iSCSI存儲技術全攻略-1

 

什麼是ISCSI

iSCSI（iSCSI = internet Small Computer System Interface ）是由IEETF開發的網絡存儲標準，目的是爲了用IP協議將存儲設備連接在一起。通過在IP網上傳送SCSI命令和數據，ISCSI推動了數據在網際之間的傳遞，同時也促進了數據的遠距離管理。由於其出色的數據傳輸能力，ISCSI協議被認爲是促進存儲區域網（SAN）市場快速發展的關鍵因素之一。因爲IP網絡的廣泛應用， ISCSI能夠在LAN、WAN甚至internet上進行數據傳送，使得數據的存儲不再受地域的現在。

ISCSI技術的核心是在TCP/IP網絡上傳輸SCSI協議，是指用TCP/IP報文、和ISCSI報文封裝SCSI報文，使得SCSI命令和數據可以在普通以太網絡上進行傳輸，如下圖：

iSCSI 協議定義了在 TCP/IP 網絡發送、接收 block（數據塊）級的存儲數據的規則和方 法。發送端將SCSI命令和數據封裝到 TCP/IP 包中再通過網絡轉發，接收端收到 TCP/IP 包 之後，將其還原爲SCSI命令和數據並執行，完成之後將返回的SCSI命令和數據再封裝到 TCP/IP 包中再傳送回發送端。而整個過程在用戶看來，使用遠端的存儲設備就象訪問本地的 SCSI設備一樣簡單。

早在 2001 年上半年，IBM 就推出了IP Storage 200i，是市場上公認的第一款基於iSCSI 協議的產品，這款產品的出現，對於身處信息爆炸時代卻無法承擔光纖通道 SAN 環境高成本的中小型用戶來說，具有巨大的吸引力；2001年10月，Cisco也推出了SN5420存儲路由器，基於IP標準和SAN標準，可以提供與現有LAN、WAN、光纖和SAN設備之間的互操作，率先建立了IP網絡與SAN之間的橋樑。現在，有更多的廠商參與到iSCSI產品的開發中，如Intel已經推出了存儲網卡 IP Storage iSCSI PRO/1000T，將協議轉化也就是封裝、還原 TCP/IP 包的步驟轉移到網卡上來執行，大大降低了服務器處理器的佔用率。同時，還有芯片、板卡製造商加入到iSCSI產品的開發中，如Adaptec、Qlogic 等等。

iSCSI可以實現在IP網絡上運行SCSI協議，使其能夠在諸如高速千兆以太網上進行路由選擇。用戶可使用標準的千兆級以太網傳輸協議，通過Cat5線纜和任意的交換機產品，將服務器與磁盤陣列連接在一起，並且能夠提供接近FC SAN的性能。

iSCSI集SCSI、以太網和TCP/IP等技術於一身，支持iSCSI技術的服務器和存儲設備能夠直接連接到現有的IP交換機和路由器上，具有低廉、開放、大容量、傳輸速度高、安全等諸多優點，最適合需要在網絡上存儲和傳輸大量數據的應用環境，比如廣電視頻製作和媒資系統，視頻監控系統，IPTV系統，數據備份系統，以及許多的對IOPS和帶寬性能要求不是還很高的數據庫存儲系統、大容量文件存儲系統。

ISCSI存儲系統架構

現在市場有很多不同型號的iSCSI存儲設備，設備的型號和參數有很多不同，廠商在做市場宣傳時候也經常採用不同的口號或噱頭，標榜自己的產品有各種各樣不同的功能和優勢。

實際上當我們對iSCSI設備的結構進行深入的研究時就會發現iSCSI從架構上可以分爲4種類型的架構。

一、控制器架構

iSCSI的核心處理單元採用與FC光纖存儲設備相同的結構。即採用專用的數據傳輸芯片、專用的RAID數據校驗芯片、專用的高性能cache緩存和專用的嵌入式系統平臺。打開設備機箱時可以看到iSCSI設備內部採用無線纜的背板結構，所有部件與背板之間通過標準或非標準的插槽鏈接在一起，而不是普通PC中的多種不同型號和規格的線纜鏈接。

這種類型的iSCSI存儲設備核心處理單元採用高性能的硬件處理芯片，每個芯片功能單一，因此處理效率較高。操作系統是嵌入式設計，與其他類型的操作系統相比，嵌入式操作系統具有體積小、高穩定性、強實時性、固化代碼以及操作方便簡單等特點。因此控制器架構的iSCSI存儲設備具有較高的安全性和和穩定性。

控制器架構iSCSI存儲內部基於無線纜的背板鏈接方式，完全消除了鏈接上的單點故障，因此係統更安全，性能更穩定。一般可用於對性能的穩定性和高可用性具有較高要求的在線存儲系統，比如：中小型數據庫系統，大型數據的庫備份系統，遠程容災系統，網站、電力或非線性編輯製作網等。

控制器架構的iSCSI設備由於核心處理器全部採用硬件，製造成本較高，因此一般銷售價格較高。

目前市場還可以見到一種特殊的基於控制器架構的iSCSI存儲設備。該類存儲設備是在現有FC-SAN存儲設備的基礎上增加iSCSI協議轉換模塊，使得FC-SAN存儲設備可以同時支持FC數據傳輸協議和iSCSI傳輸協議，如EMC 150i/300i/500i，HDS AMS1000/500/200等。

常見控制器架構iSCSI產品：

1、Equlogic PS300E系列

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2、Infortrend EonStor A16E

3、UIT BS2000e/3000e

區分一個設備是否是控制器架構，可從以下幾個方面去考慮：

1、是否雙控：除了一些早期型號或低端型號外，高性能的iSCSI存儲一般都會採用active-active的雙控制器工作方式。控制器爲模塊化設計，並安裝在同一個機箱內，非兩個獨立機箱的控制器。

2、緩存：有雙控制器緩存鏡像、緩存斷電保護功能。

3、數據校驗：採用專用硬件校驗和數據傳輸芯片，非依靠普通CPU的軟件校驗，或普通RAID卡。

4、內部結構：打開控制器架構的設備，內部全部爲無線纜的背板式連接方式，各硬件模塊連接在背板的各個插槽上。

二、iSCSI連接橋架構

整個iSCSI存儲分爲兩個部分，一個部分是前端協議轉換設備，另一部分是後端存儲。結構上類似NAS網關及其後端存儲設備。

前端協議轉換部分一般爲硬件設備，主機接口爲千兆以太網接口，磁盤接口一般爲SCSI接口或FC接口，可連接SCSI磁盤陣列和FC存儲設備。通過千兆以太網主機接口對外提供ISCSI數據傳輸協議。

後端存儲一般採用SCSI磁盤陣列和FC存儲設備，將SCSI磁盤陣列和FC存儲設備的主機接口直接連接到iSCSI橋的磁盤接口上。

iSCSI連接橋設備本身只有協議轉換功能，沒有RAID校驗和快照、卷複製等功能。創建RAID組、創建LUN等操作必須在存儲設備上完成，存儲設備有什麼功能，整個iSCSI設備就具有什麼樣的功能。

SANRAD的V-Switch系列，ATTO Technology的iPBridge系列的iSCSI橋接器，提供iSCSI-to-SCSI與iSCSI-to-FC 的橋接，可將直連的磁盤陣列櫃(Disk Array，JBOD、DAS)或磁帶設備(Autoloader、Tape Library)轉變成iSCSI存儲設備。

不過隨着iSCSI技術的逐漸成熟，連接橋架構的iSCSI設備越來越少，目前的市場上基本已看不到這樣的產品了。

三、PC架構

那麼何謂PC架構？按字面的意思可以理解爲存儲設備建立在PC服務器的基礎上。即就是選擇一個普通的、性能優良的、可支持多塊磁盤的PC（一般爲PC服務器和工控服務器），選擇一款相對成熟穩定的iSCSI target軟件，將iSCSI Target軟件安裝在PC服務器上，使普通的PC服務器轉變成一臺iSCSI存儲設備，並通過PC服務器的以太網卡對外提供iSCSI數據傳輸協議。

目前常見的iSCSI Target軟件多半由商業軟件廠商提供，如DataCore Software的SANmelody，FalconStor Software的iSCSI Server for Windows，和String Bean Software的WinTarget等。這軟件都只能運行在Windows操作系統平臺上。

在PC架構的iSCSI存儲設備上，所有的RAID組校驗、邏輯卷管理、iSCSI 運算、TCP/IP 運算等都是以純軟件方式實現，因此對PC的CPU和內存的性能要求較高。另外iSCSI存儲設備的性能極容易收PC服務器運行狀態的影響。

當由於PC架構iSCSI存儲設備的研發、生產、安裝使用相對簡單，硬件和軟件成本相對較低，因此市場上常見的基於PC架構的iSCSI設備的價格都比較低，在一些對性能穩定性要求較低的系統中具有較大的價格優勢。

常見PC架構iSCSI存儲設備：

1、INTEL ***212CC iSCSI產品圖片：

2、H3C EX1000 iSCSI產品圖片：

3、HP MSA1510i iSCSI產品圖片：

四、PC+NIC架構

PC+iSCSI Target軟件方式是一種低價低效比的解決方案，另外還有一種基於PC+NIC的高階高效性iSCSI 方案。

如果只是將高速Ethernet用於存儲網絡化過於可惜，因此衆多廠商發起了iWARP，不僅可實現存儲網絡化，也能實現I/O 的網絡化。通過RDMA(Remote Direct Memory Access)機制簡化網絡兩端的內存數據交換程序，從而加速數據傳輸效率。

目前Broadcom提出所謂的C-NIC(Converged NIC)聚合型網卡理念，即是在一顆NetXtreme II 系列的GbE控制芯片內同時具備以太網絡、存儲網絡化、I/O網絡化等功效。傳統以太網部分具有TOE運算，存儲網絡化則具備iSCSI運算、I/O網化則具備RDMA運算，大幅卸除CPU的輔助運算，使CPU佔用率降至20%以下。

Broadcom 目前的代表性芯片爲BCM5706(PCI/PCI-X 接口)與BCM5708S(PCIe 接口)，其中BCM5706 爲第一代，BCM5708S 爲第二代，第二代傳輸率從1Gbps 提升至2.5Gbps。第三代傳輸率從2.5Gbps 提升至10Gbps。