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ISCSI技术及其发展和应用

[b]一、前言[/b]
ISCSI（INTERNET SCSI）是由Internet Engineering Task Force（IETF）开发的网络存储标准，目的是为了用IP协议将存储设备连接在一起。通过在IP网上传送SCSI命令和数据，ISCSI推动了数据在网际之间的传递，同时也促进了数据的远距离管理。由于其出色的数据传输能力，ISCSI协议被认为是促进存储区域网（SAN）市场快速发展的关键因素之一。因为IP网络的广泛应用， ISCSI能够在LAN,WAN甚至INTERNET上进行数据传送，使得数据的存储不再受地域的现在。
计算机行业面临严峻的考验，信息数据呈几何级别地增长，迅速地填满了系统内一切可用的存储空间。传统的解决办法就是安装一套光纤存储区域网络（FC SAN）。
在SAN环境下，所有的服务器将被整合到一个存储池内，共享所有的资源，用户可根据服务器的实际需求来分配资源。而且，用户还可以扩大逻辑分区的容量大小，为应用程序分配一个临时的磁盘分区，等任务结果之后，再将这部分资源重新收回来，归还存储池。然而成本昂贵，是部署光纤存储区域网络的最大缺点。如果用户想将一台服务器接入到FC SAN当中，需要购买一个主机总线适配器（售价约在1,000美元左右），而且，光纤交换机每增加一个端口，需要花费800~4,000美元不等，具体数目视情况而定。这还不算什么，最糟糕的情况就是，当你花了一大笔钱之后，才发现你从A供应商那儿购买的主机总线适配器、B供应商那儿购买的磁盘阵列、C供应商那儿购买的交换机竟然是不兼容的，无法构筑一套光纤网络。众所周知，光纤设备的互操作性一向是不太稳定的。除非你按照厂商提供的SAN硬件兼容器件单去采购，否则，网络即使部署起来了，可能也无法正常运作。
ISCSI技术横空出世，使情况大为改观，它的价格不仅较光纤系统便宜许多，而且管理起来更加方便。ISCSI依然支持标准的TCP/IP协议，也就是说，用户可使用标准的千兆级以太网传输协议，通过Cat5线缆和任意的交换机产品，将服务器与磁盘阵列连接在一起，并且能够提供接近FC SAN的性。
[b]二、iSCSI技术[/b]
1、ISCSI的发展史
2、ISCSI的技术细节
首先介绍一下SCSI的体系结构
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SCSI-3 标准的SCSI模型
该模型定义了各层的概念，实体和他们之间的相互作用，他规定了服务/客户机模型中initiator和target。
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SCSI Initiator and Target Interaction
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SCSI Command Descriptor Block (CDB)
[b]ISCSI术语[/b]
在ISCSI中使用网络实体这个概念，网络实体指的是连接IP网络的设备或网关。网络实体必须包含一个或多个网络入口，在一个网络实体中的ISCSI节点能够用其中的任意一个网络入口访问IP网络。ISCSI节点实在网络实体中用名称标识的initiator或target。一个SCSI设备就是该节点的ISCSI名称。
网络入口也是网络实体的重要组成部分。对initiator来说网络入口就是他的IP地址。对target来说，其IP地址和TCP端口就是他的网络入口
下图是ISCSI服务器和客户端的组成部分
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当initiator和target通信时，他们之间通过网络端口建立连接，initiator和target之间的多个连接建立一个会话。
[b]命名和寻址[/b]
ISCSI协议为initiator和target定义了一套命名和寻址方法。所有的ISCSI节点都是通过他的ISCSI名称被标识的。这种命名方式使得ISCSI名称不会与主机名混淆。共有两种ISCSI命名格式：iqn (iSCSI qualifier name) 和 IEEE EUI。Iqn的格式如下：iqn.1987-05.com.Cisco.00.9f9ccf185aa2508c7a168967ccf96e0c.target1.
通过ISCSI名称，可以做到：
1、 多个initiator和target共享一个IP地址。
2、多个initiator和target可以通过多个IP地址被访问。
3、 为节点通过防火墙进行访问提供了一种方式。
ISCSI协议除了对ISCSI名称进行区分大小写的比较外，对ISCSI名称不做任何处理。
ISCSI协议遵循标准的IP寻址规范 域名：端口号。域名可以使IPV4和IPV6地址，也可以是域名。对ISCSItarget，端口号可以随地址指定，如果不指定，默认为3260
[b]ISCSI协议[/b]
ISCSI协议是将SCSI的远程过程调用（rpc）映射到IP协议的过程。ISCSI协议提供了独立于他所携带的SCSI CDB的层的概念。ISCSI请求传递SCSI命令，ISCSI响应处理SCSI响应和状态。
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与SCSI协议一样，ISCSI也使用initiator和target的概念。传送的信息被称为协议数据单元（PDUs）。同样的，对initiator来说，传输方向是分别定义的。为了提高性能，ISCSI允许命令或响应及其相关数据在单独的iSCSI PDU中传输。
[b]ISCSI会话[/b]
ISCSI initiator和target之间最高级别的通讯路径就是他们之间的会话。ISCSI定义了两种方式的会话：正常的操作会话和initiator发现target的发现会话。
会话是通过会话ID进行标识，他由initiator和target组成。在一个会话中，TCP连接可以加入，也可以移出，所有的连接都是在同一个initiator和target中。所有在一个会话中的连接都共享一个连接ID。
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ISCSI会话是通过ISCSI登录建立的，该会话被用来标识到某个具体SCSI I_T连接的所有TCP连接。同一个会话里可能有一个或多个连接。当initiator通过默认端口或指定端口与target建立连接时，登录过程就开始了，initiator和target互相认证并建立安全协议。在登录阶段，ISCS Iinitiator和target会协商建立多种连接属性。
[b]ISCSI序列[/b]
ISCSI协议使用多个寄存器来维护命令，状态和数据的顺序。每个寄存器是一个32位的无符号的整数计数器。寄存器的数量是由initiator和target在iSCSI PDU中进行交流，initiator和target还会用NOP-OUT/IN PDU去同步顺序和寄存器数量。

[b]命令编号[/b]
在ISCSI会话中，所有的命令都用命令序列号进行编号，命令序列号用来保证命令按顺序传送，而不管它是通过那个TCP连接传送的。命令序列开始于第一个登录命令，并随后续的命令而增加。ISCSI目标层负责将命令按命令序列号的顺序送到ISCSI层。除了需要立即传送的命令除外，在这种情况下，命令序列号不会增加，ISCSI目标层会立即将他传送到ISCSI层。
[b]状态标号[/b]
与命令序列号一样，状态响应也用状态序列号进行编号。

[b]数据顺序[/b]
数据和传输请求PDUs通过数据序列号寄存器和传输请求寄存器进行排序，以此来保证数据的顺序传送。对于读操作，数据序列号从0开始，以后每次增加1。对于写操作，数据序列号从0开始，以后每次增加1。
[b]iSCSI PDUs[/b]
TCP对于ISCSI包的有效载荷是PDUs。所有的iSCSI PDUs都以一个或多个报头开始，其后跟着0或数据段。
第一个段为基本报头段，48字节，其他段跟在其后，基本报头段是必须的，其他是可选的
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iSCSI PDUs的类型包括ISCSI的请求和响应，文本的请求和响应，登录的请求和响应等，以下是一个ISCSI请求命令的头格式。
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[b]ISCSI的错误处理[/b]
错误恢复的重要部分时保留足够的状态信心以此来恢复数据。ISCSI用两种方式来处理错误：重做和再分派。Initiator会重复传送丢失的数据PDU。再分派指initiator和targe之间的TCP连接中断的情况下的，initiator通过一个新的连接发送再分配连接任务，使得targe能够在一个新的连接ID继续命令的传送。
[b]ISCSI过程[/b]
[b]登录初始化[/b]
登录是在initiator和targe之间建立会话，互相交换同意操作参数。
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[b]认证和参数协商[/b]
如果需要认证，协商将在交换操作参数前进行，当认证成功完成后，initiator就能够进行参数协商，
[b]连接[/b]
当targe接受initiator的连接时，连接建立。
[b]注销和关闭[/b]
注销是为了断开连接，由initiator发起，targe也可因为内部错误而产生断开信息。注销后，将不再有请求和响应产生，
[b]安全考虑[/b]
在ISCSI中，存储信息是通过开放的IP网络进行传输，所以必须考虑安全问题，
[b]认证[/b]
在ISCSI中，target可能需要认证initiator，而initiator也可能需要认证target，共有以下几种认证方式：
• KRB5 Kerberos V5
• SPKM1 Simple public-key generic security service (GSS) application programming interface(API) mechanism
• SPKM2 Simple public-key GSS API mechanism
• SRP Secure Remote Password
• CHAP Challenge Handshake Authentication Protocol
• None 无认证
[b]包保护[/b]
包保护是为了保证ISCSI节点之间通信的完整，经过认证，保密。在IP层，通过IPSec提供交换的私密性。通过用3DES对IPSec 隧道进行加密，来提供通信的机密性。
ISCSI的实现方式
ISCSI技术的实现主要有三种方式：
1. 纯软件方式
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服务器采用普通以太网卡来进行网络连接，通过运行上层软件来实现iSCSI和TCP/IP协议栈功能层。
这种方式由于采用标准网卡，无需额外配置适配器，因此硬件成本最低。但是在这种方式中，服务器在完成自身工作的同时，还要兼顾网络连接，造成主机运行时间加长，系统性能下降。这种方式比较适合于预算较少，并且服务器负担不是很大的用户。
2. 智能iSCSI网卡实现方式
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在这种方式中，服务器采用特定的智能网卡来连接网络，TCP/IP协议栈功能由该智能网卡完成，而iSCSI层的功能仍旧由主机来完成。这种方式较前一种方式，部分提高了服务器的性能。
3. iSCSI HBA卡实现方式
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使用iSCSI存储适配器来完成服务器中的iSCSI层和TCP/IP协议栈功能。这种方式使得服务器CPU无需考虑iSCSI以及网络配置，对服务器而言，iSCSI存储器适配器是一个HBA设备，与服务器采用何种操作系统无关。该方式性能最好，但是价格也最为昂贵。
为提高性能，主流存储厂商一般都采用第三种方式来实现iSCSI。
[b]三、iSCSI与FC、NAS的比较[/b]
成本投入小。ISCSI所使用的适配卡、交换机和缆线这些产品的价格比FC SAN所选用的硬件产品价格要低，并且ISCSI可以在现有的网络上直接安装，并不需要更改企业的网络体系，这样就大量节约资金投入。
管理方便，维护成本低。FC SAN由于需要专用的软件进行设置管理，因此需要对管理人员进行培训，并且培训的费用也比较高；而ISCSI主要是通过IP网络实现存储资源共享，我们只需要现有的网络功能就可以进行管理，并且ISCSI的设置非常简单，所以不需要对管理人员进行培训，因此ISCSI更能节约成本。
无距离限制。由于ISCSI是一种基于IP网络的存储技术，它会随着IP网络的延生而将存储距离不断扩大，因此ISCSI是无距离限制的。
数据传输速度快。ISCSI的数据传输速度是根据以太网络的速度而变化的，目前，1Gbps的以太网已经大量用于市场，而10Gbps的以太网也即将进入市场，当以太网的速度增加时，ISCSI的数据传输速度也将不断加快。
组建方式灵活，可扩展性高。由于ISCSI存储系统可以直接在现有的网络系统中进行组建，并不需要改变网络体系，加上运用交换机来连接存储设备，对于需要增加存储空间的企业用户来说，只需要增加存储设备就可完全满足，因此，ISCSI存储系统的可扩展性高。