iSCSI技术解析之概念篇

iSCSI技术解析之概念篇

一、iSCSI的概念

iSCSI是一种在Internet协议上,特别是以太网上进行数据块传输的标准,它是一种基于IP Storage理论的新型存储技术，该技术是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存储区域网，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两家发起，并且得到了广大IP存储技术爱好者的大力支持。这几年迅速的发展壮大了起来。

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，实现了SCSI和TCP/IP协议的连接，这样用户就可以通过TCP/IP网络来构建存储区域网，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。但是在iSCSI出现之前，构建存储区域网的唯一技术是利用光纤通道，而这要花费很大的建设成本，一般中小企业是无法承担的，其次iSCSI技术解决了传输效率、存储容量、兼容性、开放性、安全性等诸多问题，在使用性能上绝对不输给商业的存储系统或者光纤存储网络。

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、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;最后，iSCSI是通过IP封包传输存储命令，因此可以在整个Internet上传输，没有距离的限制。

二、FC SAN与IP SAN

当iSCSI技术出现后，通过IP技术搭建的存储网络也就应运而生，SAN技术也就出现了两种不同的实现方式，即FC SAN与IP SAN。简单说，以光纤搭建的存储网络就是FC SAN，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也各有优劣，下面从几个方面分别阐述：

在数据传输方式上，FC SAN与IP SAN都是采用块协议方式来完成的。这是它们的相同点。

在传输速度上，就目前的传输速度而言是FC SAN(2Gb)最快、iSCSI(1Gb)次之。

在传输距离上，FC SAN理论上可以达到100公里，而事实上当传输超过50公里后，就会出现瓶颈。透过IP网络的iSCSI理论上都没有距离上的限制，iSCSI可以进行无限长度的数据传输。

在管理以及维护成本上，架设FC SAN网络需要投入很多硬件费用，并且需要特定的工具软件来操作管理，而IP SAN构建成本低廉，由于iSCSI是通过IP网络来传输数据及分配存储资源，所以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管理费用以及培训成本。

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设备或者软Target，不过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也具有了iSCSIinitiator软件，并且免费的提供给用户使用。最后，在安全方面，IPSAN虽有一套规范的安全机制，但是尚未得到用户的认可。

这些问题和困扰是妨碍iSCSI发展的强大阻力，但是iSCSI的前途是光明的，相信在未来的存储世界里，IP SAN绝对会拥有一席之地。

三、iSCSI的组成

一个简单的iSCSI系统大致有以下部分组成：

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系统拓扑结构如图1所示：

图1. iSCSI系统拓扑结构图

在此图中，iSCSI服务器用来安装iSCSI driver，也就是安装iSCSIinitiator，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：

四、iSCSI initiator

iSCSI initiator是一个安装在计算机上的一个软件或是一个硬件设备，它负责处理同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，也就是iSCSI initiator，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，无需其它设备，因此成本是最低的，但是iSCSI包文和TCP/IP包文转换需要消耗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，即为硬件iSCSI initiator，这种方式需要购买iSCSI HBA卡，然后安装在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iSCSI HBA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卡价格比较昂贵，因而，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支持非常不错，现在的Linux发行版本都默认已经自带了iSCSI Initiator。

五、iSCSI target

一个可以被用于存储数据的iSCSI磁盘阵列或者具有iSCSI功能的设备都可以被称为“iSCSI target”，因为对于大多数操作系统来说，都可以用一些软件将系统转变为一个“iSCSI target”，即构建一个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），选择一款相对成熟稳定的iSCSI target软件，将iSCSITarget软件安装在PC服务器上，这样普通的PC服务器就转变成一台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DataCore Software的SANmelody，FalconStorSoftware的iSCSI Server for Windows等，这些都是windows平台的，不过，也有一些linux平台开源的iSCSItarget软件，例如iSCSI Enterprise Target、tgt等。

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，客户机就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，读写等。并且每个客户端都可以往iSCSI磁盘写数据，互不干扰，且不会破坏存储服务器的数据。同时，iSCSI target软件对用户权限控制非常灵活，支持配置文件。

六、搭建iSCSI存储系统的建议

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的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 targets，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，使用这种配置方式，即使两个交换机有一个出现了故障，整个iSCSI存储系统仍然能够正常工作，保证了存储系统的不间断运行。

七、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2所示：

图2. iSCSI协议分层结构

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；同时接受来自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。首先，发送端将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中，然后再通过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，然后再传回发送端。这样就完成了整个传输过程。

iSCSI整个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象使用本地的硬盘设备一样。不过这只是理论上的，实际上数据传输速度并不能完全达到本地硬盘的数据传输速度，但差别并不明显，而且这种网络存储模式还有一个优点就是其安全性高，这对于数据集中存储的iSCSI来说显得非常重要。