iSCSI存储技术全攻略

什么是ISCSIiSCSI（iSCSI=internetSmallComputerSystemInterface）是由IEETF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。ISCSI技术的核心是在TCP/IP网络上传输SCSI协议，是指用TCP/IP报文、和ISCSI报文封装SCSI报文，使得SCSI命令和数据可以在普通以太网络上进行传输，如下图：iSCSI协议定义了在TCP/IP网络发送、接收block（数据块）级的存储数据的规则和方法。发送端将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中再通过网络转发，接收端收到TCP/IP包之后，将其还原为SCSI命令和数据并执行，完成之后将返回的SCSI命令和数据再封装到TCP/IP包中再传送回发送端。而整个过程在用户看来，使用远端的存储设备就象访问本地的SCSI设备一样简单。早在2001年上半年，IBM就推出了IPStorage200i，是市场上公认的第一款基于iSCSI协议的产品，这款产品的出现，对于身处信息爆炸时代却无法承担光纤通道SAN环境高成本的中小型用户来说，具有巨大的吸引力；2001年10月，Cisco也推出了SN5420存储路由器，基于IP标准和SAN标准，可以提供与现有LAN、WAN、光纤和SAN设备之间的互操作，率先建立了IP网络与SAN之间的桥梁。现在，有更多的厂商参与到iSCSI产品的开发中，如Intel已经推出了存储网卡IPStorageiSCSIPRO/1000T，将协议转化也就是封装、还原TCP/IP包的步骤转移到网卡上来执行，大大降低了服务器处理器的占用率。同时，还有芯片、板卡制造商加入到iSCSI产品的开发中，如Adaptec、Qlogic等等。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。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FCSAN的性能。iSCSI集SCSI、以太网和TCP/IP等技术于一身，支持iSCSI技术的服务器和存储设备能够直接连接到现有的IP交换机和路由器上，具有低廉、开放、大容量、传输速度高、安全等诸多优点，最适合需要在网络上存储和传输大量数据的应用环境，比如广电视频制作和媒资系统，视频监控系统，IPTV系统，数据备份系统，以及许多的对IOPS和带宽性能要求不是还很高的数据库存储系统、大容量文件存储系统。ISCSI存储系统架构现在市场有很多不同型号的iSCSI存储设备，设备的型号和参数有很多不同，厂商在做市场宣传时候也经常采用不同的口号或噱头，标榜自己的产品有各种各样不同的功能和优势。实际上当我们对iSCSI设备的结构进行深入的研究时就会发现iSCSI从架构上可以分为4种类型的架构。一、控制器架构iSCSI的核心处理单元采用与FC光纤存储设备相同的结构。即采用专用的数据传输芯片、专用的RAID数据校验芯片、专用的高性能cache缓存和专用的嵌入式系统平台。打开设备机箱时可以看到iSCSI设备内部采用无线缆的背板结构，所有部件与背板之间通过标准或非标准的插槽链接在一起，而不是普通PC中的多种不同型号和规格的线缆链接。这种类型的iSCSI存储设备核心处理单元采用高性能的硬件处理芯片，每个芯片功能单一，因此处理效率较高。操作系统是嵌入式设计，与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有体积小、高稳定性、强实时性、固化代码以及操作方便简单等特点。因此控制器架构的iSCSI存储设备具有较高的安全性和和稳定性。控制器架构iSCSI存储内部基于无线缆的背板链接方式，完全消除了链接上的单点故障，因此系统更安全，性能更稳定。一般可用于对性能的稳定性和高可用性具有较高要求的在线存储系统，比如：中小型数据库系统，大型数据的库备份系统，远程容灾系统，网站、电力或非线性编辑制作网等。控制器架构的iSCSI设备由于核心处理器全部采用硬件，制造成本较高，因此一般销售价格较高。目前市场还可以见到一种特殊的基于控制器架构的iSCSI存储设备。该类存储设备是在现有FC-SAN存储设备的基础上增加iSCSI协议转换模块，使得FC-SAN存储设备可以同时支持FC数据传输协议和iSCSI传输协议，如EMC150i/300i/500i，HDSAMS1000/500/200等。常见控制器架构iSCSI产品：1、EqulogicPS300E系列.2、InfortrendEonStorA16E3、UITBS2000e/3000e区分一个设备是否是控制器架构，可从以下几个方面去考虑：1、是否双控：除了一些早期型号或低端型号外，高性能的iSCSI存储一般都会采用active-active的双控制器工作方式。控制器为模块化设计，并安装在同一个机箱内，非两个独立机箱的控制器。2、缓存：有双控制器缓存镜像、缓存断电保护功能。3、数据校验：采用专用硬件校验和数据传输芯片，非依靠普通CPU的软件校验，或普通RAID卡。4、内部结构：打开控制器架构的设备，内部全部为无线缆的背板式连接方式，各硬件模块连接在背板的各个插槽上。二、iSCSI连接桥架构整个iSCSI存储分为两个部分，一个部分是前端协议转换设备，另一部分是后端存储。结构上类似NAS网关及其后端存储设备。前端协议转换部分一般为硬件设备，主机接口为千兆以太网接口，磁盘接口一般为SCSI接口或FC接口，可连接SCSI磁盘阵列和FC存储设备。通过千兆以太网主机接口对外提供ISCSI数据传输协议。后端存储一般采用SCSI磁盘阵列和FC存储设备，将SCSI磁盘阵列和FC存储设备的主机接口直接连接到iSCSI桥的磁盘接口上。iSCSI连接桥设备本身只有协议转换功能，没有RAID校验和快照、卷复制等功能。创建RAID组、创建LUN等操作必须在存储设备上完成，存储设备有什么功能，整个iSCSI设备就具有什么样的功能。SANRAD的V-Switch系列，ATTOTechnology的iPBridge系列的iSCSI桥接器，提供iSCSI-to-SCSI与iSCSI-to-FC的桥接，可将直连的磁盘阵列柜(DiskArray，JBOD、DAS)或磁带设备(Autoloader、TapeLibrary)转变成iSCSI存储设备。不过随着iSCSI技术的逐渐成熟，连接桥架构的iSCSI设备越来越少，目前的市场上基本已看不到这样的产品了。三、PC架构那么何谓PC架构？按字面的意思可以理解为存储设备建立在PC服务器的基础上。即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服务器和工控服务器），选择一款相对成熟稳定的iSCSItarget软件，将iSCSITarget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数据传输协议。目前常见的iSCSITarget软件多半由商业软件厂商提供，如DataCoreSoftware的SANmelody，FalconStorSoftware的iSCSIServerforWindows，和StringBeanSoftware的WinTarget等。这软件都只能运行在Windows操作系统平台上。在PC架构的iSCSI存储设备上，所有的RAID组校验、逻辑卷管理、iSCSI运算、TCP/IP运算等都是以纯软件方式实现，因此对PC的CPU和内存的性能要求较高。另外iSCSI存储设备的性能极容易收PC服务器运行状态的影响。当由于PC架构iSCSI存储设备的研发、生产、安装使用相对简单，硬件和软件成本相对较低，因此市场上常见的基于PC架构的iSCSI设备的价格都比较低，在一些对性能稳定性要求较低的系统中具有较大的价格优势。常见PC架构iSCSI存储设备：1、INTELSSR212CCiSCSI产品图片：2、H3CEX1000iSCSI产品图片：3、HPMSA1510iiSCSI产品图片：四、PC+NIC架构PC+iSCSITarget软件方式是一种低价低效比的解决方案，另外还有一种基于PC+NIC的高阶高效性iSCSI方案。如果只是将高速Ethernet用于存储网络化过于可惜，因此众多厂商发起了iWARP，不仅可实现存储网络化，也能实现I/O的网络化。通过RDMA(RemoteDirectMemoryAccess)机制简化网络两端的内存数据交换程序，从而加速数据传输效率。目前Broadcom提出所谓的C-NIC(ConvergedNIC)聚合型网卡理念，即是在一颗NetXtremeII系列的GbE控制芯片内同时具备以太网络、存储网络化、I/O网络化等功效。传统以太网部分具有TOE运算，存储网络化则具备iSCSI运算、I/O网化则具备RDMA运算，大幅卸除CPU的辅助运算，使CPU占用率降至20%以下。Broadcom目前的代表性芯片为BCM5706(PCI/PCI-X接口)与BCM5708S(PCIe接口)，其中BCM5706为第一代，BCM5708S为第二代，第二代传输率从1Gbps提升至2.5Gbps。第三代传输率从2.5Gbps提升至10Gbps。ISCSI存储连接方式我们分析了iSCSI存储的系统结构，下面来看iSCSI是如何与服务器、工作站等主机设备来连接的，也就是我们如何建立一个iSCSI网络存储系统。iSCSI设备的主机接口一般默认都是IP接口，可以直接与以太网络交换机和iSCSI交换机连接，形成一个存储区域网络。根据主机端HBA卡、网络交换机的不同，iSCSI设备与主机之间有三种连接方式。第一种：以太网卡+initiator软件方式。服务器、工作站等主机使用标准的以太网卡，通过以太网线直接与以太网交换机连接，iSCSI存储也通过以太网线连接到以太网交换机上，或直接连接到主机的以太网卡上。在主机上安装Initiator软件。安装Initiator软件后，Initiator软件可以将以太网卡虚拟为iSCSI卡，接受和发送iSCSI数据报文，从而实现主机和iSCSI设备之间的iSCSI协议和TCP/IP协议传输功能。这种方式由于采用普通的标准以太网卡和以太网交换机，无需额外配置适配器，因此硬件成本最低。缺点是进行ISCSI包文和TCP/IP包文转换要点主机端的一部分资源。不过在低I/O和低带宽性能要求的应用环境中和完全满足数据访问要求。目前很多最新版本的常用操作系统都提供免费的Initiator软件，建立一个存储系统除了存储设备本身外，基本上不需要投入更多的资金来，因此在三种系统连接方式中其建设成本是最低的。第二种：硬件TOE网卡+initiator软件方式。第一种方式由于采用普通以太网卡和以太网交换机，无需额外配置适配器，或专用的网络设备，因此硬件成本最低。但由于进行ISCSI包文和TCP/IP包文的打包和解包全部需要主机主处理器CPU来进行运算，数据传输率直接受到主机当前运行状态和可用资源的影响和限制，因此一般无法提供高带宽和高IOPS性能。具有TOE（TCPOffloadEngine）功能的智能以太网卡可以将网络数据流量的处理工作全部转到网卡上的集成硬件中进行，把系统主处理器CPU从忙于协议处理的繁重的内核中断服务中解脱出来，主机只承担TCP/IP控制信息的处理任务。与第一种方式相比，采用TOE卡可以大幅度提高数据的传输速率。TCP/IP协议栈功能由TOE卡完成，而iSCSI层的功能仍旧由主机来完成。由于TOE卡也采用TCP/IP协议，相当于一块高性能的以太网卡，所以第二种方式也可以看做是第一种连接方式的特殊情况。第三种：iSCSIHBA卡连接方式。在主机上安装专