启动，却没有在每个信息包的基础上提供安全性。还有其他的安全方法，包括利用IPsec。在控制和数据两种信息包中，IPsec 可以提供整体性，实施再次（replay）保护和确认证明，它也为各个信息包提供加密。

    9.1.3 iSCSI 标准的制定情况

    建立符合行业标准的通过IP 网络传输存储信息的需求和机会同时存在，但问题是如何建立这个标准并且使之成为行业的统一标准。

    Bechtolsheim 及其小组和IBM 建立了合作伙伴关系，共同为新协议起草了一个标准，称为iSCSI（互联网SCSI），该标准允许在TCP/IP 协议上传输SCSI 命令。2000 年2 月，该小组将此草案作为互联网标准草案提交给互联网工程任务组（IETF）。同年3 月，IETF 会议对该草案进行了讨论，并决定成立一个IETF 工作组，负责制订通过IP 传输存储信息的技术。截至2000 年8 月，IETF 小组的成员已增加到500 人，代表着200 家公司或组织，几乎包括了所有的存储器、网络部件及系统供应商。

    目前，关于iSCSI 的标准制订已经进入最后阶段，估计明年初正式标准就将推出。IETF 日前宣布，它已完成了iSCSI 协议的工作，现在将为它分配征求意见编号。这项规范规定了软件在内联网上传送SCSI 包和在长距离上管理存储时，如何处理SCSI 数据包以及如何在TCP/IP 命令中封装它们。

    9.1.4 iSCSI 与FC(光纤通道)的比较

    网络存储主要由三大部分组成：服务器（host）、交换（switch）和存储设备（target）。在这三者中，交换是很关键的。网络存储的交换方式有两种，一种是光纤通道（FC），另外一种就是iSCSI。

    从数据传输的角度来看，光纤通道和iSCSI 有很大的不同：光纤通道的传输采用其FCP 协议，而iSCSI 采用Internet 上现有的TCP 协议。FCP 协议最初是按照光纤通道网络的高级协议设计的，它紧密地与低级网络功能集成在一起工作。而iSCSI 在开发时采用现有的由TCP 所提供的受保护的传输机制。所以由于采用不同的机制，iSCSI 和光纤通道之间是不可能兼容的。

    与光纤通道相比，iSCSI 有其自身的诸多优势，主要表现在iSCSI 更加经济。成本的节约可体现在以下几个方面：（1）在一般的数据和SAN 网络之间存在的公用技术可使培训费用降低，而且也不必设立单独的岗位职员，这两者都可使成本降低；而且以太网大量的安装基础也可使价格降低。（2）iSCSI 可利用现有的、容易理解的TCP/IP 基础设施来构筑SAN，随着在QoS 和安全方面的进步，在存储与现有的基础设施之间的共享表明，在硬件、培训、实施等几个方面都有机会实现可观的成本节约。(3)随着千兆以太网的实现，用户将可得到传输速率为1Gbps 的存储网络，而不需改变现有的基础设施。

    FC（Fibre Channel）的安装基础很少，理解其技术的人也不多，而且它很昂贵。FC 在同等速度下可提供稍好一些的性能，但是这一点并不能弥补其在实现时所需的高额费用和额外的培训费用所构成的高成本。近期，在以太网的速度超过FC 以前，FC 可以暂时保持其在SAN 技术领域的优势地位，但这也仅限于在iSCSI 成气候之前的一段时间内。

    但是，iSCSI 在三到五年内不会取代Fibre Channel。首先，TCP/IP 网络虽说有许多值得称道的地方，但它在传输数据块时的致命问题至今在技术上还没有突破性进展。虽然Fibre Channel在标准、远距离连接、成本等方面有待进一步改进和提高，但它在区域性SAN 领域已经取得了显著成效。其产品和技术正逐步成熟。所以，就目前来看，如果用户需要大容量、高速块级数据存取，Fibre Channel 还是唯一的选择。但随着iSCSI 的成熟，它将为Fibre Channel 分担存储市场，加之，Brocade、Intel、Cisco 等各领域厂商的努力，也必将促进Fibre Channel 和iSCSI 技术的融合，取长补短，共同发展

    9.1.5 iSCSI 的优势与局限性

    iSCSI 技术具有如下优势：

1. iSCSI 的基础是传统的以太网和Internet，近20 年来，网络技术的迅猛发展使传统网络无处不在，iSCSI 有很好的基础，同时能大大减少总体拥有成本。
2. 随着技术的进步，IP 网络的带宽发展相当迅速，1Gbps 以太网早已大量占据市场，10Gbps 以太网也已整装待发。而且，该协议由包括IBM、Cisco、Intel、Brocade、Adaptec 等业界巨头的支持，同时，一批新型厂商也竞相参与，如Nishan System、SAN Valley、CNT、Pirus、3Ware 等。
3. 在技术实施方面，iSCSI 以稳健、有效的IP 及以太网架构为骨干，使忍受性大大增加。另外，简单的管理和布署也是iSCSI 让业界心动的一个原因，因为传统网络厂商已经培养了很多的专业网络人才，不需要投入培训，就可以轻松拥有专业的iSCSI 人才。
4. iSCSI 是基于IP 协议的技术标准，它实现了SCSI 和TCP/IP 协议的连接，对于以局域网为网络环境的用户，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及管理。
5. 完全解决数据远程复制（Data Replication）及灾难恢复（Disaster Recover）的难题。安全性方面，以往的FC-SAN 及DAS 大都是在管制的环境内，安全要求相对较低。iSCSI 却将这种概念颠倒过来，把存储的数据在互联网内流通，令用户感到需要提升安全要求。所以，iSCSI 已内建支持IPSEL 的机制，并且在芯片层面执行有关指令，确保安全性。

    但是，存储工程师在畅谈iSCSI 前景的时候，也需要实事求是地分析目前的形势和发展方向。实际上，到目前为止，还没有一个成熟的产品来展示iSCSI 的魅力，它还没有大面积商业化应用。而存储网络面临的诸多问题，iSCSI 并非都能迎刃而解，如距离和带宽之间的矛盾。虽然，iSCSI 满足了长距离连接的需求，方便了广域存储的连接，但是，IP 的带宽仍然是其无法解决的问题。虽然IP 网络发展迅速，1Gbps 的网络逐渐普及，但从广域网来说，带宽仍然相当昂贵。即便可以利用1Gbps 的带宽进行iSCSI 数据传输，速度仍不理想。而且，IP 网络的效率和延迟都是存储数据传输的巨大障碍。