（计算机系统结构专业论文）基于异构平台的iscsi系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 卜! ! ! 迹丝将s c s i 协议、t c p i p 协议有效地融合在一起，能很好地利 用已有的网络硬件和软件基础，实现开放性互连。i s c s i 协议的层次位于 t c p i p 之上，其协议数据单元包括头部和数据，被封装在t c p 包中，在 t c p i p 网络上传输。在分析i s c s i 协议的基础上，实现基于异构平台的 i s c s i 存储系统。 7 异构平台i s c s i 系统可包括多种操作系统平台的服务器和存储设备， 服务器以动态可扩展方式访问异地存储资源。通过对i s c s i 协议和i s c s i 异构系统结构进行分析，针对w i n d o w s 2 0 0 0 和l i n u x 操作系统的服务器以 及l i n u x 平台下的存储设备，分别用不同的服务例程实现i s c s i 启动器功 能和i s c s i 目标器功能，并通过基于主机的虚拟存储方法一一l u n m a s k i n g ，将用户请求映射到相应的逻辑单元，实现存储单元的动态可扩展。 i s c s i 的服务器端通过图形界面的w e b 控制管理台管理存储资源。 在不同条件下进行i s c s i 实验测试。配置百兆以太嘲和千兆以太网的 交换机和网卡，从测试结果可以得出结论，网络带宽影响系统的性能。千 兆以太网中i s c s i 的最高速度可达3 0 m b s 以上。多线程能够有效的利用 空余资源，因此多线程的i s c s i 可以获得更好的性能。操作系统平台的选 择也会影响性能，运行在l i n u x 中的i s c s i 与w i n d o w s 2 0 0 0 中的相比有更 高的数传率。 最后用r a mc a c h e 技术减少i s c s i 的网络传输开销，从而提高系统的 性能。 实验数据表明，写操怍的时间可以减少2 0 3 0 。 r夺 关键词：互联网小型计算机接口f 小型计算机接口) 异构系统，随机存取内存 缓存 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i s c s i p r o t o c o lc o n j o i n s s c s i p r o t o c o l a n dt c p i p p r o t o c o l t h a t i m p l e m e n t sa no p e ni n t e r c o n n e c t i o nw i t ht h ew e l l u s eo fn e t w o r kh a r d w a r e a n ds o f t w a r e i s c s ip r o t o c o li s0 nt h et o po ft c p i pp r o t o c 0 1 i s c s id e f i n e s i t so w np a c k e t st h a ta r er e f e r r e dt oa si s c s ip r o t o c o lu n i t s ( p d u s ) i s c s i p d u sc o n s i s to fah e a d e ra n dp o s s i b l ed a t a i s c s ip d ui st r a n s f c r e da sap a r t o fo n eo rm o r et c pp a c k e t so v e rt h et c p i pn e t w o r k t h ei s c s ip r o t o c o li s a ni m p o r t a n tp r o t o c o lf o ri s c s is e r v e r st oa c c e s s s s t o r a g e d e v i c eo v e ri p n e t w o r k b y t h e a n a l y s i s o fi s c s i p r o t o c o l ，a n i s c s i s y s t e mb a s e d o n h e t e r o g e n o u sp l a t f o r m si si m p l e m e n t e d s e v e r sa n dd e v i c e si nh e t e r o g e n o u si s c s is y s t e mc a nb ed e s i g n e dt or u no n d i f f e r e n to sp l a t f o r m s s e r v e r sa c c e s sr e m o t es t o r a g er e s o u r c ei nad y n a m i c w a y t oe x t e n d s t o r a g er e s o u r c e b ya n a l y s i n g i s c s i p r o t o c o l a n di s c s i h e t e r o g e n o u ss y s t e m ，d i f f e r e n t s e r v i c er o u t i n e sa r e d e v e l o p e d t o s u p p o r t i s c s ii n t i a t o ra n di s c s it a r g e to nw i n d o w s 2 0 0 0 l i n u xp l a t f o r m s t h ed e v i c e t h a tu s e rr e q u e s ti st r a n s l a t e dt o l o g i cu n i tb yl u nm a s k i n gb a s e do nh o s t v i r t u a l i z e t e c h n o l o g y b y t h i s m e a n s ，s t o r a g e d e v i c e sa r e d y n a m i c a l l y e x t e n d e d s t o r a g er e s o u r c e i sc o n t r o l l e d b yw e bm a n a g e ro fg u ib yi s c s i s e r v e r t h ee x p e r i m e n t sa r eb a s e do nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s s w i t c ha n dn e t w o r k c a r d sa r ec o n f i g u r e da s10 0 m b i tn e t w o r ka n dg i g a b i tn e t w o r k a c c o r d i n gt o t h er e s u l to fi s c s ip e r f o r m a n c et e s t ，i ti sc o n c l u d e dt h a tn e t w o r kb a n d w i d t h h a sa ni m p a c to np e r f o r m a n c ed a t a t h em a xs p e e do fi s c s ii sb e y o n d3 0 m b s o v e r10 0 0 m b i tn e t w o r k i ti sa l s os h o w n t h a tm u l t i t h r e a ds y s t e mw o r k sb e t t e r t h a n s i n g l e t h r e a d s y s t e m b e c a u s em u l t i t h r e a dc a nu s e s p a r e r e s o u r c e d i f f e r e n to s sm a k ed i f f e r e n tr e s u l t s i s c s ir u nf a s t e ro nl i n u xt h a no n i i 华中科技大学硕士学位论文 w i n d o w s 2 0 0 0 a tl a s t ，r a mc a c h et e c h n o l o g y ；su s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f i s c s is y s t e ma st h er e s u i to fr e d u c i n gn e t w o r kt r a n s p o r tt i m e s a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t sd a t a ，w r i t et i m e c a nb er e d u c e d2 0 9 6 3 0 ， k e yw o r d s ：i s c s i ，s c s i ，h e t e r o g e n o u ss y s t e m ，r a mc a c h e j ! l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 i n t e r n e t 各种应用的开展和超媒体的出现，对存储系统的存储容量和存 取速度提出更高要求。存储系统按照其所处位置，大致可分为两部分：一 部分存储设备位于计算机内，通常是由高速缓存和主存构成，其特点是速 度快，容量不大。另一部分通过外部设备总线与计算机相连。这类存储设 备主要是大容量的磁盘，r a i d 阵列和磁带库等，由于延长了到c p u 的i o 路径，速度相对较慢。存储技术的发展与计算机硬件的发展紧密联系。高 性能处理器、高速传输器件以及海量存储设备的出现，为新的存储技术提 供了硬件基础。 各种权威的市场预测报告证实：存储市场正成为i t 产业中最具战略意 义、发展最快的领域。据国际数据协会( i n c ) 报告，目前用户在服务器和存 储产品上的花费已经接近1 ：l ，到2 0 0 4 年，这一比例将扩大至l ：3 。届 时，世界存储市场的总值将超过4 6 0 亿美元。据e m c 公司估计，到2 0 0 5 年，全球存储市场需求将达到1 0 0 0 亿美元。这一增长表明：重要数据在不 断增长，而对存储资源的管理愈来愈难。i d c 预测，到2 0 0 4 年，全球6 7 的存储将实现网络化。在这种趋势下，网络存储技术的发展聚焦了更多关 注与投入。面对不断膨胀的商业需求，现在主要有三种网络存储方案：直 接附加存储( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ) ：附网存储( n e t w o r k a t t a c h e d s t o r a g e ) ；存储局域网( s t o r a g ea r e an e t w o r k s ) 。n a s 提供给用户的是文 件级的数据传输，而s a n 是数据块级的存储系统。现代网络存储系统需要 满足高可靠性、高可用性、高性能( i o 率和数传率) 、动态可扩展性、易 维护性和开放性等众多方面的需求，存储区域网络( s a n ) 这一新兴技术因 为其科学合理的结构和特点，成为理想的存诸管理和应用模式。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 存储区域网络简介 s a n 是以数据存储为中心，采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高 传输速率的光纤通道网路通道的直接连接方式，提供网络内部任意节点之 间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管理集中在相对独立的存储 区域网内。在多种通道传输协议逐渐走向标准化并且跨平台群集文件系统 投入使用后，s a n 最终将实现在多种操作系统下，最大限度的数据共享和 数据优化管理，以及系统的无缝扩充。图1 1 显示了一个典型的s a n 结构。 图1 1 s a n 的结构 比较以往的网络存储结构，存储区域网络具有以下几方面的优势。 1 性能：未来的存储系统有3 “t ”( i n f i n i t ec a p a c i t y ，i n f i n i t eb a n d w i d t h ， i n f i n i t ep r o c e s s i n gp o w e r ) ，s a n 避免了瓶颈的出现，能大大提高存 取带宽。 2 可访问性：任何被授权的数据均能访问，可以通过多种路由重新定 位存储位置。 3 可靠性：可作远程镜像增加灾难防御能力及重建速度。透过s a n 备 华中科技大学硕士学位论文 份，降低经过l a n 备份的t r a f f i c 负载。 4 扩窑能力：由于在s a n 上，存储器在物理上是与系统分开盼，所以， 增加存储器就像是给两络增加一个节点。无须改造网络实现平缓升 级。 5 管理性：s a n 存储所带的虚拟化软件可以从个管理控制台对附带 在该s a n 上的赝鸯系统驰存照嚣进行配霉、扩充和备捡，能有效鸵 管理存储的开销。 梅建s a n 寿3 个要素；蹦终连接技术、管理软件积存褚系统。 1 ，网络连接技术 糊络互连结构中的部件包括主视总线适配器、互连线缆光缆、网轿， 集线器以及交换机筹。各部件遵循连接协议进行通信。表i 1 指出各种连 接技术的不闻。 表1 1 三种连接技术的比较 类型光纤通道l p 存储i n f i n i b a n d 应用范屡 大型企业，大型应分毒式w e b i s p ： 集群s a n 应用 用高端s a n中等规模s a n 絮梅专用存赭惩络以走霹l i p 羁络支持存姥帮主枧 通信的网络 性熊( 峰值) 2 g b i s i sl g b i t s t s2 5 g b i t s s ( 全双= 】二) ( 垒双工) ( 1 ) 光纤通道( f c ) 是构建s a n 的一种连接技术。服务器和存储予系 统通过高速集线器或交换机进行要连。光纤通邋提供了许多优秀的性能， 允许块级s c s i 数据命令博输，克服了并行s c s i 技术在传输速度和传输距 离上的限制婶j 。 光纤通道有两种拓扑结构支持s a n l 3 4 】：仲裁环形连接( f c - a l ) 和交 接拓於式结擒。在f c a 己始梅中，数据经过各个节点避行传输，舞誊的苇 点都共享同一带宽。它允许用户在一个f c a l 环路上配置1 2 6 个主机或存 谑设备，它嬗焉把纤逶道鑫令薛超集柬处理协葡访阍环并为环上转吾萤点 华中科技大学硕士学位论文 指定序号。在许多情况下，f c a l 结构已能满足需要，它最大的优势在于 安装和维护的费用经济。但f c a l 结构也有一些缺点。环路上的设备共享 带宽，每一具体时刻只能有一个连接进行通讯，如果某个节点或设备出错， 整个环路就会中断。 在交换拓扑结构中，存储节点之间采用光纤通道交换机进行连接，形 成交换式s a n 。与f c a l 不同的是，节点间可以一对一的通信，带宽不再 被分享，每个连接都有专用的带宽。因此更能适合企业级海量数据传输的 要求。但构建交换拓扑结构要花费很多的钱，而且在关键业务中不一定比 用集线器更具有优势，因为它需要管理软件的支持和维护，此外还存在和 其他设备的互操作等问题。 在建设低延迟的s a n 过程中，光纤通道技术显示出在超高性能表现、 可扩充性、可管理性以及灵活性等方面的强大优势。它允许用户在不重新 配置服务器的情况下增加存储容量，在网管方面它能在整个网络结构中被 当成一个元素进行整体管理，还能提供快速故障定位和排除。光纤通道使 用较大的数据块传输，能在硬件级别保障正确的传输。现有的光纤通道技 术支持2 g b p s 的数据传输率，这个速率估计两年后能再翻一番。 ( 2 ) 随着1 g b p s 以太网技术的发展，s a n 由f c s a n 一统天下的局面 被打破，以太网和t c p i p 技术开始被用于s a n 中，形成i p 存储技术这一 分支f 5j 。i p 存储协议可以将块级请求进行压缩，通过t c p i p 网络传输，块 级请求可以在i p 网络中直接被s a n 接受。i p 存储使得服务器可以通过i p 网络连接s c s l 设备【6 】，并且像使用本地的设备一样，无需关心设备的地址 或位置。而网络连接则是以i p 和以太网为骨干，是以廉价而成熟的i p 和 以太网技术，替代了光纤通道技术。存储市场要求能对存储设备进行方便， 高效的管理。i p 存储能够统一存储空间，得到一个整体的空间视图。n a s 和s a n 通过i p 交换机互联，可以同时访问不同级别的数据。 i p 网络存储改变了专用存储网络的结构。目前主要采用的i s c s i ( 互 联网小型计算机接口) ，是由i b m 和c i s c o 公司共同提出，因特网工程工 作小组( i e t f ) 制定的可以在i p 协议上层运行的s c s i 指令集标准 7 1 。经 4 华中科技大学硕士学位论文 过不断地更新，2 0 0 3 年2 月初，i e t f 终于通过了i s c s i 标准。它的主要思 想是使用i p 包封装s c s i 包，因此可以取代f c 的作用。i s c s i 是为主机到 存储设备的端到端连接而设计的，类似于光纤通道的s a n 架构，i s c s i 技 术可使主机到兼容的存储设备之间通过i p 交换机进行通讯。而驱动器仍可 使用真正的s c s i 驱动器，因为i s c s i 并不等同于今天的硬盘连接技术。可 以说，i s c s i 是i p 存储中最重要的技术。 ( 3 ) i n f i n i b a n d 是一种宽带i o 结构【8 】，支持多并发链接的“转换线缆” 技术，这种架构在一个链接的时候速度是2 5 g b 秒，四个链接的时候速度 是1 0 g b 秒，用i n t e l 架构的处理器的输入输出性能会受到p c i 或者p c i x 总线的限制。总线的吞吐能力是由总线时钟( 比如3 3 3 m h z ，6 6 6 m h z 以 及13 3 3 m h z ) 和总线的宽度( 比如3 2 位或者6 4 位) 决定的。在最通常的 配置中，p c i 总线速度被限制在5 0 0m b 秒，而p c i x 总线速度被限制在 1g b 秒。这种速度上的限制制约了服务器和存储设备、网络节点以及其他 服务器通讯的能力。i n f i n i b a n d 直接集成到系统板内，并且直接和c p u 以 及内存子系统互动，肩负着改善服务器端输入输出性能的使命。i n f i n i b a n d 非常适合在服务器和存储系统之间建立高速的连接；以及把计算机连接成 计算机集群，从而进行工作分布，这样即使单个的机器失败了，整个工作 还是在进行。 2 管理软件 s a n 的管理软件是一个相当复杂的成分【9 ，1o ，1 1 1 。根据不同的需求，相 应提供不同的软件来完成指定的功能。管理一个大型的s a n 需要结合网络 管理和存储管理的知识。s a n 通过s n m p 和c i m ( 通用信息模型) 协议来 进行管理。存储资源包括存储硬件如磁盘子系统、磁带以及光介质系统等。 存储资源管理软件从物理和逻辑层次上管理资源，它包括容量和配置管理、 数据、设备和介质的迁徙管理以及事件报警和策略管理。数据备份和恢复 数据是存储管理的基础。良好的备份策略应在恢复速度和冗余空间之间取 得平衡。由于在s a n 中所有的存储资源都可以被存取，所以需要有授权机 制来保证各个服务器中的数据不被非法改写。使用端口分区的方法，把交 华中科技大学硕士学位论文 换机分成许多逻辑上的区域，从而实现安全的功能。在s a n 中，数据可以 数据块或逻辑文件的方式进行存取。s a n 的一个难题就是因为在整个网络 中各个服务器的操作系统和文件格式各异，所以要开发有效的文件管理软 件。 3 存储系统 存储系统包括s a n 所能访问的所有存储资源，如磁盘、s c s i i d e 阵 列设备、光盘塔、磁带系统。这些设备既可通过主机总线适配器与主机相 连，也可通过一个存储子系统控制器管理，此时屏蔽了子系统内部数据设 备通信的复杂性。 1 3i p 存储发展的现状和趋势 目前学术界和存储厂商的普遍观点是，i p 存储的未来始终取决于当前 主流的s a n 、n a s 产品的无缝连接、升级的技术。通过i p 进行存储从理 论上说可以达到无限的距离。相比之下，目前所普遍使用的光纤通道，最 大使用距离不能超过1 0 0 公里。 目前，支持f c i p 的厂商包括：c n t 、e m c 、g a d z o o x 和c i s c o 公司， 其解决方案已推出约两年。支持i f c p 、m f c p 、i s n s 的厂商有n i s h a n 等。 支持i s c s i 的厂商包括i b m 、c i s e o 、h p 、i n t e i 、s u n 、a d a p t e c 等众多厂 商。其中，c i s c o 公司收购了n u s p e e dt n t e r n e ts y s t e m 公司。后者在i s c s i 产品的研究上很有建树。c i s c o 收购n u s p e e d 后推出的第一款网络存储产 品是s n5 4 2 0 存储路由器，这是c i s c o 公司i p 存储方案的核心。该方案的 拓扑结构如图1 2 所示。 但是，基于i p 的存储网络要想实现其潜质。还必须克服一些技术问题。 特别是在光纤通道网络中，从服务器向存储装置传送的是“块数据”，而 i p 网络则传送的是“包数据” 12 1 ，因此数据在传送前被分解成小数据段， 然后在传输的另一端重新组合起来。问题是如何通过i p 网络有序地发送块 数据，并在另一端以正确次序重新组合。t c p 完成这一任务的典型操作是 华中科技大学硕士学位论文 使用重调顺序缓冲器 i3 】，将数据包的顺序完全整理为正确方式，完成这一 操作后，t c p 层将数据发送到上一层( i s c s i ) 。 1 4 课题的目的和意义 图1 2 c i s c oi p 存储方案 本课题从属于国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 ) “快速并行数据 存储处理研究”( g 1 9 9 9 0 3 3 0 0 6 ) 。根据项目的要求，需要完成i s c s i 存储 技术与存储系统的研究工作，掌握i s c s i 核心技术，并成功研制出高性能 的i s c s i 存储设备，构建完整的i s c s i 存储系统，为包括i s c s i 技术在内 的新型存储互联技术在全息存储系统的应用奠定良好的基础，i s c s i 技术 可直接应用在全息存储系统中，将作为9 7 3 “快速并行数据存储处理研究” ( g 1 9 9 9 0 3 3 0 0 6 ) 的阶段性成果。 本课题是根据国际上先进的存储通信标准i s c s i 协议( 已于2 0 0 3 年2 月1 2 日颁布，此前根据其草案进行研究) ，开发实现跨平台、动态可扩展 的i s c s i 系统，并在保证高可靠和高性能的前提下，研制基于此项技术的、 可应用在千兆网环境中的i s c s i 存储设备，难度很大，为此，拟定了若干 关键技术研究项目： ( 1 ) i s c s i 协议分折： ( 2 ) 基于i s c s i 协议和技术的s a n 体系结构分析： 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) i s c s i 在基于异构操作系统中实现技术的研究开发： ( 4 ) 动态可扩展i s c s i 技术在i p 网络环境中实现技术的研究开发； ( 5 ) 新型i s c s 存储设备的研究，高可靠、高性能、低成本i s c s i 存 储设备的开发： ( 6 ) 性能的优化和跨平台i ( 7 ) 动态可扩展的i s c s i 存储设备的产品化。 华中科技大学硕士学位论文 2i p 存储网络连接技术一i s c s i i s c s i 是i p 存储中的一项重要技术。本章首先介绍如何使用i s c s i 构 造i p 存储网络，2 2 节讲述s c s i 接口标准和相关的术语，s c s i 事务处理 等内容。2 3 节和2 4 节主要围绕i s c s i 协议标准和会话管理展开。最后 介绍i p s e c 安全协议。 2 1 使用i s c s i 构建i p 存储网络 近几年来，存储网络的发展非常迅速，一部分原因是它解决日益增加 的大容量存储的管理。当存储设备通过高速线缆直接连接到主机时，主机 的存储请求能被存储设备很好的服务。如果多个主机构成一个网络时，每 个主机有附属的存储设备，所有的存储资源的管理就变得很复杂。i p 存储 技术应运而生。它继承s a n 的高性能的同时又结合传统n a s 的数据共享 优势，能提供多方面的存储管理优势，可以实现计算机资源与存储资源的 分离。 构建i p 存储网络需要多种技术的支持。s c s i 和以太网是两种成熟的 技术。它们融合的产物一一i s c s i 是构建i p 存储网络的一种新兴技术。2 0 0 3 年，i e t f 公布了i s c s i 标准，最终明确了i s c s i 的应用前景。i s c s i 使用 t c p i p 协议在以太网上传输块存储的s c s i 命令。 过去，以太网的速度远落后于直接附加存储。随着1 g 和1 0 g 以太网 的出现，以太网的速度已经足以满足存储应用。l a n s 、m a n s 和w a n s 的 网络结构开始用于存储网络。i p 存储在局域千兆以太网或广域网络上传输 的是大块的数据而不是文件。在i p 存储网络中，基于s c s i 服务器、磁带 库和光纤通道、s c s i 或e s c o n 磁盘阵列可以通过一个i p 存储适配器，或 者连接到干兆以太网交换机或路由器上的一个交换机，与干兆以太网上的 设备进行连接和互操作。 9 华中科技大学硕士学位论文 i s c s i 启动器通过以太网线连接发出i o 请求的主机。i s c s i 目标器直 接连接存储设备。启动器封装s c s i 命令和数据，使之能够被t c p i p 协议 处理。网络远端的目标器解析收到的数据和命令。 实现i s c s i 的软件可以看作位于t c p i p 层上的协议层。这层协议既可 以运行于主机上，也可以运行在主板的协处理器上。使用芯片实现也是一 个途径。不同的实现方法决定i p 存储网络连接的不同性价比。 目前实现i s c s i 主要有以下三种方式：1 纯软件方式；采用通用的以 太网卡，i s c s i 和t c p i p 协议栈功能层都由主机c p u 完成。由于采用的 是标准的网卡，因此这种方式的硬件成本最低，但由于i s c s i 和t c p i p 层 功能都由主机c p u 完成，通过该网卡的即有网络通信量又有存储通信量， 随着这种通信量的增加，主机的运行开销就会大大增加，从而造成主机系 统性能的下降，严重时还可能使主机成为系统的瓶颈。2 智能i s c s i 网卡 实现方式【1 4 】：采用特定的智能网卡，i s c s i 层的功能由主机来完成，而 t c p i p 协议栈功能由网卡来完成。和方式1 相比，部分降低了主机的运行 开销。3 i s c s ih b a 卡实现方式：采用主机总线适配器的方式，i s c s i 层 和t c p i p 协议栈功能均由该主机总线适配器来完成。对主机的c p u 的需 求最少，相对主机而言，就是一个标准的s c s ih b a ，可以在各种操作系 统平台上应用。 i s c s i 是i p 存储的基本通信协议，使用i s c s i 构建i p 存储网络具有 以下几个显著的优点： ( 1 ) i s c s ! 基于t c p i p 协议，可以运行在传统的以太网和因特网上。众 所周知，以太网几乎无处不在，i s c s i 能很好地利用已有的网络硬件和软 件基础。 ( 2 ) i p 网络的带宽发展相当迅速，目前，千兆以太网已经逐步普及。在 局域网的范围内，带宽已不再成为网络存储的瓶颈。如果带宽达到10 g b ， i s c s i 就可成为构建远程异地容灾系统的存储协议。 ( 3 ) s c s t 大大降低了构建网络存储系统的成本。i s c s i 的实现使通过i p 网络访问存储设备成为了可能。企业可以利用已有的以t c p i p 协议为基础 华中科技大学硕士学位论文 建立网络环境。i p 交换机取代f cs a n 系统中造价昂贵的f c 交换机。 ( 4 ) 利用i p s e c 提供网络安全机制，来保证数据被完整，保密地传输给 接收方。 2 2s c s i 接口 2 2 1s c s i 概况 s c s i 是一种连结主机和外围设备的接口 15 l ，支持包括磁盘驱动器、磁 带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由s c s i 控制器进行数据操作， s c s i 控制器相当于一块小型c p u ，能对主机发给s c s i 磁盘的命令进行缓 冲、排队，并进行优化处理( 命令队列) 。常用的s c s i 标准是s c s i 2 和 s c s i 一3 。s c s i 3 还包括f i b r ec h a n n e ls c s i 、i e e el3 9 4 ( f i r c w i r e ，火线) 标准。这些标准只涉及s c s i 一3 的体系结构中的互联结构和传输层次，核心 命令集还是不变的。较新推出的u l t r a3 在性能上可达到1 6 0 m b s ，并与 以前的s c s i 版本兼容。表2 1 列出各种s c s i 接口的性能参数。 表2 1s c s i 接口的性能参数 l b u sw i d t hs c s ib u ss y n c f r e q u e n c y最大总线速度 s c s i 18b i t s a s y n c h r o n o u s 5m b s ( f a s t ) s c s i 一2 8b i t s1 0 m h z1 0 m b s ( f a s t ) w i d es c s i - 2 1 6b i t s1 0m h z2 0 m b ，s iu l t r as c s l 28b i t s2 0 m h z2 0 m b s lu l t r aw i d es c s i 一21 6b i t s2 0 m h z4 0 m b s lu i t r a 2w i d es c s i ( l v d )1 6b i t 54 0 m h z8 0 m b 5 i l u l t r a 3w i d es c s il6b “s8 0m h z1 6 0 m b s 一台计算机可以有多个主机适配器，每个适配器连接的s c s i 总线是 一个独立的s c s i 域。s c s i 一2 总线最多可以负载8 个s c s i 设备。每个s c s i 设备都有唯一的一个i d ，i d 越高，优先权越高。总线是独占的，只能支 华中科技大学硕士学位论文 持一对设备进行通信。当设备的连接建立后，优先权就不起作用了。 s c s i 设备或作为启动器或作为目标器。一个目标器本身可有若干个逻 辑单元，逻辑单元可以是物理设备也可以是虚拟设备。目标器的每个逻辑 单元可以同时接受任何一个主设备的多达2 5 6 个i o 进程。目标器将这些 进程按一定的优先级顺序排队管理。每个主设备发给每个逻辑单元的i o 进程与之相关的排队标号。排队标号既可以看作是与i o 进程相联系的标 志，也可以是与物理设备相联系的子单元。排队标号在s c s i 传输信号中 指定。不同的排队标号表示i o 操作对象为不同的逻辑子单元，如把硬盘 当作逻辑单元，则硬盘的分区是子单元。 2 2 2s c s i 事务处理 s c s i 事务处理是按照定义好的步骤有序执行的。当s c s i 总线上空闲 时，作为启动器的s c s i 设备可以通过一个仲裁过程要求总线控制权【1 6 】。 优先权高的设备获得总线的控制权，然后选择一个目标器进行事务处理。 当目标器返回确认后，在目标器和启动器之间就建立了一个连接。 消息阶段几乎存在于s c s i 事务处理的任何时候。协议使用消息来报 告错误、命令状态和控制信息等。在消息输出阶段，目标器和启动器之间 传递信息，为接下来的事务处理协商参数和程序规则。协商参数有断开连 接的优先权、数据传输宽度和同步传输时序。 在消息输出阶段结束后，目标器进入命令阶段。启动器发送一个命令 描述块( c d b ) 给目标器。如果命令的执行花费时间较多，在断开连接的 优先权已设定的情况下，目标器断开连接，释放启动器用于其他操作。在 以后的某个时刻，目标器重新选择启动器来恢复连接。如果接收到的命令 有错。目标器将切换到消息阶段来报告错误。如果命令要求数据传输，目 标器就切换到数据输出或数据输入阶段。如果没有数据传输，目标器就切 换到状态阶段。状态码只有一个字节，表示命令执行的成功或失败以及扩 展信息是否可以利用。 一个正常的事务处理的最后阶段是消息输入阶段。目标器发送一条 华中科技大学硕士学位论文 c o m m a n dc o m p l e t e 消息柬表承命令处理已经结束，一个状态字节指示结 栗。曩标器释放数据总线，回捌总线空阑状态。 2 。2 3s c s i 命令耱状泰 2 2 3 1s c s i 命令 s c s i 的命令和参数用c d b 结构说明。不同的命令组育不同的长度。0 号组c d b 是6 字节长；1 号。2 号组c d b 是1 0 字节长：5 号组c d b 是1 2 字节长。表2 2 描述一个6 字节c d b 。 表2 26 聿节奄令搦逑块 765432l0 o 缀哥翕令投褥 1( l u n ) ( m s b ) 2 l o g i c a lb l o c k 3( l s b ) f 一 数据长度 5厂商自窟保留位标志连接 位位 c d b 憨第一个字节接述会令的操作鸦，s c s i 硬盘翕令如表2 。3 所示。 c d b 的第= 个字节的高三位表永逻辑单元号。逻辑块号占2 1 位，可代表 1 g 字节的存储空阀。 1 0 字节c d b 逻辑块号有3 2 位，可以对2 t b 的地址空间寻址。数据长 度字节指示传辕长度。l o 字节c d b 镌数据长疫字段商嚣字节。 最后一个字节是控制字段。造接位指出该c d b 是否是一系列连接的命 令的一部分。标志位决定一个连接的命令被成功执行后哥标器返酗的状态 码。 华中科技大学硕士学位论文 表23s c s l 硬盘的通用命令 类型撰作码皂称描述 强制命0 0 ht e s tu n i tr e a d y反映l u n 是否准备好接受一条命 夸 0 3 h r e q u e s ts e n s e 返回错误信息的细节 1 2 h i n q u e r y 运豳l u n 豹特定信息 1 a hm o d es e n s e ( 6 ) 读设备的特定参数 2 8 h r e a d ( 1 0 、读逻辑块 2 a h w r i t e ( 1 0 1弓逻辑块 可选命0 7 hr e a s s i g nb l o c k s 缺陷块的重新安排 令 l8 hc o p y 自动从设备始拷贝或拷冕到没墨处 3 4 hp r e - f e t c h 把数据读入缓冲区 2 2 3 2s c s i 状恣 s c s i 状态蔼予报告目标设备砉 【l 行命令的结采。一个正常结柬的命令阶 段后面是状态阶段。目标器给启动器回送一个状态字节。袭24 和表2 5 列出状态字节的组戒和状态代码。 表2 4 状态字节 位6 7位1 5位o i保留位状态代码保留位 表2 5 誊耀瓣装态代码 状态代码说明 o o h夷好 o i h 检验状态 0 2 h 满足条件 1 1 h 命令结柬 1 4 华中科技大学硕士学位论文 命令执行成功，目标器返翻响应的良好状态。有一些命令是数据查找 或预取。响应的状态是满足条件状态。检验状态和命令结束状态嗣时出现， 表示目标器执行的过程出现错谈，启动器可以读取目标器给池的检测数据， 了鳃错误状态的详细信患。r e q u e s ts e n s e 命令怒于读出检测数据。它规定 目标器将返回的数据长度。检测数据格式如袭2 6 所示。 表2 6 检瓣数据袭头 字节# 位7 位6位5位4位3位2位1位0 0合法 错误栈冯 t 段号 2 文件标记 e o mi l i 僳留检测键 错误长度指示符( i l i ) 位置“t ”，表示命令请求的数据数量移从星标器 处获得的数据数量不同。检测键指示错误的类型。非法请求键( 0 5 h ) 表 示一个c d b 包含一个非法的字段或参数。 2 3i s c s i 资议瓣缀或 2 。3 1i s c s i 漭议的层次 i s c s i 协议是一种s c s i 远摆过程调用模型到t c p t l p 协议的映射”1 。 s c s i 有两类设备：启动设备( i n i t i a t o r ) 发起i o 请求：目标设备( t a r g e t ) 处理i o 请求，存取数据。i s c s i 以i p 寻址和路由选择为基础，使用t c p 的流量控制、拥塞控制和分帻机制，实现i n i t i a t o r 和t a r g e t 的通倍。其协 议找结掏如下： s c s i 命令集：s c s i 是面向块级数据的标准存储协议，可以被用作光 纾通道、i s c s i 帮p a r a l l e ls c s i 躲s e c o n d a r y 协议。s c s ! 是赢对点的、直 接相连的计算机到存储器的设备接口，不适用于主机到存储器的存储网络 通讯，辑戳在s c s i 瑟之下，增热了i s c s i 层。 华中科技大学硕士学位论文 i s c s i 层：i s c s i 是s c s i 协议的延伸【18 ，”1 ，提供s c s i 命令描述块( c d b ) 和i s c s i 协议数据单元( p d u ) 之间的封装解封，安全登录机制，存储设备 的映射和错误恢复机制。 t c p 层：t c p 提供的服务包括i s c s ip d u 在网络中的有序传输，拥塞 控制和一定程度的数据完整性检查。 i p 层：i p 层分析报头中的地址和决定包跨越各子网的路由。使i s c s i 存储设备扩展到多个网络，甚至是不同类型的网络。 2 3 2i s c s ip d u 的格式 i s c s ip d u 的边界是4 字节的倍数，用”0 ”字节填充。i s c s ip d u 有一 到多个头部，然后有一个可选的数据段。头部后可有一个头部摘要。数据 段后也可有一个数据摘要。基本头部( b h s ) 是i s c s ip d u 的第一个字段。 b h s 长度为4 8 字节。其后可跟附加头部( a h s ) ，头部摘要，数据段，可 选的数据摘要。b h s 的操作码字段指出不同的i s c s ip d u 。i s c s ip d u 分 为两类：由启动器发出的和由目标器发出的。启动器操作码有：0 x 0 0 n o p o u t ，o x 0 1s c s i 命令，0 x 0 2s c s 任务管理请求1 ，0 x 0 3 登录请求， 0 x 0 4 文本请求，0 x 0 5s c s i 数据输出( 写操作) ，0 x 0 6 退出登录，o x l o s n a c k 请求。目标器操作码有：0 x 2 0 n o p i n ，0 x 2 ls c s i 响应，0 x 2 2s c s i 任务管理操作响应，0 x 2 3 登录响应，0 x 2 4 文本响应，0 x 2 5s c s i 数据输 入( 读操作) ，0 x 2 6 登录退出响应，0 x 3 1 人r 2 t ，0 x 3 2 异步消息，0 x 3 f 拒 绝。可选的摘要保证头部和数据的完整性。表2 7 显示s c s ic o m m a n dp d u 的结构。 字节l 的第0 位设为l ，表示当前p d u 后面没有s c s i 数据输出p d u 。 如果e x p e c t e dd a t at r a n s f e rl e n g t h 比d a t a s e g m e n t l e n g t h 长，目标器会响应一个 r 2 t 。第l 位是读数据位。第2 位是写数据位。启动器给它启动的每个i s c s i 任务分配一个t a s kt a g ，s c s i 也可使用i n i t i a t o rt a s kt a g 标记s c s i 任务。 c m d s n 给每个连接中的命令排序。连接中的e x p s t a t s n 以前的命令已被确 认。有些s c s i 命令要领外带一些参数数据，在p d u 的尾部数据段存放。 用户数据也可放在数据段。这两种数据都称为即时数据。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 s c s ir e s p o n s ep d u 对s c s ic o m m a n dp d u 作出响应。s t a t u s 域表示 s c s i 命令的完成状态。s n a c k 标志是对引发本次响应的命令，目标器在 本连接上收到的上一个s n a c k 标志的副本。e x p d a t a s n 是目标器已发送 的d a t a i np d u 的数量。目标器每生成一个成功的响应状态，s t a t s n 增1 。 e x p c m d s n 是目标器期待启动器传来的下一个命令