（计算机系统结构专业论文）iscsi存储系统关键技术的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学饽论文 摘要 存储和网络结合起来，是当前正在迅速发展的存储技术。它是通过i p 块级的数据。i s c s i 技术是i p 存储的底层存储协议之一，是s c s i 协 议的远程唤醒模型在t c p 协议上的映射。i s c s i 协议把s c s i 命令封装在i p 包内， 通过t c p i p 网络传输到存储设备，再通过网络接收命令处理的结果。如果需要， 还可以对封装的数据进行加密。整个过程对甩户透明，用户像访问本地s c s i 硬盘 一样通过因特网访问任何位置的存储设备。矿 i s c s i 可以用硬件和软件实现。l i n u x 下实现i s c s i 的源代码是公开的。因为 s c s i 设备具有平台独立性，这使得s c 5 1 设备可以在不同的操作系统平台之间用 i s c s i 协议通讯。通过对比l i n u x 和w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的s c s i 设备驱动程序的不 同采用s c s i 微端口驱动程序加过滤驱动程序的方法将i s c s i 客户端移植到 w i n d o w s 2 0 0 0 下，使之更加方便用户使用。通过使用传输驱动接口( t d i ) 实现了核 心态的网络传输。而服务器端仍然使用l i n u x ，性能稳定而且成本低廉。 通过对i s c s i 系统和本地磁盘迸行基于实验的性能分析和比较，得出的结论是： 在i o m 以太网环境下，i s c s i 的数传率接近使用f t p 协议传输的数传率，网络是系 统性能的瓶颈。在i o o m 以太网环境下测试得到的最大数传率为每秒2 7 兆字节， 可以满足一般存储系统的需要。如果采用更快的网络如千兆以太网c p u 将成为整个 i s c s i 系统的瓶颈。 最后提出了一种利用磁盘缓存( d c o ) 技术提高i s c s i 的性能的模型。 关键词： i s c s l ；s c s i ji p 存储；设备驱动程序 。 将据储数存输 、 p 传厂菇 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i p s t o r a g et h a tb a n dt o g e t h e rs t o r a g ea n d n e t w o r ki sb e i n gd e v e l o p e dr a p i d l y i ts e n d b l o c k l e v e ld a t ao v e ra ni pn e t w o r k a so n eo f t h eb a s i cs t o r a g ep r o t o c o l so fi p - s t o r a g e ， i s c s ii sam a p p i n go ft h es c s ir e m o t ep r o c e d u r ei n v o c a t i o nm o d e lo v e rt h e t c p p r o t o c 0 1 i s c s ie n c a p s u l a t es c s i c o m m a n di n t oi pp a c k e t ，t r a n s l a t ei tt os t o r a g ed e v i c e s ， a n dr e c e i v er e s u l tv i at c p 1 pn e t w o r k t h ee n c a p s u l a t e dd a t ac a nb ee n c r y p t e di f n e c e s s a r y t h eu s e rc a l la c c e s st h es t o r a g ed e v i c ei na n yp o s i t i o nt h r o u g hi n t e m e tj u s t l i k ea c c e s sl o c a ls c s id i s k a n dt h et o t a lp r o c e d u r ei st r a n s p a r e n tt ot h eu s e e i s c s ic a nb ei m p l e m e n t e db yh a r d w a r eo rs o f t w a r e t h ec o d et h a ti m p l e m e n t si s c s i u n d e rl i n u xi s o p e n e d + i ti sp o s s i b l e f o rs c s id e v i c e st oc o m m u n i c a t ew i t hi s c s i b e t w e e nd i f f e r e n to p e r a t i n gs y s t e mf o rt h e i rp l a t f o r mi n d e p e n d e n c y b yc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n c eo fs c s id e v i c ed r i v e rb e t w e e nl i n u xa n dw i n d o w s 2 0 0 0 ，t h ec l i e n ti sm i g r a t e t ow i n d o w s 2 0 0 0t om a k ei tc o n v e n i e n tt ou s e rb yt h eu s eo fac o m b i n a t i o no fs c s i m i n i p o r td r i v e ra n dc l a s sf i l t e rd r i v e r k e m e ln e t w o r kt r a n s p o r ti si m p l e m e n t e db yt d i h o w e v e rt h es e r v e ri ss t i l lu n d e rl i n u xf o ri t ss t a b i l i z a t i o na n d1 0 wc o s t a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fi s c s is y s t e ma n dl o c a l d i s kb a s e d0 ne x p e r i m e n t s ，w ec o n c l u d et h a ti n10 m b i te t h e m e t ，i s c s i s s p e e di s s i m i l a rt ot l a to f 如i no u rt e s te n v i r o n m e n t ，a n dt h en e t w o r ki st h eb o t t l e n e c ko ft h e s y s t e m i n1 0 0 m b i te t h e m e t ，i t se n o u g hf o ri s c s it of i ta n yl o w - e n ds t o r a g es y s t e mf o r i t sm a x s p e e do f2 7 m b y t e sp e rs e c o n d t h ec p uw i l lb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h e w h o l ei s c s i s y s t e mi f f a s t e rn e t w o r ks u c ha sg b e i su s e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , am o d e lt h a tu s i n gd c d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f i s c s ii sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：i s c s i ；s c s i ；i p s t o r a g e ；d e v i c e d r i v e r i l 华申科技大学硕士学位论文 1 1 网络存储简介 1 1 1i t 时代的存储要求 1 绪论 二十世纪网络化革命给世界经济注入新的生机与活力的同时，也带来了网络存 储的日薪月异。各公司显然面l 临如何部署存储应用的抉择。据估计，对i n t e r n e t 存储容量的需求每三个月就要翻一番。数据量呈爆炸性增长，不同类型的计算机、 操作系统、数据库以及应用程序的数据分布在整个局域网广域网上，需要高性价 比的、高可管理性的、高可用性的系统来管理。这种管理必须是跨平台的，分布式 的，系统能随时随地的存取任何地方的数据。网络技术与存储技术的交互发展无疑 是信息社会中信息传播与信息贮存的最佳组合。于是，这样一些适合于信息时代需 要的网络存储技术应运而生，下面将介绍其中的技术主流。 1 1 2 现有的网络存储系统结构分析 面对不断膨胀的商业需求，现在主要有以下三种存储解决方案“1 ：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 ds 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 ) 。d a s 和s a n 都是数据块级的存储系统，不过d a s 与 存储设备是通过计算机总线连接，而s a n 是通过存储网络连接存储设备。n a s 提供 给用户的是文件级的数据传输。 1 d a s ( 直接附加储存) 直接附加存储是以服务器为中心，因此也被称为附子服务器的存储方案 ( s e r v e ra t t a c h e ds t o r a g e ，s a s ) ，它也是一种使用多年的传统方案。它通过专 用的s c s i 总线或光纤通道在服务器和存储资源( 包括磁盘驱动器，磁盘阵列，以 及磁带库) 之间传输数据。 华中科技大学硕士学位论文 2 n a s ( 附网储存) 附网存储是存储设备直接与网络相连，可以建立客户到存储设备的直接数据连 接。这种访问是通过瘦服务器，一种新型的和存储设备集成的专用服务器来完成的 在这种新的存储结构中，存储系统不再通过i o 总线附属于某个特定的服务器 或客户机，而是直接通过网络接口与网络直接相连，由客户通过网络访问。与附属 的服务器的存储系统相比，附网存储系统具有非常好的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ， 并且由于数据不再通过服务器内存转发( 这会引起额外延迟和阻塞) ，数据直接在 客户机和存储设备件传送( 即所谓的第三方传送) ，服务器仅起控制管理的作用， 因而具有更快的响应速度和更高的数据带宽。另外，对服务器的要求降低，可大大 降低服务器的成本，这样就有利于高性能存储系统在更广的范围内普及应用。 3 s a n ( 存储区域网) s a n 是一种利用光纤通道、i s c s i 等存储协议连接起来的可以在存储资源和服 务器之间建立直接的数据连接的高速计算机网络。“。 特别要指出的是，存储区域网与附网存储不同的是，它是一个网络，是从体系 结构方面去看得，而附网存储实际上是挂接在网络上的存储设备。与l a n 不同的是 s a n 针对存储进行了优化，通常使用专用的存储协议，比如光纤通道或i s c s i ，而 不是l a n 使用的诸如t c p i p 之类的通信协议。存储协议把多个存储设备和服务器 连接在一起形成一个存储区域网，存储设备可以共同构成一个存储池，存储设备和 服务器都可以很方便的添加到网络中去，具有较好的可扩展性。存储设备从服务器 分离出来，与服务器形成一个多对多的关系，存储设备上的数据容易被其它服务器 共享，存储设备之间的数据迁移也变得很容易。采用存储区域网，数据的备份、恢 复、迁移都是通过存储区域网本身来完成，而不需要借助于服务器和现有的 l a n w a n ，大大减少了现有服务器和网络的工作负载。现在一般采用的是具有高带 宽的光纤通道，所以整个存储网络具有较高的数传率，数据访问性能较好，另外存 储设备都集中在一个网络上，便于管理，节省了管理开销。 存储区域网由于其较高的数传率，特别适合于音频、视频这一类大容量数据的 存储。另外由于它较好的数据可用性，数据易于备份、恢复、迁移等特点，使得它 在众多企业网的构建中发挥了较大的作用。 华中科技大学硕士学位论文 12 构建存储区域网s a n 的存储协议 目前构建s a n 的解决方案中，主要有两种存储协议在竞争：光纤通道和i s c s 。 下面对这两种协议进行比较。 1 2 i 光纤通道 光纤通道是种高性能的串行通信协议。光纤通道在逻辑上是一种点对点的串 行数据通道，在物理连接上是一个或多个点到点的连接，连接的终点就是端口。光 纤通道协议分为5 层，分别定义物理介质、传输速率、编码方式、帧协议、流量控 制、通用服务和上层协议接口。1 。 图1 1 光纤通道系统 f i b r ec h a n n e l 将高速可靠的通道技术和灵活可扩展的网络技术有机的结合在 一起，成为能高速传输数据、音频和视频的a n s i 标准。f i b e rc h a n n e l 的通信介质 不仅可以是光纤也可以是同轴电缆和双绞线。虽称作通道，却可以同时支持现有的 通道协议和网络协议如i p i 、s c s i 、s b c c s 、h i p p i 、i e e e 8 0 2 2 、i p 和a t m 。处理 器之间和处理器与外设之间的数据通信有两种基本类型：通道( c h a n n e l ) 和网络 ( n e t w o r k ) 。f i b r ec h a n n e l 试图成为将这两种通信方法的优点集中起来的一种新 华中科技大学硕士学位论文 型i o 接口，以同时满足通道用户和网络用户的需求。f i b r ec h a n n e l 的以下特点 使之非常适合于s a n ：在系统中共享存储器；网络的可扩展性，最多有1 2 7 个设备， 使用光纤通道交换机可连接数百万设备；快速的数据存取和备份，f c 有l g 的传输 速率，允许每秒2 0 0 兆的峰值带宽，允许使用光纤通道交换机增加带宽；远距离传 输，使用多模光纤可达5 0 0 米，单模光纤可达1 0 公里：数据的健壮性和可靠性； s c s i 封装特性，可以保护s c s i 应用或设备方面的投资。图1 1 是典型的光纤通道 s a n 。 光纤通道s a n 具有很多优点，但是也有其自身的一些缺陷：1 设备的互操作方 面：对于不同的制造商，光纤通道协议的具体实现是不同的，这在客观上造成不同 厂商的产品之间难以互相操作，目前虽然有些厂商组成了联盟来保证他们产品的互 操作，但因为具体实现的不同以及联盟范围的有限，这样做的效果也很有限。2 构 建和维护光纤通道s a n 需要有丰富经验的、并接受过专门训练的专业人员，这大大 增加了构建和维护费用。3 异构环境下的文件共享方面，光纤通道s a n 中存储资源 的共享一般指的是不同平台下的存储空间的共享，而非数据文件的共享。连接距离 也限制在l o k m 左右等。更为重要的是，目前的存储区域网采用的光纤通道的网络 互连设备都非常昂贵，这些都阻碍了s a n 技术的应用和推广。所以s a n 技术出现虽 然有好几年，但远远没有普及和推广，广大的中小企业迫切希望s a n 能取得技术的 突破，使其成为一种“大众化”的产品来满足日益增长的存储需求。市场的需求推 动着技术的发展，当前i s c s i 技术最值的关注，为此进行简要分析： 1 兼容性 如果采用光纤通道，需要在计算机、存储系统和互联网络制造上作很大改变， 这包括硬件和软件两方面。而s c s i 设备却是易实现和标准化了的。在操作系统的 设备驱动程序和网络协议栈软件层，i s c s i 就能实现。这就意味着它在现有的计算 机硬件和操作系统中更易实现。 目前困扰s a n 系统已久的操作两个独立的网络和协议的复杂性问题，对i s c s i 来说却是非常简单。一个典型的s a n 是直接连接到主机，并通过s c s i 或f c 与主机 4 华中科技大学硕士学位论文 通信，这个主机再通过t c p i p 消息依次与其它的主机通信。而用i s c s i ，就可以把 两者统一起来，使远程主机可与挂靠在本地主机的设备直接通信( 图i 2 ) 。对于共 享数据，这也许会引起冲突，但对与只读或只写设备( 如光驱和打印机等) ，这将 是轻而易举的工作“1 。 图1 2i s c s i 的应用 s c s i 长久以来就是不依赖于操作系统平台的。这就是说如果一个操作系统是直 接用s c s i 命令操作个设备的话，它就可以随心所欲的使用这个设备，而不管这 个设备挂接的操作平台。当然不是在任何情形都会如此，特别是想把文件存储在设 备上时，但只是使用简单的只读和只写设备时就会正常工作。也就是说，一台l i n u x 服务器可以和一台连接在n t 平台上的s c s i 扫描仪直接在l i n u x 设备驱动层通信， 而不需要在中间软件层进行数据转换，这就保证了两个操作系统都能用t s c s i 通信 并且安全的共享扫描仪。 2 性价比 文献【7 】对一个需要1 2 台服务器并需要1 3 t b 的存储空问的公司分别采用这 两种协议构建s 州的成本作一个比较。全部的技术成本包括硬件、软件和维护成本。 两种方案的存储设备都要有r a i d 的能力并能支持磁带存储。另外，都需要每个服 务器有两个硬盘为操作系统所用，这两个硬盘互为镜像，以便如果在主操作系统的 硬盘发生错误时，另一个镜像硬盘可以接管。由表1 1 可见，i s c s i 较之于f c 还是 有很大价格优势。 华中科技大学硕士学位论文 表i i 总成本比较( 1 2 台服务器，1 3 t b 存储数据) 1 3 课题的目的和意义 本论文是基于国家重大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 ) 和国家自然科学基金项目“统一存储网( u s n ) 理论、结构 与实验研究”( 6 0 1 7 3 0 4 3 ) 的研究。 i s c s i 协议是构建存储区域网s a n 的底层存储协议，也可以作为存储设备的通 用接口。目前各大计算机公司如h p 、i n t e l 、c i s c o 、a d a p t e c 、i b m 等都在大力发 展i s c s i 技术。了解和掌握i s c s i 技术对发展存储技术至关重要。我们的目的就是 开发自己的i s c s i 产品，包括协议实现软件和协议接口卡。协议实现软件是第一步， 主要内容是在l i n u x 和w i n d o w s 2 0 0 0 下实现i s c s i 。服务器端使用l i n u x 操作系统， 价格低廉而且易于开发：客户端工作在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下，便于用户操作。 第二步我们希望用硬件实现i s c s l 主机适配卡，进步提高i s c s i 的性能。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 s c s i 协议简介 2 1 1s c s i 协议的历史 2is c s i 协议分析 s c s i 的起源可以追溯到1 9 7 9 年，s h u g a r t 公司研制的s a s i ( s h u g a ta s s o c i a t e s s y s t e mi n t e r f a c e ) ”1 。研制这种新型接口的目的是为了开发一种使用逻辑地址而 不是物理地址寻址的接口。1 9 8 2 年2 月，s h u g a t 和n c r 向a n s i 提交s a s i 作为工 作文件。a n s i 采纳了这个建议，并成立了a n s ix 3 t 9 2 分委会研究这个标准，并在 1 9 8 2 年4 月正式命名为s c s i 。s c s i 发展过程中发布的协议包括s a s i 、s c s i l 、c c s 、 s c s i 一2 、s c s i 一3 、u 1 t r a1 6 0 4 1 。s c s i 的最新发展就是u 1 t r a 3s c s i ，它是标准u l t r a 2 的两倍，但价格与u l t r a 2 相当。而u l t r a 3s c s i 空有一个标准，没有现成的产品， u l t r a1 6 0s c s i 则补充了这一产品空白，它的性能与u l t r a 3s c s i 相当。u l t r a1 6 0 s c s i 是u 1 t r a3s c s i 的最好实现，是u l t r a 3s c s i 的子集。u l t r a l 6 0 采用低压差 分信号，可提供最高1 6 0 m b s 的传输速度。提供了双时钟沿传输、域确认、c r c 等 新功能。 2 i 2s c s i 的结构 1 s c s i 结构模型 s c s i 一3 对s c s i 的结构有详细的描述“( 图2 1 ) 。结构模型是s c s i 一3 引入的概 念。s c s i 一3 有专门的文档s a mx 3 t 9 2 9 9 4 d 来说明s c s i 的结构。s a m 定义了功能 群和适用于所有s c s i 接口的s c s ii 0 系统和s c s i 设备的土作模型。 华中科技大学硕士学位论文 一 i 赢玉三巫巫丑一 l _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。一 b 1 0 c k c o m m d i l d s f s b 口 r e d u c e d b i o c k c o m m a n d s r b q s f l e a m c o m m a n d l i s s c m u h i m “i d c o m m a n d s i m m c c 2 洲瞳c 3 r a c o n l r o u e r c o m m a n d s 【s c c s c c ；- 2 e n d o s u l s 刳i c q s l s e s l p d m a l yc o m m a n d sf s p c s p c 一2 i 匝巫三亘亟圃 i n t e r l o c k e d p r o t o c o i f s i p s c s li - n t p a 。e 哟a | e 。l 。 f 百丽 s p i ) f l ( u l i r a l a 虹u | i i a 2 ， u l t r a 3 u l t r a 4 i s 甜i b u p r o t o c 0 1 2 s b p - 2 f i b r e c h a n n e l p t o t o c o i l f c p f c p - 2 晶p f i b r e l 藤 图2 1s c s i 一3 结构图 客户一服务器模型 客户发出请求，服务器响应，这种客户一服务器模型很好的描述了s c s i 是设备 独立的t o 系统。客户不需要知道服务器是如何完成任务的。s c s i 允许通过一条总 线将各种设备连接到计算机系统系统。s c s i 使用规定的命令集查询设备，这样，在 写设备驱动程序时不需要详细的了解设备的特性。s c s i 提供了更基本的设备接口， 特别是磁盘设备，寻址数据时采用的是逻辑地址方式，而不是物理地址方式，主机 本身不需要关心数据在目标设备上是如何组织的。 结构模型 s c s i 一3 的结构模型由对象的层次结构组成，如图2 2 。最顶端是表示i o 系统 的域。域是由s c s i 设备和连接这些设备的抽象的服务传输系统( s d s ) 组成。在为 s c s i 设计程序时，只需要在程序中实现各个模型就可以了。任务和任务集就是数据 结构；任务管理器管理这些数据结构；设备服务器执行s c s i 命令。 s c s i 域 s c s i 域是一个自包含的i o 系统，是由s c s i 设备组成，这些s c s i 设备通过服 务传递系统通讯。 服务传递系统 。如 黼 翕一 热w s 华中科技大学硕士学位论文 在s c s i 一2 中，s d s 就是s c s i 总线。现在s a m 把这个概念扩充为至少包含两个 服务传输接口的连接系统。其任务就是在客户和服务器之间提供无错的连接。 t a s k m a n a g e r o l u n a p p l i c a t i o h c l i e n t 二= 二 d e v i c e l t ，a s ks e 、t s e r v e r t q u e u e ) s e r v i c e d e li v e r y i n t e r f a c e c o n n e c t i o r s u b s y s t e m 图2 2s c s i 一3 的结构模型 启动设备和丑标设备 启动设备提出任务请求，目标设备完成启动设备发出的请求。计算机的s c s i 主 适配器是一种典型的启动设备，磁盘驱动器是典型的目标设备。标准没有规定在一 个系统里可以有几个启动设备和几个目标设备，但至少有一个启动设备和一个目标 设备。它们的组合构成s c s i 系统的三种系统构成：单启动设备单目标设备、单启 动设备多目标设备、多启动设备多目标设备。 任务 任务管理控制一个或多个任务的执行，任务是运行一个s c s i 命令或连接起来的 命令所需的操作的集合。 逻辑单元l u n 逻辑单元包括逻辑单元号、设备服务器、任务队列和任务集。逻辑单元号有6 4 位长，但它的值的范围由s d s 确定。设备服务器是物理设备和逻辑电路的集合。任 9 墓一 华中科技大学硕士学位论文 务集为这个逻辑单元维持任务队列。设备服务器逐个处理队列中的任务a 任务集可 以被重新排序。一个控制器可以控制多个外设，作为一个t a r g e t 本身可能有至多8 个逻辑单元，一个逻辑单元可以是物理设备也可以是虚拟设备。可以是一个外设也 可以是一个外设的一个部分或几个外设的整体。每个逻辑单元有一个逻辑单元号， 从0 到7 ( 图2 3 ) 。 i d 7i d o 图2 3 典型的s c s i 系统构成 设备类型和命令 一个完善的指令集对设备独立的i o 子系统来说是非常重要的。s c s i 的设备独 立性来自两个方面。一方面s c s i 定义了l o 种设备类型，每种设备类型都定义了模 型和指令集。另一方面一种设备类型可以支持多种不同的物理设备。设备模型的一 个组成部分就是一个参数集，允许用户定义特定的设备的属性。s c s i 设备在执行命 令时有很大的自主权，启动设备不用管命令的具体的执行的过程。s c s i 的一个很重 要的特点就是数据是完全可直接使用的，没有头、e c c 或者间隔，这些都由目标设 备管理。 2 s c s i 的命令模型 启动设备发送命令给目标设备，更精确的讲是按地址发送到目标设备的逻辑单 元，逻辑单元设备之行命令并返回状态值，这种s c s i 一2 的方法同样适用于s c s i 一3 。 但s c s i 一3 更进一步把s c s i 命令看成是远程过程调用，这个过程有任务号、命令块 以及作为命令参数的状态字节。可选的参数有输入输出数据缓冲、命令长度、自动 检测请求和数据，这种过程最终是为了完成服务响应，服务响应相当于s c s i 一2 中 的命令结束时的消息阶段。 s e r v i c er e s p o n s e = e x e c u t ec o m m a n d ( t a s k i d e n t i f i e r c o m m a n dd e s c r i p t o r b l o c k ， t a s ka t t r i b u t e ， d a t ao u t p u tb u f f e r ， d a t ai n p u tb u f f e r ， c o m m a n d 1 0 溢一 华中科技大学硕士学位论文 l e n g t h ：，! a u t o s e n s er e q u e s t 3 任务管理 在s c s i 模型中，任务管理是对退出任务集和独立任务的正式描述。在s c s 一2 和s c s i - 3 中是通过消息体制来实现的。在客户机一服务器模式下，任务管理表现 为下面的函数调用： s e r v i c er e s p o n s e = f u n c t i o n ( o b j e c ti d e n t i f i e r ) 任务管理函数有：a b o r tt a s ks e t ，a b o r tt a s k ，c l e a ra c a ，t a r g e tr e s e t ， t e r m i n a t et a s k ，t e p w i n a t et a s k 。作为任务管理的结果，服务响应返回f u n c t i o n c o m p l e t e ，f u n c t i o nr e t e c t e d 和s e r v i c ed e l i v e r yo rt a r g e tf a i l u r e 。 5 任务集管理 任务集管理相当于s c s i 一2 中的标志队列。任务集的管理以上面的任务管理的方 式来实现。任务集管理任务状态、任务属性以及引起任务状态变化的事件。任务只 有在因为b u s y ，r e s e r v a t i o nc o n f l i c t ，t a s ks tf u l l ，a c aa c t i v e 或者c h e c k c o n d i t i o n 状态而立即退出时才被插入任务集，任务集管理只管理任务集里的任务。 任务的状态如图2 4 所示： 图2 4 任务的状态 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3s c s i 的主要命令 1 s c s 【目标设备模型 s c s i 目标设备使用设备号寻址。s c s i 一2 允许一个目标设备里有7 个逻辑单元和 7 个目标设备路由。一个目标设备至少有一个逻辑单元，目标路由是可选的。s c s i 命令由命令里指定的逻辑单元或目标设备路由执行。 s c s l 支持的设备分为多种设备类型，比如磁盘类、磁带类、c d r o m 类等。s c s i 为每种设备类型定义了一个模型、一个命令集和规定了参数页。 每个逻辑单元都维护着一张参数表，可以通过m o d es e l e c t 或m o d es e n s e 来 写参数。参数是以参数页的形式在总线上传送的。有的页适用于所有的设备，有的 只针对特定的设备。逻辑单元一般有参数页的三个拷贝：当前值、默认值和保存值。 实际上还有第四种参数集，是固化在固件中的，以便于诊断程序和设备驱动程序作 出判断。s c s i 可以把不支持的参数值转化为支持的参数值，然后返回c h e c k c o n d i t i o n 状态，使读出键置为r e c o v e r e de r r o r ，另外的读出码置为r o u n d e d p a r a m e t e r 。表2 1 的参数页适用于所有的设备类型。 表2 1 通用设备类型参数页 页代码名称 0 2 h断连重连页 0 9 h外设页 o a h控制模式页 i c h 异常页 2 命令结构 所有的s c s i 命令至少包含一个命令描述块和一个状态字节，许多命令还有附加 的参数列表“。s c s i - 2 命令有6 ，l o 和1 2 字节的命令描述块，s c s i 一3 定义了1 6 字节的命令。6 字节命令描述块如表2 2 。1 0 和1 2 字节命令描述块与6 字节命令描 述块结构相似，只是增加了逻辑块地址字段和传送数据长度字段的字节数。1 6 字节 命令描述块的6 9 字节为附加数据。命令描述块包括命令码、命令参数和控制字 节。第一个字节是命令码，高三位是命令组号，低五位是命令码。命令参数包括逻 辑单元，逻辑块地址，数据传输长度。控制位只有两位：链接位和标志位。链接位 华中科技大学硕士学位论文 表示启动设备想在当前命令结束后自动连接下一条命令。标志位用来在链接命令间 使启动设备产生中断。s c s i 一3 中加了一个a c a 位( a u t oc o n t i n g e n ta l l e g i a n c e ) 。 表2 26 字节命令描述块 765432lo o o p c o d e l( l u n ) ( m s b ) 2 l o g i c a lb l o c k 3( l s b ) 4 数据长度 5控制字节 2 2 i s c s i 协议分析 目前用于i p 存储的协议主要有i s c s i 、s e p ( s c s i 封装协议) 、f c i p ，目前i s c s i 的发展最快。i s c s i 可以看作是s c s i 协议的扩展，它的出现大大拓宽了s c s i 协议 的应用范围。s c s i 协议是一种的广泛应用的工业标准，但是传统的s c s i 协议有以 下缺点使之不适合构建存储网络“： 1 s c s i 是点对点的、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： 2 s c s i 总线的长度被限制在2 5 米以内，对于u l t r as c s i 长度限制为1 2 米，不适于构造各种网络拓扑结构： 3 s c s i 总线上设备数限制为1 5 ，不适用于多服务器对多存储设备的网络结 构。 i s c s i 协议的出现很好的解决了上述问题。i s c s i 协议最先由i b m 、c i s c o 和h p 等公司提出，现在已经被i e t f 采纳并准备将其标准化。i s c s i 协议定义的是s c s i 到t c p i p 的映射，即将主机的s c s i 命令封装成i p 数据包，在i p 网络上传输，到 达目的节点后，再恢复成封装前的s c s i 命令，从而实现s c s i 命令在i p 网络上的 直接、透明传输“。由于t c p i p 网络技术和应用的飞速发展，t c p i p 网络的重要 性越来越突出，有理由相信未来的网络将建立在t c p i p 网络的基础之上，i s c s i 的 华中科技大学硕士学位论文 出现正是应映这一技术趋势。它整合了现有的存储协议s c s i 和主流网络协议t c p i p 等两种主流协议，实现了存储和网络的无缝融合。从应用的角度看，i s c s i 方面 通过s c s 命令的远程传送，实现了和远程存储设备的命令级交互；另一方面也可 用于改造传统的s a n ，通过i p 网络和吉比特以太网把现有的存储设备和服务器连接 起来形成基于i p 而不是f c 的s a n ，下面对i s c s i 协议作一个简要分析： 表2 3p d u 所有内容 s c s i i s c s i 同步和导向层 同 较低功能层 i p 呲 图2 5i s c s i 协议栈 2 2 ii s c s i 协议栈 字o 节 7 6 5 4 3 2 i o 7 6 5 4 3 2 l o 7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 1 0 o基本头部 4 8附加头部( 可选) k头部摘要( 可选) l数据段( 可选) m 数据段摘要( 可选) i s c s i 协议就是让s c s i 协议在t c p 协议之上工作的传输协议“”( 图2 5 ) ，是一 种s c s i 远程过程调用模型到t c p 协议的映射。i p 工作在网络层，即开放系统互连 模型的第三层。i p 层分析报头中的地址和决定包跨越各子网的路由。传输层( 即第 四层) 确保送出的包有可靠的传输。标准的t c p 协议不是为大批量数据传输用的大 字块i o 设计的“”。因此，通常处理大量存储数据的i p 存储，必须用第四层上内 置的传输功能予以加强。为生成适合低延时应用( 如数据镜像) 的重要服务类型， 必须改进第四层的功能。这可以通过生成类似于t c p 的新传输层加以实现，即图 2 5 中的同步和导向层，该层为存储而得到了加强，替代或加强了t c p 层，使得数 1 4 ，。，强、4、溶 华中科技大学硕士学位论文 据的传输更决、更有效。 表2 4p d u 基本头部结构 字节 ol23 7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 l o7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 l o o操作码操作码相关 4附加头部长度数据段相关 i 8逻辑单元或操作码相关 l 1 2 i 1 6 初始设备任务标签或操作码相关 i2 0 4 7 操作码相关 2 2 2 发现机制( d i s c o v e r y ) 在f i b r ec h a n n e l 中，当一个新的设备加入到网络中时，新加入的设备先和网 络的交换机联系( 该交换机此时也可视为网络的管理者) ，该交换机接着通知网络 上的其他向该交换机注册的设备以及其他需要通知的设备。另外，新加入的设备还 必须向属于同一管理区的其他设备注册( 同一管理区仅允许相同区的设备进行通 信，这是一种访问控制机制) 。此外，这些设备所连接的交换机必须通知网络中所 有需要了解这一事件的其他交换机。当整个网络中有大量的交换机和存储设备时， 这种机制将使网络中存在大量的这种额外信息而加重网络负载，造成网络性能的降 低，因而f i b r ec h a n n e l 只适用于规模较小的网络。 而i s c s i 的发现机制是“”：通过对网络地址编码，或者询问名字服务器，或者 发送一个广播消息询问哪一个设备- p a 访问。在一个含有大量设备的存储网络中， 一般采用询问名字服务器而不采用发送广播消息的方式。一旦消息发送节点从名字 服务器中得到消息接受节点的i p 地址和t c p 端口号，在需要通信时就和目的节点 建立联系。因而避免f i b r ec h a n n e l 中大量通知、注册信息在网络中传输而加重网 络负载。从这个角度而言，i s c s i 应该优于f i b r ec h a n n e l ，尤其是在规模较大的 网络中。 i s c s i 协议和s c s i 结构模型一2 s a 卜2 】完全兼容。i s c s i 与s c s i 一样都是面向 华中科技大学硕士学位论文 数据块的，i s c s i 磁盘对网络另一端的主设备来说是可见的。启动设备和目标设备 之间的通讯称为会话( s e s s i o n ) ，一次会话可能包含一个或多个t c p 连接。启动设 备和目标设备之间可能有多个会话。t c p 连接使用i s c s i 协议数据单元( i s c s ip d u ) 传送控制信息、s c s i 命令、参数和数据。i s c s i 协议数据单元见表2 3 ，表2 4 是 基本头部内容。i s c s i 协议通过登录建立t c p 连接，登录的作用是确认和授权。目 标设备在知名端口上监听连接请求。启动设备通过向该端口发送“l o g i n ”信号开 始登录过程。经过认证目标设备向启动设备发送“a c c e p tl o g i n ”信号。通过登录 建立了会话并且赋予其会话号。双方再通过协商确定各种参数后会话进入i s c s i 全 功能相。处于i s c s i 全功能相时，启动设备可以向目标设备内的逻辑设备发送s c s i 命令和数据，这些命令和数据通过i s c s i 消息在己建立的i s c s i 连接上传递。一个 s c s i 命令所需要的参数和数据必须由传递该命令的同一个t c p 连接传递。 每个i s c s i 设备都有一个唯一的i s c s l 名字，一个i s c s l 名字由三部分组成： 类型定义符、名字认证机构、由该认证机构分配的名字。i s c s i 目标设备也可以通 过灵活的路径地址访问，该路径是域名i p 地址、t c p 端口、i s c s l 名字的绑定。一 个i s c s i 地址指定了一条到i s c s i 目标设备的路径。i s c s i 地址格式如下： ： i s c s i 地址主要是在发现( d i s c o v e r y ) 过程中使用。启动设备可以通过下列方 法发现目标设备： 1 在启动设备上设置目标设备的地址。 2 在启动设备上设置默认目标设备地址，启动设备可通过“s e n d t a r g e t s ”命 令从默认目标设备上获取i s c s l 名字列表。 3 发出服务定位协议( s l p ) 广播请求，等待目标设备回应。 4 查询存储设备名字服务器获取可访问的目标设备列表。 从启动设备到目标设备s c s i 层的命令由i s c s i 编号，该号码由i s c s i 协议数据 单元中的命令序列号( c m d s n ) 携带。命令编号是在整个会话范围内进行的，在命 令传递的过程中，分配给它的命令序列号是不变的。目标设备的i s c s i 层必须按命 令序列号的顺序把命令传递给s c s i 层。目标设备的s c s 层接收到命令后该命令序 列号即失效a 命令序列号也能被用来进行命令的流量控制。从目标设备到启动设备