王春才，閆 磊，李英韜

(1.長春理工大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春市萬易科技有限公司 工程研究中心，吉林 長春 130000)

0 引言

由于信息技術(shù)及電子商務(wù)的不斷壯大，各種數(shù)據(jù)以指數(shù)方式快速增長，同時也由分散存儲逐漸轉(zhuǎn)向集中存儲，對存儲的需求標準也隨之提高．

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的提高和萬兆帶寬的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)正朝著網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化發(fā)展．目前在數(shù)據(jù)備份領(lǐng)域，主要有三類存儲方式，分別為直接附加存儲 (DAS)，網(wǎng)絡(luò)附加存儲 (NAS) 和存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (SAN)．其中DAS屬于直連存儲架構(gòu)，SAN和NAS屬于共享式存儲架構(gòu)．DAS被認為是一種低效率存儲結(jié)構(gòu)，既不方便數(shù)據(jù)保護也不便于數(shù)據(jù)共享，不利于使用需求和容量分配間的平衡．如今云技術(shù)和企業(yè)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)量指數(shù)性的增長，使得需求市場對數(shù)據(jù)存儲能力提出了更高的要求，而這一切對DAS都是不利的，所以DAS架構(gòu)逐漸退出了主流．取而代之的是NAS和SAN存儲方式．NAS直接使用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，因而NAS存儲在進行數(shù)據(jù)備份或存儲過程中會占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，不適合于數(shù)據(jù)塊級的應(yīng)用．SAN則很好的彌補了這一缺陷，它的出現(xiàn)使得存儲系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性等性能都得到了很大的提升．如今SAN已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)備份的主要存儲方式．

1 網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)主要是為網(wǎng)絡(luò)中的主機提供數(shù)據(jù)存儲和共享，網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)主要有三個特點：數(shù)據(jù)量大、可用性高和高傳輸速率．

1.1 網(wǎng)絡(luò)附加存儲

網(wǎng)絡(luò)附加存儲[1](NAS) 是一種專用數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，它包括存儲器件和內(nèi)嵌系統(tǒng)軟件，將它連接到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上，通過文件存取協(xié)議存取數(shù)據(jù)，可提供跨平臺文件共享功能．但是由于NAS采用文件請求的方式，它的性能相對塊請求方式的設(shè)備來說較差，擴展性上也沒有采用SAN架構(gòu)的設(shè)備好．

1.2 存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)[1](SAN) 是一種以讓計算機和存儲設(shè)備進行通信為目的的高速網(wǎng)絡(luò)，它提供計算機與存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常與其他計算資源緊密集群來實現(xiàn)遠程備份和存儲．一個完整的SAN系統(tǒng)包括應(yīng)用服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備三個部分(如圖1)．根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接口的不同，可以將其分為FC SAN和IP SAN兩種．當(dāng)存儲設(shè)備前端提供FC接口并通過光纖通道協(xié)議[2][3](FC)與應(yīng)用服務(wù)器相連接的設(shè)備稱為FC SAN設(shè)備，將使用IP接口并通過iSCSI協(xié)議與應(yīng)用服務(wù)器連接的設(shè)備稱為IP SAN設(shè)備．

FC SAN[4]架構(gòu)將存儲設(shè)備組成單獨的FC存儲網(wǎng)絡(luò)并利用光纖進行連接，前端使用FC交換機組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器和存儲設(shè)備可任意連接，I/O請求直接發(fā)送到存儲設(shè)備上．它將SCSI指令封裝在FC包中，包頭、包尾和校驗碼占的比例非常低，因此其性能和效率非常高．FC SAN架構(gòu)將數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和傳輸介質(zhì)相互隔離成為相互獨立的存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，而且在數(shù)據(jù)的傳輸過程中不需要通過局域網(wǎng)，不會對網(wǎng)絡(luò)帶寬造成影響，因此其擁有較高的可靠性和安全性，這也是其高性能的原因之一．但是，由于FC SAN需要光纖通道交換機、HBA卡以及光纖介質(zhì)等，它的造價非常昂貴，通常適用于需要高可靠性的企業(yè)級高端市場或短距離大數(shù)據(jù)量的備份．

圖1 SAN系統(tǒng)的組成

IP SAN[5]是一種應(yīng)用iSCSI技術(shù)的SAN網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸介質(zhì)為IP網(wǎng)絡(luò)．IP SAN架構(gòu)是基于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)構(gòu)建的，可將SCSI指令通過TCP通信協(xié)議傳遞以控制遠程存儲設(shè)備．基于IP的SAN網(wǎng)絡(luò)的可擴展性很高，并且由于IP技術(shù)是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其標準性和開放性早已成為共識．因此基于IP技術(shù)的IP存儲協(xié)議iSCSI在互聯(lián)互通方面有著先天優(yōu)勢，不存在任何兼容性問題．相對于FC SAN來說，IP SAN也更加經(jīng)濟實惠，可擴展性和互操作性較高．

1.3 SCSI

SCSI[6]是一種用于計算機和智能設(shè)備之間的系統(tǒng)級接口的獨立處理器標準．SCSI協(xié)議實現(xiàn)了端到端的I/O總線．SCSI總線上有發(fā)起端和接收端兩種設(shè)備．SCSI命令是由SCSI發(fā)起端發(fā)起，再傳輸給SCSI接收端處理．SCSI的發(fā)起端負責(zé)發(fā)起I/O進程，接收端負責(zé)響應(yīng)請求，執(zhí)行I/O操作．互聯(lián)的SCSI設(shè)備使用SCSI總線進行數(shù)據(jù)傳輸．

1.4 iSCSI技術(shù)

iSCSI技術(shù)[7]也被稱為SCSI Over IP，用TCP/IP 協(xié)議，它將SCSI 命令封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中進行發(fā)送．iSCSI技術(shù)是一種基于internet及SCSI-3協(xié)議下的存儲技術(shù)，它的主要功能是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的主機系統(tǒng)和存儲設(shè)備之間進行大量數(shù)據(jù)的封裝和可靠性傳輸．

具體來說，iSCSI技術(shù)就是將現(xiàn)有的SCSI接口與以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，將SCSI與TCP/IP結(jié)合可以使它在降低成本的同時也增加了工作距離和互操作性，并且可以支持千兆甚至上萬兆的以太網(wǎng)速率，使得服務(wù)器可以和使用IP網(wǎng)絡(luò)的儲存設(shè)備交換數(shù)據(jù)．這是因為iSCSI是一個供硬件設(shè)備使用的可以在IP協(xié)議上層運行的SCSI指令集合，這種指令集合能夠?qū)崿F(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上運行SCSI協(xié)議，使其能夠在諸如高速千兆以太網(wǎng)上進行路由選擇．

本質(zhì)上，iSCSI是一種利用IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸SCSI數(shù)據(jù)塊的方法，使用以太網(wǎng)協(xié)議傳送SCSI命令和數(shù)據(jù)．也就是說，iSCSI讓兩個主機通過IP網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)商然后交換SCSI命令．這樣，iSCSI就利用廣域網(wǎng)仿真了一個高性能本地存儲總線，從而創(chuàng)建了一個SAN．iSCSI不需要專用的電纜，它可以在已有的IP基礎(chǔ)架構(gòu)上運行．

2 基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲

iSCSI是一種正在興起的IP存儲方案．以太網(wǎng)的普及使它的部署可以利用目前IT部門的既有經(jīng)驗．iSCSI使用已經(jīng)廣泛普及的以太網(wǎng)來構(gòu)建IP存儲局域網(wǎng)，通過這種方法，iSCSI克服了直接連接存儲的局限性，使我們可以跨越不同服務(wù)器來共享存儲資源，并可以在不停機狀態(tài)下擴充存儲容量，以這種方法傳輸SCSI數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳送．

IP SAN主要就是基于iSCSI技術(shù)組建起來的，即構(gòu)筑在IP協(xié)議基礎(chǔ)上的存儲局域網(wǎng)．iSCSI提供了發(fā)起端和接收端，這里的發(fā)起端和接收端是由軟件實現(xiàn)的．發(fā)起端(Initiator)[8]即典型的主機系統(tǒng)，負責(zé)發(fā)出讀寫數(shù)據(jù)請求，接收端(target)[8]即磁盤陣列之類的存儲資源，負責(zé)響應(yīng)客戶端的請求．

目前實現(xiàn)iSCSI協(xié)議主要有三種方法．第一種是使用以太網(wǎng)卡[9]，iSCSI和TCP/IP等功能由主機CPU實現(xiàn)，但是這種方法在某些情況下會使系統(tǒng)性能下降．第二種是使用智能網(wǎng)卡[10]，這種方式中iSCSI層功能仍由主機實現(xiàn)，但是TCP/IP層功能由智能網(wǎng)卡實現(xiàn)，降低了CPU負荷．第三種是iSCSI HBA卡[11]方式，這種方法中iSCSI和TCP/IP功能都由HBA卡實現(xiàn)，這種方法中CPU負荷最小，但是造價最昂貴．在IP SAN架構(gòu)中我們使用第一種方法．

iSCSI的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)主要分為兩個部分：iSCSI發(fā)起端和iSCSI接收端．由于iSCSI是SCSI在IP網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的傳輸協(xié)議，那么就需要解決兩個問題，一個是在IP網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)SCSI發(fā)起端的功能，另一個是在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)接收端的功能．第一個問題在SCSI的SIML層(發(fā)起端中間層)[12]已經(jīng)實現(xiàn)，iSCSI需要通過SIML的接口才可以訪問SCSI硬件，從而將SIML接受到的SCSI命令轉(zhuǎn)換為IP包．第二個問題則需要SCSI的STML層[12-13](接收端中間層)實現(xiàn)，在IP網(wǎng)絡(luò)上收到SCSI命令后，經(jīng)FETD(發(fā)起端下層前端目標端驅(qū)動程序)[13]處理后獲得的SCSI命令和SCSI數(shù)據(jù)交給STML處理，STML執(zhí)行SCSI命令后返回命令響應(yīng)給FETD，F(xiàn)ETD再向發(fā)起端傳輸命令響應(yīng)．這樣，基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程就實現(xiàn)了，傳輸過程如圖2所示．

圖2 SCSI命令的執(zhí)行過程

基于iSCSI技術(shù)的IP SAN網(wǎng)絡(luò)具有非常高的性價比，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程備份、數(shù)據(jù)容災(zāi)和鏡像等功能，同時還可對遠程存儲進行實時操作，并能通過IP網(wǎng)絡(luò)訪問其他IP存儲系統(tǒng)．

3 結(jié)論

現(xiàn)在越來越多的用戶認識到數(shù)據(jù)安全的重要性，存儲陣列保護、系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)容災(zāi)已經(jīng)成為了信息系統(tǒng)建設(shè)的熱點．存儲網(wǎng)絡(luò)作為面向數(shù)據(jù)的“第二網(wǎng)絡(luò)”引發(fā)了信息化新浪潮．?dāng)?shù)據(jù)是未來網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)化存儲將成為主要的數(shù)據(jù)備份方式．

iSCSI的標準和市場都處于成長中，據(jù)說有300多家公司支持這一標準，英特爾也把推動iSCSI的普及和標準化作為自己在存儲領(lǐng)域的策略之一．由于IP互聯(lián)技術(shù)在成熟度、性價比和性能方面都有較大優(yōu)勢，可利用的資源和技術(shù)也非常豐富，再加上在SAN中采用TCP/IP協(xié)議并采用通用的存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，使得不同的廠商設(shè)備可以互操作，在許多廠商提出的城域網(wǎng)方案中，也把用以太網(wǎng)實現(xiàn)存儲任務(wù)作為重要的業(yè)務(wù)種類．通用網(wǎng)絡(luò)支持專門應(yīng)用的特色顯露無疑．

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