技術前沿：IP存儲網絡及標準化進程

2019-11-04 23:48:26

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　　1、引言
　　
　　存儲區域網絡是當前存儲應用的發展趨勢，而ip存儲區域網絡又是其中的熱點。IP存儲網絡技術是一種封裝串行SCSI(Small Computer System Interface)實現在IP網絡中傳輸的存儲區域網絡技術，利用IP存儲網絡技術，企業能夠構建本地數據中心，能夠實現數據備份和遠程容災。相比于以往的Fibre Channel(FC，光線通道)存儲網絡技術，IP存儲網絡技術具有低成本、被廣泛采用、良好的標準化情況、高擴展性、易治理、良好的廣域網連接以及靈活的安全性和QoS保證等諸多優點，非凡是吉比特以太網技術的使用和萬兆以太網技術的出現也消除了IP存儲網絡技術在性能上的瓶頸，因此IP網絡存儲技術必將成為未來構筑存儲區域網絡的主流技術。
　　
　　2、IP存儲網絡技術介紹
　　
　　IP存儲區域網絡主要包含兩方面的含義，一是對已有的FC存儲區域網絡的擴展和連接，二是構建純粹的IP存儲區域網絡。簡言之，IP存儲區域網絡技術主要包括從FC存儲區域網絡到IP存儲區域網絡的過渡技術，純粹的IP存儲網絡技術兩大類。
　　
　　目前，IP存儲網絡技術主要有三種技術(見圖1)：FCIP(Fibre Channel over IP)技術、iFCP(Internet Fibre Channel PRotocol)技術和iSCSI(Internet SCSI)技術，前兩種技術屬于過渡技術，而后者屬于純粹的IP存儲網絡技術。
　　
　　　技術前沿：IP存儲網絡及標準化進程（圖一）

　　圖1　FCIP技術、iFCP技術和iSCSI技術
　　
　　2.1　FCIP技術
　　
　　FCIP使用TCP/IP封裝FC幀，主要用于連接廣域的FC存儲區域網絡。FCIP協議是一種隧道(Tunnel)協議，IP地址和TCP連接只用在位于IP網絡終點的FCIP隧道設備中。FCIP能夠為兩個FC存儲區域網絡“孤島”之間提供IP連接，而不能為兩個獨立存儲設備之間提供IP連接，也就是不能端到端地利用IP來連接FC設備。
　　
　　如圖2所示，FCIP幀只是簡單的將FC幀封裝到TCP/IP中。FC報頭、SOF、EOF分隔符、FCCRC以及FC數據都不被FCIP修改。FCIP在FC幀和TCP報頭之間加入了FCIP報頭，用來顯示FCIP協議的版本、幀長度等字段。在FCIP接收端設備接收到FCIP幀后，能夠通過EOF，SOF和幀長度來驗證幀的有序發送。
　　
　　　技術前沿：IP存儲網絡及標準化進程（圖二）

　　圖2　FCIP幀格式、iFCP幀格式和iSCSI幀格式
　　
　　發送端FCIP設備將FC幀封裝為FCIP幀，通過IP網絡發送。接收端FCIP設備剝離IP及TCP報頭，解封裝后的FC幀與本地的FC幀一樣，通過一個或者多個FC交換機發送到目的節點。FCIP利用TCP傳輸層的保序、差錯控制及擁塞控制機制實現FC數據在IP網絡上的可靠傳送。由于FC幀在FCIP設備中被原封不動地封裝和轉發，整個過程對于IP網絡完全透明，因此兩個FCIP設備之間的隧道連接建立以后，兩個單獨的存儲區域網絡就可以合并(Merge)組成一個邏輯存儲區域網絡。
　　
　　FCIP協議的一個重要問題是錯誤恢復。對于FCIP協議，FC網絡和IP網絡彼此是透明的，FC幀的內容對IP網絡來說是不可見的。FCIP只負責處理IP網絡產生的錯誤，而對于FC層產生的任何錯誤，包括底層錯誤、CRC錯誤和FC路由層次錯誤等是不感知和不處理的。當一個存儲區域網絡中存在錯誤時，該錯誤會被透明地傳播到另一個存儲區域網絡中。另一方面，兩個FCIP設備之間的TCP連接因各種原因關閉后，原本連接而成的單一的邏輯存儲區域網絡將分割成兩個單獨的存儲區域網絡，各自進行本地數據交換，即使TCP連接恢復后，這種狀況也不會改變，除非人為干預。
　　
　　由于FC幀在不透明的管道中傳輸，IP網管工具不能穿透FC會話層，因此在網絡治理方面，FCIP網絡的運維需要IP和FC兩套治理系統。
　　
　　在服務質量(QoS)方面，FCIP可以直接利用IP網絡的QoS技術，另外FCIP還可以通過加強IP報頭的解釋，為FC網絡提供更好的QoS服務。
　　
　　2.2　iFCP技術
　　
　　iFCP是一個網關到網關的協議，為TCP/IP網絡上的FC端設備提供FC網絡服務，也就是可以實現端到端的IP連接。FC存儲陣列、HBA(主機總線適配器，Host Bus Adapter)、交換機等可以直接連接到iFCP網關上。
　　
　　如圖2所示，iFCP幀也是將FC幀封裝到TCP/IP中，但與FCIP不同之處在于，iFCP對封裝的FC幀進行了修改，在協議實現中刪除了FC的FC-2層(用于保障底層傳輸和路由功能)。對于去除FC-2后所缺失的路由功能(即FC-2對應的功能)，iFCP將24位的FC網絡地址映射到一個惟一的IP地址上，為FC設備提供本地IP編址，從而實現FC路由功能。另外，iFCP直接利用了TCP保障可靠傳輸的機制替代了FC-2的相關功能。
　　
　　每個FC設備都具有一個24位的FC N_Port地址，分成3個8位的部分，DomainID，Area ID和Port ID。DomainID表示設備連接的交換機，Area/PortID表示設備連接的交換機的端口。每個交換機能夠提供6.5萬個地址。iFCP為端設備的24位的FC地址描述定義了兩種編制技術：地址透明模式和地址轉換模式。地址透明模式使用傳統的FC編址方案，代價是每個iFCP網關將至少消耗6.5個地址；在地址轉換模式中，iFCP網關除了給本地設備分配地址外，還要為遠程設備分配地址，使它看起來和本地資源一樣。iFCP網關在這種模式下，將維護一個遠程設備地址和本地代理地址的轉換表，在數據轉發時，使用遠端地址代替代理地址。在網絡通信時，iFCP網關進行FCN_Port地址和IP地址的映射，維護N_Port地址到IP地址的查找表，分別將對應的IP地址和N_Port地址放入到IP報頭和FC報頭中。在接收端，iFCP網關根據地址轉換表進行路由尋址，將數據報轉送到端設備。
　　
　　iFCP是一個被設計成既支持FC又支持IP的協議，因此iFCP需要模擬FC網絡服務，包括登錄、SNS(Storage Name Service)注冊。
　　
　　iFCP不支持分割的存儲區域網絡的合并(Merge)，因此無法組成單一的邏輯SAN。并且iFCP提供FC設備端到端的連接，TCP連接的中斷只會影響到一個通信對，而不會影響到其他通信，也不會將一個設備的錯誤帶給其他設備。iFCP的網絡治理只需要單一的網管系統。
　　
　　iFCP的安全性考慮要比FCIP強。iFCP利用類似于FC中的分區(Zoning)功能的發現域(Discovery Domain)功能來實現存儲資源的隔離，只答應經過授權的引發器發現特定的目標設備并與之建立會話。同時，iFCP還可以利用IP網絡的安全技術來保障安全，如IPSec，ACL和VPN等。
　　
　　2.3　iSCSI技術
　　
　　相比于上述兩種IP存儲網絡技術，iSCSI是一種純粹意義上的IP存儲網絡技術，它不包含任何FC的內容，iSCSI存儲端設備支持TCP/IP協議棧，直接接入IP網絡。iSCSI為通過IP網絡進行塊數據傳輸定義了自己的串行SCSI實現。
　　
　　iSCSI協議的幀格式如圖2所示。在SCSI CDB(Command Descriptor Block)前加入iSCSI頭，幫助接收端解釋SCSI命令。iSCSI頭和SCSICDB組成iSCSI協議數據單元，并封裝進TCP中，在IP網絡中傳輸。
　　
　　在iSCSI構建的IP存儲區域網絡中，每個主機和存儲資源都支持吉比特以太網接口和iSCSI協議棧，設備能夠直接連接到吉比特以太網交換機或IP路由器上，iSCSI端節點顯示為一個IP實體。iSCSI使用TCP保證在IP網絡上進行可靠的數據傳輸，通過一個或多個TCP連接在引發器和目標之間支持一個iSCSI會話，TCP連接確保iSCSIPDU順序發送，其中PDU封裝了標準的SCSICDB用于傳送命令和數據。iSCSI層為操作系統提供了標準的SCSI訪問方法命令組的接口。iSCSI還答應提供IPSec數據加密功能，保證數據的安全性。協議還規定了可選的數據同步和數據控制機制，確保iSCSI數據和命令的有序接收。
　　
　　每個iSCSI節點具有兩個標識，一個是iSCSI節點名，一個是IP地址和TCP端口號的結合。iSCSI節點名和iSCSI地址的分離能夠保障存儲設備在網絡中具有一個惟一的標識，即使iSCSI節點在網絡中的位置發生改變，該設備仍能夠被重新發現。
　　
　　在開始工作前，引發器和目標之間首先建立TCP連接，連接正確建立后，開始iSCSI會話。引發器和目標之間的iSCSI會話必須通過一個iSCSI登錄進程(Login Phase)來啟動，該過程用來協商雙方的變量參數，假如成功，目標將向引發器發出一個登錄接受信息；否則，登錄被拒絕，連接中斷。iSCSI登錄交換使用文本字段協商引發器和目標之間的參數，這些字段和一些要害字相關，這些要害字后面是協商得來的值，假如一個引發器所提供的范圍和目標所提供的不一樣，將使用二者之間的較小值。
　　
　　登錄完成以后，iSCSI會話進入完全特性階段，即正常的SCSI事務階段。假如該會話建立了多個TCP連接，單獨的命令/響應對必須在相同的TCP連接上傳輸。ISCSI PDU用來傳送命令、狀態和數據，R2T(Ready-to-Transmit)PDU在目標和引發器之間扮演了高層SCSI流量控制的角色。
　　
　　iSCSI錯誤處理和恢復最主要的要求是：引發器和目標必須都具有緩沖命令和響應的能力，直到它們得到確認為止。例如，在一個寫操作中，引發器必須將剛發送的數據保存到緩沖區中，直到它收到一個來自目標的R2T，表明先前發送數據已經收到。iSCSI通過序列號確認(或SNACK)PDU來恢復丟失PDU。SNACK會指出丟失的PDU數目，并且計算接收到的上一個可用PDU。
　　
　　在iSCSI協議中答應使用多種安全機制，如IPSec和登錄認證等。iSCSI的會話始于iSCSI登錄進程，在登錄進程中能夠調用一個安全例程來對可答應的連接進行認證，并且iSCSI登錄過程也為兩個端設備協商二者都支持的安全性類型提供了文本字段。同時，iSCSI的登錄進程也能夠借用IP技術中的接入認證技術。iSCSI協議也支持位于iSCSI層下的多種加密方案，能夠實現端到端的認證和加密。iSCSI技術也能夠使用主流的IP網絡通用的安全機制，如ACL，VLAN和VPN技術。
　　
　　iSCSI協議本身沒有定義對QoS的支持，可以利用IP QoS技術實現對服務質量的支持。
　　
　　2.4　技術比較
　　
　　以上介紹的三種IP存儲網絡技術都能實現IP存儲區域網絡，協議棧、技術細節、網絡服務以及實施難度等方面有著明顯的區別，各有優缺點和適用環境，具體的技術對比見表1。
　　
　　表1　三種IP網絡存儲技術對比表
　　　技術前沿：IP存儲網絡及標準化進程（圖三）

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　　3、IP存儲網絡技術標準化進程
　　
　　IP存儲網絡技術的標準化工作仍在進行中，主要的IP存儲網絡標準化組織有SNIA和IETF。SNIA由制造商組成的，主要從事存儲網絡技術工業標準的制定，在整個存儲行業中具有較大的影響力。而IETF是傳統的Internet標準制定的組織，在IP存儲領域也具有較大的影響力。兩者都對目前主要的三種IP存儲網絡技術進行研究和標準化制定，但各自又有所側重。
　　
　　SNIA(網絡存儲工業協會，Storage Network Industry Association)是由計算機廠商、數據存儲廠商和數據治理廠商等組成的一個非官方組織，致力于驅動未來的存儲工業標準、實施和教育等。SNIA由其下設的IP存儲論壇(IPSF，IP Storage Forum)負責IP存儲區域網絡的存儲解決方案的標準制定及技術研究。因此，SNIA制定的標準中除了技術細節外，更關注的是對IP存儲網絡技術的實際應用。目前SNIA發布的標準中主要包含的文檔有：《iFCP技術概述》、《iFCP過渡技術》、《存儲區域網絡中的iSCSI》、《iSCSI技術白皮書》、《iSCSI技術下的光纖通道和IP存儲網絡的集成》和《FCIP技術白皮書》。
　　
　　IETF(Internet工程任務組，Internet Engineering Task Force)成立了IPS(IP Storage)工作組，進行IP存儲網絡技術的標準制定工作。IPS跟蹤和研究封裝SCSI和FC協議在IP網絡中傳輸的實際方法以及與此相關的其他主體，包括安全、命名、發現和配置等。
　　
　　目前，IPS工作組已經發布了12個RFC(請求注釋，Request for Comment)和12個草案(Draft)。IETF的標準內容更多的覆蓋了IP存儲網絡技術的技術細節，對于實際應用的定義說明比較少。IETF將FCIP和iSCSI技術作為IP存儲網絡技術標準制定的重點，已經有RFC支持，而iFCP技術仍然出于草案階段。主要的標準或草案包括RFC3347，RFC3720，RFC3721，RFC3783，RFC3980，RFC3643.RFC3821和RFC3822和Draft-ietf-ips-ifcp-xx等。
　　
　　IPS工作組還對與IP存儲網絡相關的的其他協議進行了研究。如SLP(服務定位協議，Service Location Protocol)協議和iSNS(Internet Storage Name Service)協議。
　　
　　為適應IP存儲網絡發展，加快相關標準的研究制定，中國通信標準化協會已于2004年開始了IP存儲網絡技術的立項研究工作。到目前為止，《IP存儲網絡交換設備技術要求》、《IP存儲網絡交換設備測試方法》、《支持存儲的路由器技術要求》和《支持存儲的路由器測試方法》正在起草中，計劃于2005年底完成征求意見稿。

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