什么是ISCSI

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网络存储方式已经成为存储业界的共识，但网络存储的天平却一直在SAN和NAS间摇摆。直到去年初，在IBM、Cisco等的推动下，基于IP协议的网络存储技术iSCSI浮出水面，这一局面才有所松动。而随着其相关产品的逐步面市、正式标准的即将出台（今年9月），iSCSI俨然成为今夏最新最热的存储技术。 \r\n    由来 \r\n    在存储领域，SCSI的重要不言而喻，作为成熟的技术，它满足了块级数据传输的需求。虽然现在SAN利用串行光纤通道取代了SCSI的并行传送机制，但它仍然使用SCSI协议，保留了SCSI控制器API。 \r\n    相比之下，IP的技术特点决定了它在块级数据传输上的劣势。另外，IP不能保证数据包从信源传送到目的，SCSI要求数据包不仅到达目的地，还要以准确的次序到达。作为一个折衷方案，人们自然地想到了用IP封装块级数据（iSCSI）或者是用IP把FC SAN连接起来（FCIP）。在后面我们还要再介绍一下FCIP。对于iSCSI来说，我们的做法是把SCSI包全部封装在TCP数据包中（其结构图如下）。iSCSI由IBM下属的两大研发机构—加利福尼亚Almaden和以色列Haifa研究中心共同开发的，是一个供硬件设备使用的可以在IP协议的上层运行的SCSI指令集。简单的说，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。 \r\nEthernet Header        IP        TCP        iSCSI Encapsulation        SCSI Data\r\n    SCSI数据有如第七层的“应用数据”包，如果想通过IP网络发送SCSI存储数据包，就得想出某种方法满足SCSI协议的“确保”发送要求。在这一问题上，路由器/交换机的QoS、优先级控制起非常重要的作用。据Cisco公司承诺，其广泛应用的路由器/交换机已经为IP SAN的部署作好了准备。 \r\n    最后，这一新技术的实现要涉及到许多重要部件，这些部件往往要求专门的芯片，或完成协议的转换，或完成数据的卸载。具体产品包括支持iSCSI存储接口的存储设备、iSCSI路由器/交换机、服务器上的专门网卡或HBA。Cisco、IBM、Intel、Adaptec即是iSCSI小组成员，它们的产品也是组建IP SAN的关键部件。本期专题，我们也对他们进行了专访。 \r\n    竞争 \r\n    面对IP传输块级数据的需要，IETF委员会接受了基于IP存储传输的一系列提议技术。iSCSI只是其中的一种。我们先来了解一下其他技术。 \r\n    FCIP FCIP被提议为通过现有的IP网络连接光纤通道SAN“孤岛”的一种标准方法。FCIP还可用来克服光纤通道目前存在的距离限制因素，能够跨越大于光纤通道支持的距离连接SAN孤岛。 \r\n    iFCP 通过TCP/IP链路连接光纤通道设备的网关至网关协议。目的在于使现有的光纤通道阵列和主机总线适配器可以利用网关连接至IP网络。iFCP用TCP管理拥塞控制、错误检测和恢复。用于FCIP的同一封装格式也可用于iFCP。 \r\n    mFCP 类似iFCP，因为现有的IP管道被用于连接存储结构内的光纤通道设备。然而，mFCP使用UDP而不是TCP作为传输协议，并且负责IP管道层的连接可靠性和准确无误的包排序。 \r\n    iSNS iSNS被提议作为面向目前所考虑的所有IP存储协议的一项通用的发现、命名和资源管理服务。iSNS利用了客户机/服务器结构。iSNS客户机把自己的属性信息传送给服务器，并从服务器那里收到与结构拓扑相关的事件的通知。iSNS服务器会对iSNS协议查询/请求作出响应，也是状态改变的最后仲裁者。 \r\n    IP存储实际上仍处于发展初期。这里提到的协议没有一种被IETF认可为标准。然而，思科加入iSCSI领域的举动影响深远。 \r\n    这里顺便给出一个iSCSI和FCIP的拓扑示意图，希望有助大家理解。 \r\n \r\n    FCIP拓扑示意图 \r\n    加速 \r\n    早有专家指出，iSCSI的技术实现关键是如何克服其处理量大的缺点。iSCSI协议数据卸载需要非常大的工作量。实验中发现单纯基于CPU处理iSCSI，CPU的使用率可达100%。解决这个问题的办法就需要使用“TCP/IP卸载引擎”(TOE)，它能把部分或全部TCP/IP的处理量从服务器上卸下来。目前可以采取以下三种基本方案实现iSCSI连接。 \r\n    标准NIC　早期实施iSCSI的方案是采用标准的1G NIC，它把处理iSCSI协议的工作交给了主机CPU。这种方案能够较快地进入市场，因为它只需集成标准部件。但这种简单方案不可行，因为它需要大量的CPU资源。因此，虽然这种方案支持以太网的故障替换、负载均衡和链路聚合，但几乎所有用户都无法接受其低劣性能。 \r\n    完全卸载型iSCSI HBA　许多供应商正在仿效光纤通道，建立iSCSI主机总线适配器（HBA）。这种新产品使用完全卸载方案来处理iSCSI和TCP/IP协议。 \r\n    完全卸载型适配器卸掉了主机CPU上的整个TCP/IP协议栈。因而，主机和网络就不会把iSCSI适配器视为NIC控制器，而这种卡不是为处理广义网络任务而设计的。例如，进行故障转换和链路聚合时无法支持标准以太网。 \r\n    对iSCSI HBA而言，处理TCP/IP和iSCSI协议的工作可以在配置标准以太网控制器或专门设计的专用集成电路（ASIC）的嵌入式处理器上进行。Intel近期宣布的PRO/1000 T IP存储适配器所用的Intel 80200(XScale)处理器就配置了标准1G以太网控制器，以执行TCP/IP和iSCSI处理任务。Intel声称能以37.5Mbps至87.5Mbps的速度通过iSCSI传送数据，而CPU的使用率仅为3%至5%。 \r\n    Adaptec正试图实施ASIC，以自己的存储协议加速器（SPA）辅助Intel80200处理器：AIC-7211 ASIC用于ASA-7211 iSCSI适配器。与Intel的插卡一样，Adaptec iSCSI HBA也用XScale处理器。 \r\n    数据通路卸载型IS-NIC　“集成存储网卡”（IS-NIC）是指这样一种适配器：可以用作网络接口传送以太网文件数据、用作存储接口传送iSCSI块数据以及同时充当NIC和iSCSI设备。这种方案同时具有iSCSI HBA和标准NIC的优点。 \r\n    IS-NIC不是把整个协议栈搬到适配器上，而是采用了名为数据通路卸载的一项技术：数据传送在定制ASIC内进行，而TCP连接和错误管理在主机软件内加以处理。虽然主机CPU很少被需要控制数据通路，但主机CPU在某些情形下（如错误管理）能够控制数据通路，以便进行故障替换、负载均衡及链路聚合。 \r\n    与光纤通道或iSCSI HBA相比，数据通路卸载解决方案提供了毫不逊色的性能和效率。Alacritech最近声称，测试中IS-NIC成功实现了219.64Mbps的线速传输，而CPU使用率不到8%。这次测试采用Nishan IP存储交换机进行，它能把iSCSI转换成光纤通道，并把数据传送到日立数据系统SAN设备。 \r\n    现在，单纯从其相关产品的发布势头看，业界已对iSCSI作出了良好反响。作为一种重要的存储协议，iSCSI发展势头正猛。 \r\n    * * * * * \r\n    Adaptec: iSCSI重在远程 \r\n    Adaptec作为SCSI和RAID的主流厂商，在iSCSI研究方面也处于主导地位。Adaptec认为，在SAN的领域内，iSCSI和FC同样是不可缺少的两个部分，许多人认为FC的实现受到成本投资的限制，而iSCSI只是FC真正实施前的过渡，这样说并不完全正确。设想一家公司在北京和广东都有分公司，而且两地各有自己的基于光纤的存储网络，那么如何将两个网络连接起来，用光纤吗？那么工程巨大，就是采取租用形式费用也相当高昂。我们知道，iSCSI是基于IP协议的，他能够容纳所有IP协议网中的部件，如果将FC转换成IP协议下的数据，这些数据就可以通过传统IP协议网传输，解决了远程传输的问题，而到达另一端的时候再将IP协议的数据转换给当地的基于FC的存储网络，这样通过iSCSI使两个光纤网络能够在低成本投入的前提下连接起来。 \r\n    那么我们看看iSCSI的传输效率如何呢？目前多数iSCSI的网络传输带宽为千兆即1Gbit，如果实现全双工能够达到2Gbit，第二代产品能够达到2Gbit带宽，而Adaptec已经研发出来的第三代达到了10Gbit的带宽。可以看到从数据传输的角度，采用iSCSI建设远程异地容灾系统没有任何问题。所以说iSCSI和FC应该是互补的关系。 \r\n    Adaptec所提供的iSCSI设备应该分为三大类，首先是基于芯片级别的。Adaptec的iSCSI芯片实际是一组芯片的集成，其中的每一个芯片都完成其固定的作用。因为要做到iSCSI与FC的转换，或者从SCSI到IP网络的转换需要大量的计算能力，如果iSCSI卡中没有提供大量的计算能力，就需要服务器或者客户端来完成，这样占用的资源巨大。所以内嵌的各个芯片都承担着不同的运算能力，分担着CPU的负担。Adaptec的SCSI芯片已经提供给了IBM、HP和Cisco这样的OEM厂商。Adaptec也做iSCSI卡，同时还有各种iSCSI的转换卡产品。 \r\n    Cisco：单一网络架构支持所有应用 \r\n    Cisco对iSCSI的支持至关重要。iSCSI要想成为沟通FC存储网和IP网的桥梁，必须依赖在传统IP网中占据霸主地位的Cisco支持。但同时Cisco也希望借助iSCSI进入企业的存储网络。更长远地，正如Cisco亚太区存储网络产品经理陈英仕先生所说，希望“用一个单一的网络架构支持所有的应用”。目前在FC SAN中占得优势的基础设施厂商是美国博科通信公司。 \r\n    Cisco认为，每年15亿GB的数据增长量使得用户必须投入大量的资金在存储方面。从功能上说，IP SAN与FC SAN其实都一样实现了数据的块级传输，但以iSCSI为代表的IP SAN可显著减低用户的成本。对于iSCSI的传输质量问题，Cisco借助IP广域网或局域网边缘的基础设施的优先级管理、QoS等手段来保证。 \r\n    陈先生还介绍到，最新的DWDM技术通过波长的变化能把光纤通道细分为32个10G通道，有利于实现用户所有应用高效地集中到一个单一网络架构。DWDM转换器可架设在广域网两端边缘，组建环路网，实现带宽的分频共享。 \r\n    对于目前iSCSI叫好不叫座的情况，Cisco归因于iSCSI标准化进程有些拖延了时间，另外，全球经济的增长缓慢也影响了其应用。但Cisco对其未来很看好，并投入很大的力量研发相关技术及产品。 \r\n    在具体产品方面，去年10月，他们就推出了SN 5420存储路由器。 \r\n    今年5月，Cisco公司又宣布推出了iSCSI/光纤通道存储路由器——Cisco SN 5428。这一存储路由器配置两个千兆以太网端口、八个光纤通道端口和三个管理端口。由于支持IP网络上的光纤通道、千兆以太网和iSCSI协议，中小企业可方便利用现有设施建立SAN。 \r\n    Intel：快速卸载iSCSI数据 \r\n    Intel认为，iSCSI协议关键在于如何解包，有两种方式可以实现，一种是通过CPU，另一种方式是通过I/O处理器。Intel认为，采用专用的I/O处理器来实现是效率最高的，这样可以解放主机的CPU来让它实现更多的任务处理。 \r\n    iSCSI本身并不是一种完全崭新的、独立的连接方式，它是由已有的TCP/IP等技术派生出来的，而在这方面，Intel掌握了局域网连接方面的全部技术，可以很轻易地将原有的以太网存储网络接口卡（NIC）延伸至iSCSI NIC，并且通过在NIC中部署TCP/IP和iSCSI功能，在NIC中加入智能，实现更高效率的数据传输。Intel把iSCSI研发作为六大存储解决方案之一（其余五大解决方案是I/O芯片、存储控制器、串行ATA技术、InfiniBand、3GIO）。 \r\n    Intel提出了iSCSI发展的三个阶段。第一个阶段是在2002年第一季度实现TTM（Time To Market），也就是要大范围地推动厂商尤其是OEM合作伙伴对iSCSI的接受过程；第二个阶段是在2003年第一季度之前，实现高性能和全功能的iSCSI /LAN解决方案，提供iSCSI卸载（offload）或TCP/IP卸载；第三阶段，在2004年，通过技术研发不断降低iSCSI成本，提高性能以推动量产，同时，通过硅技术允许嵌入式的解决方案，把iSCSI技术浓缩成一个晶片。 \r\n    今年2月份，Intel已发布了Intel PRO/1000T IP存储适配器，能够实现iSCSI包卸载，并通过基于Intel Xscale微架构的板上处理器获得较低的CPU利用率。 \r\n    IBM：网络存储先锋 \r\n    2001年年初，为满足信息时代网络存储的需要， IBM提出了“IBM零距离存储”的口号，提供了“全天候”存储的完全解决方案。其中，iSCSI技术作为该战略的核心技术之一，成为IBM存储技术的“闪光点”。 \r\n    IBM iSCSI产品以中间市场为定位，一方面可以作为企业级光纤通道SAN的补充，可以实现不间断增长集中存储管理，并且可以和现有的IP网络技术进行良好的整合；另一方面，随着网络存储技术的发展，其将会同NAS系统进行全面的整合，成为一个独立的、与SAN系统并驾齐驱的发展领域。 \r\n    随着新技术标准的制定，IBM iSCSI必将成为存储领域内的核心技术，其低廉、便捷、开放、安全 、标准的诸多优异的品质在“未来”必将得到充分的完善与发展，从而成为一个充满生机与活力的发展方向，为广大的用户提供最为完善的网络存储服务。 \r\n    在今年初，IBM就推出了采用iSCSI技术的TotalStorage IP Storage 200i，针对用户是各种中型企业、部门以及偏远分支机构等。在众多身价不菲的存储产品中间，200i型IP存储器不到2万美元的价格给客户提供了低成本的解决方案。它为数据库的块级I/O访问进行了优化，同时具有108 GB到1.74 TB之间的RAID存储功能，支持浏览器远程管理。