iSCSI技术白皮书

一、前言

ISCSI（INTERNET SCSI）是由Internet Engineering Task Force（IETF）开发的网络存储标准，目的是为了用IP协议将存储设备连接在一起。通过在IP网上传送SCSI命令和数据，ISCSI推动了数据在网际之间的传递，同时也促进了数据的远距离管理。由于其出色的数据传输能力，ISCSI协议被认为是促进存储区域网（SAN）市场快速发展的关键因素之一。因为IP网络的广泛应用， ISCSI能够在LAN,WAN甚至INTERNET上进行数据传送，使得数据的存储不再受地域的现在。

计算机行业面临严峻的考验，信息数据呈几何级别地增长，迅速地填满了系统内一切可用的存储空间。传统的解决办法就是安装一套光纤存储区域网络（FCSAN）。在SAN环境下，所有的服务器将被整合到一个存储池内，共享所有的资源，用户可根据服务器的实际需求来分配资源。而且，用户还可以扩大逻辑分区的容量大小，为应用程序分配一个临时的磁盘分区，等任务结果之后，再将这部分资源重新收回来，归还存储池。然而成本昂贵，是部署光纤存储区域网络的最大缺点。如果用户想将一台服务器接入到FCSAN当中，需要购买一个主机总线适配器（售价约在1,000美元左右），而且，光纤交换机每增加一个端口，需要花费800~4,000美元不等，具体数目视情况而定。这还不算什么，最糟糕的情况就是，当你花了一大笔钱之后，才发现你从A供应商那儿购买的主机总线适配器、B供应商那儿购买的磁盘阵列、C供应商那儿购买的交换机竟然是不兼容的，无法构筑一套光纤网络。众所周知，光纤设备的互操作性一向是不太稳定的。除非你按照厂商提供的SAN硬件兼容器件单去采购，否则，网络即使部署起来了，可能也无法正常运作。

ISCSI技术横空出世，使情况大为改观，它的价格不仅较光纤系统便宜许多，而且管理起来更加方便。ISCSI依然支持标准的TCP/IP协议，也就是说，用户可使用标准的千兆级以太网传输协议，通过Cat5线缆和任意的交换机产品，将服务器与磁盘阵列连接在一起，并且能够提供接近FC SAN的性。

二、iSCSI技术

1、ISCSI的发展史

2、ISCSI的技术细节

首先介绍一下SCSI的体系结构

SCSI-3标准的SCSI模型

该模型定义了各层的概念，实体和他们之间的相互作用，他规定了服务/客户机模型中initiator和target。

SCSI Initiatorand Target Interaction

SCSI Command Descriptor Block(CDB)

ISCSI术语

在ISCSI中使用网络实体这个概念，网络实体指的是连接IP网络的设备或网关。网络实体必须包含一个或多个网络入口，在一个网络实体中的ISCSI节点能够用其中的任意一个网络入口访问IP网络。ISCSI节点实在网络实体中用名称标识的initiator或target。一个SCSI设备就是该节点的ISCSI名称。

网络入口也是网络实体的重要组成部分。对initiator来说网络入口就是他的IP地址。对target来说，其IP地址和TCP端口就是他的网络入口

下图是ISCSI服务器和客户端的组成部分

当initiator和target通信时，他们之间通过网络端口建立连接，initiator和target之间的多个连接建立一个会话。

命名和寻址

ISCSI协议为initiator和target定义了一套命名和寻址方法。所有的ISCSI节点都是通过他的ISCSI名称被标识的。这种命名方式使得ISCSI名称不会与主机名混淆。共有两种ISCSI命名格式：iqn (iSCSIqualifier name) 和 IEEE EUI。Iqn的格式如下：iqn.1987-05.com.Cisco.00.9f9ccf185aa2508c7a168967ccf96e0c.target1.

通过ISCSI名称，可以做到：

1、 多个initiator和target共享一个IP地址。

2、多个initiator和target可以通过多个IP地址被访问。

3、 为节点通过防火墙进行访问提供了一种方式。

ISCSI协议除了对ISCSI名称进行区分大小写的比较外，对ISCSI名称不做任何处理。

ISCSI协议遵循标准的IP寻址规范 域名：端口号。域名可以使IPV4和IPV6地址，也可以是域名。对ISCSItarget，端口号可以随地址指定，如果不指定，默认为3260

ISCSI协议

ISCSI协议是将SCSI的远程过程调用（rpc）映射到IP协议的过程。ISCSI协议提供了独立于他所携带的SCSI CDB的层的概念。ISCSI请求传递SCSI命令，ISCSI响应处理SCSI响应和状态。

与SCSI协议一样，ISCSI也使用initiator和target的概念。传送的信息被称为协议数据单元（PDUs）。同样的，对initiator来说，传输方向是分别定义的。为了提高性能，ISCSI允许命令或响应及其相关数据在单独的iSCSIPDU中传输。

ISCSI会话

ISCSI initiator和target之间最高级别的通讯路径就是他们之间的会话。ISCSI定义了两种方式的会话：正常的操作会话和initiator发现target的发现会话。

会话是通过会话ID进行标识，他由initiator和target组成。在一个会话中，TCP连接可以加入，也可以移出，所有的连接都是在同一个initiator和target中。所有在一个会话中的连接都共享一个连接ID。

ISCSI会话是通过ISCSI登录建立的，该会话被用来标识到某个具体SCSI I_T连接的所有TCP连接。同一个会话里可能有一个或多个连接。当initiator通过默认端口或指定端口与target建立连接时，登录过程就开始了，initiator和target互相认证并建立安全协议。在登录阶段，ISCS Iinitiator和target会协商建立多种连接属性。

ISCSI序列

ISCSI协议使用多个寄存器来维护命令，状态和数据的顺序。每个寄存器是一个32位的无符号的整数计数器。寄存器的数量是由initiator和target在iSCSI PDU中进行交流，initiator和target还会用NOP-OUT/IN PDU去同步顺序和寄存器数量。

  

命令编号

在ISCSI会话中，所有的命令都用命令序列号进行编号，命令序列号用来保证命令按顺序传送，而不管它是通过那个TCP连接传送的。命令序列开始于第一个登录命令，并随后续的命令而增加。ISCSI目标层负责将命令按命令序列号的顺序送到ISCSI层。除了需要立即传送的命令除外，在这种情况下，命令序列号不会增加，ISCSI目标层会立即将他传送到ISCSI层。

状态标号

与命令序列号一样，状态响应也用状态序列号进行编号。

数据顺序

数据和传输请求PDUs通过数据序列号寄存器和传输请求寄存器进行排序，以此来保证数据的顺序传送。对于读操作，数据序列号从0开始，以后每次增加1。对于写操作，数据序列号从0开始，以后每次增加1。

iSCSI PDUs

TCP对于ISCSI包的有效载荷是PDUs。所有的iSCSI PDUs都以一个或多个报头开始，其后跟着0或数据段。

第一个段为基本报头段，48字节，其他段跟在其后，基本报头段是必须的，其他是可选的

iSCSI PDUs的类型包括ISCSI的请求和响应，文本的请求和响应，登录的请求和响应等，以下是一个ISCSI请求命令的头格式。

ISCSI的错误处理

错误恢复的重要部分时保留足够的状态信心以此来恢复数据。ISCSI用两种方式来处理错误：重做和再分派。Initiator会重复传送丢失的数据PDU。再分派指initiator和targe之间的TCP连接中断的情况下的，initiator通过一个新的连接发送再分配连接任务，使得targe能够在一个新的连接ID继续命令的传送。

ISCSI过程

登录初始化

登录是在initiator和targe之间建立会话，互相交换同意操作参数。

认证和参数协商

如果需要认证，协商将在交换操作参数前进行，当认证成功完成后，initiator就能够进行参数协商，

连接

当targe接受initiator的连接时，连接建立。

注销和关闭

注销是为了断开连接，由initiator发起，targe也可因为内部错误而产生断开信息。注销后，将不再有请求和响应产生，

安全考虑

在ISCSI中，存储信息是通过开放的IP网络进行传输，所以必须考虑安全问题，

 认证

在ISCSI中，target可能需要认证initiator，而initiator也可能需要认证target，共有以下几种认证方式：

• KRB5 Kerberos V5

• SPKM1 Simple public-key genericsecurity service (GSS) application programming interface(API) mechanism

• SPKM2 Simple public-key GSS APImechanism

• SRP Secure Remote Password

• CHAP Challenge HandshakeAuthentication Protocol

• None 无认证

包保护

包保护是为了保证ISCSI节点之间通信的完整，经过认证，保密。在IP层，通过IPSec提供交换的私密性。通过用3DES对IPSec 隧道进行加密，来提供通信的机密性。