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高性能iSCSI设计分析

引言iSCSI是由Cisco和IBM共同发起的,并于2003年2月11日,被IETF(InternetEngineeringTaskForce,互联网工程任务组)通过的新的网络存储标准[4]。它是一种在Internet协议网络上,特别是在以太网上进行数据块传输的标准。是一个供硬件设备使用的可以在IP协议上层运行的SCSI指令集。简单地说,iSCSI可以实现在IP网络上运行SCSI协议,使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。而整个过程在用户看来,使用远端的存储设备就像访问本地的SCSI设备一样简单。iSCSI协议利用现有的TCP/IP网络传输SCSI协议命令和数据，价格较低，传输距离也不受限制，但协议开销较大。主要是因为CPU在处理TCP/IP这层协议的开销较大，占用了较多的系统资源和CPU时钟。为此许多学者提出了很多改进措施，例如TOE(TCP/IPoffloadengine)技术，它使用硬件来承担TCP/IP等网络协议数据包处理的绝大部分工作，将主机CPU从繁重的网络协议处理工作中解放出来，同时也大大提高了处理的效率。采用具有TOE的网卡实现iSCSl协议，主机CPU和软件部分就只需要完成iSCSl协议数据单元的封装、解封装，下层的处理工作由网卡完成。但是对于处理大量的小数据块来说这种技术又会成为系统瓶颈。因此本文设计一种基于UDP数据传输的高性能iSCSI软件来提高数据的处理和传输率，即采用基于UDP的数据传输，数据的传输与命令、状态的传输分离来提高数据传输率，同时减轻了CUP处理繁琐的TCP数据包的负担。1基于UDP数据传输的iSCSI模型iSCSI协议栈的传输层使用的是TCP，而TCP协议在数据处理方面比较保守，在传输大量的数据时，势必占用过多的CUP时钟。如果完全用UDP代替，又达不到可靠的要求，本文结合TCP与UDP作为iSCSI协议栈的并行传输层。其结构模型。TCP主要是用来建立可靠的连接和传输读写命令及状态，保障命令被执行完，如果出错则要求重传命令。UDP的作用是在iSCSI进入全功能阶段后传输大量数据。并且iSCSI层在数据方面设计了数据序号机制和错误恢复机制来加强数据的可靠传输。1.1iSCSI数据序号机制在iSCSI中一条命令的执行可能涉及到多个PDU，如数据（DATA）PDU和准备传输（R2T）PDU，iSCSI规定用一个DataSN参数来同步这些PDU。这个参数是基于命令范围内的，对于输入命令（iSCSI中方向是以客户端为参照物的），如读命令，目标器将数据分成多个DATA-INPDU，DataSN由0开始，从第一个DATA-INPDU向后依次递增。一旦发现数据序号出错则要求重传所缺序号的数据才能给与确认和续传之后的数据。对于写命令，客户端要将待输出的数据分成多个DATA-OUTPDU传往目标器DataSN也是从每个R2T的第一个DATA-OUTPDU起以0开始，以后每个DATA-OUT递增1，这时的DATAPDU是针对R2T而言。对于双向命令如读－写命令，则是采用上面的两种方向结合方式，这里不再举例。Data和R2TPDU不像命令和状态都有一个明确的确认信息，在iSCSI中DATA-OUT和R2T对端都不会给予任何确认信息，但对DATA-INPDU启动器可以通过一种叫（总是由目标器发出）SNACK命令给予确认。通过DataSN和R2TSN以及SNACK(序列号确认）可以使启动器和目标器很容易的检测出丢失的数据PDU。1.2iSCSI错误恢复机制iSCSI的恢复模型规定了启动器端每个支持错误恢复的connection都必须实现下面的功能：-使用NOP-OUT命令来获取目标器的序列机制息。-能够进行命令重传。-支持R2T的恢复。-能够使用SNACK要求目标器重传状态、Data或R2TPDU。-确认已接收的数据。-重新分配命令忠贞。-在session恢复时必须彻底终结老的session。同样这个恢复模型也为目标器规定了一些必须实现的功能：-使用NOP-IN探测启动器的序列信息。-可以使用R2T要求启动启动器重传数据。-支持SNACK功能。-可以要求启动器对自己发送的Data序列予以确认。-支持命令忠贞的再分配。-终结session。iSCSI错误恢复机制从高到低依次是0级（会话恢复），1级（冗余恢复），2级（连接恢复）三层。一般的实现是1级或2级，本文实验使用的是0级，使得数据可靠性更高。由于iSCSI有以上2种机制，即使采用UDP包进行数据传输也会保证数据正确可靠的传输，再参照可看出，TCP层和iSCSI层在数据可靠性保证方面从语义上来说是重复的，而且TCP能保证命令顺利完成，否则会要求重发命令或重新建立连接，所以本改进协议使用UDP也能保证数据可靠。2高性能iSCSI读