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iscsi技术
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iSCSI技术白皮书
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第1章 背景技术
1.1 iSCSI概述
2003年2月11日,IETF(InternetEngineeringTaskForce,互联网工程任务组)通过了iSCSI(InternetSCSI)标准,这项由IBM、Cisco共同发起的技术标准,经过三年20个版本的不断完善,终于得到了IETF认可。
这吸引了很多的厂商参与到相关产品的开发中来,也推动了更多的用户采用iSCSI的解决方案。
iSCSI ,全称:
InternetSmallComputerSystemInterface,它是通过TCP/IP网络传输SCSI指令的协议。
iSCSI协议参照SAM-3(SCSIArchitectureModel – 3)制订。
在SAM-3的体系结构,iSCSI属于传输层协议,在TCP/IP模型中属于应用层协议。
1.2 SCSI技术
要了解iSCSI协议,首先需要了解SCSI。
SCSI全称是SmallComputerSystemInterface,小型计算机接口。
SCSI是1979年由美国的施加特(Shugart)公司(希捷的前身)研发并制订,由美国国家标准协会(ANSI)公布的接口标准。
SCSIArchitectureModel(SAM-3)用一种较松散的方式定义了SCSI的体系架构。
图1-1 SCSI体系结构分解图
SCSIArchitectureModel-3,是SCSI体系模型的标准规范;
它自底向上分为4个层次:
● 物理连接层(PhysicalInterconnects)——如FibreChannelArbitratedLoop、FibreChannelPhysicalInterfaces;
回应response,在iSCSI协议中也沿用了这套思路。
图1-2 SCSI设备服务和任务请求交互模型
第2章 iSCSI协议
2.1 iSCSI协议栈描述
iSCSI是集成了SCSI协议和TCP/IP协议的新的协议。
它是在SCSI基础上扩展了网络功能,也就是可以让SCSI命令通过网络传送到远程SCSI设备上,而SCSI协议只能访问本地的SCSI设备。
iSCSI是传输层之上的协议,使用TCP连接建立会话。
在initiator端的TCP端口号随机选取,target的端口号默认是3260。
iSCSI使用客户/服务器模型。
客户端称为initiator,服务器端称为target。
Initiator:
通常指用户主机系统,用户产生SCSI请求,并将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中发送到IP网络中。
Target:
通常存在于存储设备上,用于转换TCP/IP包中的SCSI命令和数据。
图2-1 iSCSI协议栈
2.2 iSCSI通信模型
iSCSI结构模型见下图,从图中可以看出,在iSCSI结构模型中的网络实体可以包含多个iSCSI节点(Initiator或者Target),而网络实体之间又通过网络入口(NetworkPortal)连接。
2.3 iSCSI名字规范
iSCSI协议中,initiator和target是通过名字进行通信的,因此,每一个iSCSI节点(即initiator)必须拥有一个iSCSI名字。
iSCSI协议定义了3类名称结构:
1、iqn(iSCSIQualifiedName)
格式是:
“iqn”+“年月”+“.”+“域名的颠倒”+“:
”+“设备的具体名称”,之所以颠倒域名是为了避免可能的冲突。
举例:
iqn.2008-.h3c.rd:
test
2、eui(ExtendUniqueIdentifier)
eui来源与IEEE中的EUI,格式是:
“eui”+ “64bits的唯一标识(16个字母)”。
64bits中,前24bits(6个字母)是公司的唯一标识,后面40bits(10个字母)是设备的标识。
举例:
eui.acde48234667abcd
3、naa(NetworkAddressAuthority)
由于SAS协议和FC协议都支持naa, iSCSI协议定义也支持这种名字结构。
naa的格式:
“naa”+“64bits(16个字母)或者128bits(32个字母)的唯一标识”。
举例:
naa.52004567BA64678D
naa.62004567BA64678D0123456789ABCDEF
在实际使用过程中,iSCSI节点名称可以不这么复杂。
第3章 iSCSI协议会话交互过程
3.1 背景
3.1.1 会话和连接的概念
1. 会话(Session)
Initiator和Target间的一组TCP连接,逻辑层概念(等价于SCSI规范中的I_Tnexus)
2. 连接(Connection)
Initiator和Target间的一个TCP连接,实体层概念(源地址:
源端口号+目的地址:
目的端口号唯一确定了一个TCP连接)
iSCSI报文交互是在由连接构成的会话上进行的。
iSCSI协议在设计的时候,为了提高性能,允许在1个会话包含多个连接,在会话建立过程中,第一个连接建立成功的同时会话也成功建立。
3. 连接忠贞(ConnectionAllegiance)
在iSCSI协议中,有连接忠贞的概念:
如果一个iSCSI请求是通过某个TCP连接(称为A)发送的,那么相应的应答以及其他相关的PDU必须在该连接(A)上发送。
因此,虽然一个会话可以有多个连接,如果一个SCSI命令通过连接A发送出去,那么必须在连接A上得到回应。
3.1.2 会话类型和会话阶段
iSCSI协议包括2种会话类型,每种会话类型又分为3个阶段。
1. 两种会话类型
● 发现会话(DiscoverySession)—— 用于发现指定的iSCSI网关上可用的Target,该会话建立后仅允许发送TextCommand/Response,LogoutRequest/ResponsePDU,其他类型报文PDU一律拒绝,SessionType =Discovery;这种会话类型主要用在4.11中的第2种方法:
“发现会话”。
如果initiator只有target网关的地址,而没有target的名字,就需要使用Discovery类型的会话,发起会话建立请求。
● 正常操作会话(NormalOperationalSession)—— 没有任何限制的会话类型,SessionType = Normal。
Initiator与target会话建立成功后,使用的会话类型就是Normal类型。
2. 每种会话类型又分三种会话阶段
● SecurityNegotiationPhase—— 安全协商阶段0x00
● LoginOperationalNegotiationPhase—— 操作协商阶段0x01
● FullFeaturePhase—— 全功能阶段0x03
安全协商阶段和操作协商阶段统称为登录阶段。
Initiator和target只有到达全功能阶段后,才能进行数据读写操作。
3.2 发现会话(Discovery)
Discovery会话主要用于initiator通过targetportal发现所有的target,为接下来initiator与target连接作准备。
3.2.1 过程概述
Discovery会话建立的过程主要分为以下几步:
(1)、建立TCP连接
(2)、进行安全协商
(3)、进行操作协商
(4)、获得可用资源
(5)、关闭会话
(6)、关闭TCP连接
3.3 正常操作会话
3.3.1 发现会话和正常操作会话的不同作用
● 实际的数据传输都是通过正常操作会话来进行,所以它和SCSI层的关系更为紧密,所有的PDU都可以在正常操作会话中传输
● 在发现会话建立初始化时,照例要进行loginrequest/response(这点和发现会话的登录过程相似)
● 发现会话进入全功能阶段时,仅能传输TextCommand和LogoutCommand,其他类型的报文会reject;而正常操作会话进入全功能阶段后,则开始包含SCSI指令的数据进行传输
发现会话只是为了获得Target网关上可用的Target列表,其他什么事情也不干;而正常操作会话的建立才是为了实际的数据读写操作!
发现会话是为正常会话服务的,通过发现会话,initiator可以获得target的名称和IP地址,从而与target建立正常会话。
正常会话的建立过程与发现会话类似,下面着重介绍正常会话建立完毕后,SCSI读写过程。
3.3.2 SCSI读写过程
1. 数据读写准备过程
数据读写之前,需要有一个读写准备的过程,这个过程中,initiator和target端的动作
包括:
● Initiator->Target:
读写前的设备状态、大小查询
◆ ReportLUNS
◆ Inquiry
◆ SCSIReadCapacity
◆ SCSIModeSense
● Target->Initiator:
◆ SCSIResponse
◆ SCSIDataIn
ReportLUNS用于从I_T连接中获取逻辑单元的目录。
INQUIRY命令用于请求逻辑单元和SCSI目标设备发送信息给申请用户。
ReadCapacity命令属于SCSI块命令(SBC),该命令请求设备服务器向输入缓冲区传输8字节的参数数据,用于描述直接存取块设备的存储介质的格式和容量。
Modesense命令用于申请用户指定存储介质、逻辑单元或外围设备参数给设备服务器
Initiator向target发送上述信息后,target对这些信息进行回应。
下面是以上命令的大致流程,它们之间并没有明确的顺序关系,所以下图实际上是4
个流程的大致组合:
2. SCSI读过程
● Initiator->Target:
SCSIRead(10)(ExpectedDataSegmentLength)
● Target->Initiator:
SCSIDataIn (Solicteddata)
● Target->Initiator:
SCSIResponse (orincludedinthefinalDataInPDU)
Initiator首先向target发送读请求,其中包含了需要读的数据长度;target收到请求后,向initiator发送Solicteddata,最后target发出response报文(或者该response报文包含在最后一个Data-IN报文中)。
3. SCSI写过程
数据写有2种情况,一种是target需要确认状态;另外一种是target端不需要确认状态。
一、需要确认状态的情况
● Initiator->Target:
读写前的设备状态查询和设置
● Initiator->Target:
SCSIWrite(10)
◆ ExpectedDataLength
◆ ImmediateData
● Target->Initiator:
R2T
● Initiator->Target:
SCSIDataOut
◆ SolicitedData
● Target->Initiator:
SCSIResponse
二、不需要确认状态的情况
● Initiator->Target:
读写前的设备状态查询和设置
● Initiator->Target:
SCSIWrite(10)
◆ ExpectedDataLength
◆ UnsolicitedData
● Target->Initiator:
SCSIResponse
3.4 iSCSI错误恢复机制
3.4.1 可能的错误
iSCSI协议中,将可能发生的错误归为3类:
● 协议错误;可能由程序引起,需要SCSI层重启会话来恢复
● CRC校验出错;这一错误可能发生在头校验位或数据校验位;重新发送PDU可能修复该错误;
● TCP/IP或链路连接错误;这一错误可以通过重启连接或将会话从失败的连接上移开来恢复
3.4.2 三种错误恢复级别
根据3种可能发生的错误,有3种错误恢复级别
● ErrorRecoveryLevel=0 (又称会话恢复级)不论出现什么样的连接错误,都会重启会话;CRC校验出错时,Initiator会中止会话并向SCSI层返回错误码;SCSI层将负责恢复错误
● ErrorRecoveryLevel=1(又称校验恢复级),如果需要,可以转向Level0;当initiator或target收到一个头部校验出错的PDU,它们通常可以恢复该错误的PDU;Initiator可以发送SNACKPDU来获得丢失的PDUs;Initiator/Target可以发现丢失的命令并重新发送
● ErrorRecoveryLevel=2(又称连接恢复级),连接错误时可以将连接忠贞从失败的连接上转移到完好的连接上;TCP/IP的连接错误可以通过重新建立新的TCP/IP连接并将连接忠贞转移到新的连接上来恢复;如果需要,可以转向Level0
3.4.3 各种恢复级别的关系
● 错误恢复级别由高到低的顺序为2、1、0
● 如果一些错误无法由高级别的错误方法恢复,则转向低级别的恢复方法
● 在一些简单的实现中,大多仅支持到错误恢复级别0
3.4.4 ErrorRecoveryLevel=0
● 必须实现的错误恢复级别
● 可以通过较简单的软件设计来实现
● 当错误发生时,Initiator和Target会放弃正在执行或在队列中的任务,关闭TCP连接;当所有的状态清除后重新建立会话;该会话的所有连接会重新建立。
3.4.5 ErrorRecoveryLevel=1
● 除了0级所支持的会话恢复方式外,错误恢复级别1还能恢复大多数由CRC校验监测出的错误
● 如果头部校验值出错了,则PDU会悄悄丢弃掉,Initiator或Target通过序列号中的“Hole”来发现丢失了某个PDU
● 如果数据校验值出错了,则可以这样处理
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