IP存儲技術及其應用

2019-11-03 09:08:06

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供稿：網友

湖南邵陽電視臺鄧永紅　　摘要：本文從ip存儲的概念，IP存儲標準的類型，IP存儲技術的應用，IP存儲的優勢與不足，IP存儲仍需解決的問題等方面，詳細地介紹了IP存儲技術及其應用。

　　關鍵詞：IP存儲，iSCSI， iFCP，FCIP。

　　IP存儲無疑是近一段時間發展最為迅速的存儲技術之一。在用戶、廠商密切關注之下，IP存儲由概念的產生到目前實際產品的出現，已經發生了翻天覆地的變化。

一、IP存儲的概念

　　簡單來講，IP存儲就是使用IP，而不是光纖通道，把服務器與存儲設備連接起來的技術，除了標準已獲通過的iSCSI，還有FCIP、iFCP等正在制定的標準。而iSCSI發展最快，已經成了IP存儲一個有力的代表。

　　像光纖通道一樣，IP存儲是可交換的。而且，與光纖通道不一樣的是，IP網絡是成熟的，不存在互操作性問題，而光纖通道SAN最令人頭痛的就是這個問題。IP已經被IT業界廣泛認可，有非常多的網絡管理軟件和服務產品可供使用。

二、IP存儲標準的類型

　　IP存儲除了標準已獲通過的iSCSI，還有iFCP、FCIP等正在制定的標準?，F在我就簡單介紹這三種標準。

1．iSCSI 標準

　　2003年2月11日，IETF（Internet Engineering Task Force，互聯網工程任務組）通過了iSCSI（Internet SCSI）標準，這項由IBM、思科共同發起的技術標準，經過三年20個版本的不斷完善，終于得到IETF的認可。這將吸引更多的廠商參與到相關產品的開發中，也會推動更多的用戶采用iSCSI解決方案。

　　iSCSI技術重要的貢獻在于其對傳統技術的繼承和發展上：其一，SCSI（Small Computer System Interface，小型計算機系統接口）技術是被磁盤、磁帶等設備廣泛采用的存儲標準，從1986年誕生起到現在仍然保持著良好的發展勢頭；其二，沿用TCP/IP協議，TCP/IP在網絡方面是最通用、最成熟的協議，且IP網絡的基礎建設非常完善。這兩點為iSCSI的無限擴展提供了堅實的基礎。

1）iSCSI的概念

　　iSCSI（互聯網小型計算機系統接口）是一種在Internet協議網絡上，特別是以太網上進行數據塊傳輸的標準。它是由Cisco 和IBM兩家發起的，并且得到了IP存儲技術擁護者的大力支持。是一個供硬件設備使用的可以在IP協議上層運行的SCSI指令集。簡單地說，iSCSI可以實現在IP網絡上運行SCSI協議，使其能夠在諸如高速千兆以太網上進行路由選擇。

　　SCSI（小型計算機系統接口）是以一種廣泛使用的連接硬盤和計算機的技術標準，iSCSI這種技術則是將該技術應用到網絡連接上，對于中小企業的存儲網絡而言，iSCSI技術的性價比要高于基于光纖的產品。iSCSI是基于IP協議的技術標準，是允許網絡在TCP/IP協議上傳輸SCSI命令的新協議，實現了SCSI和TCP/IP協議的連接，該技術允許用戶通過TCP/IP網絡來構建存儲區域網（SAN）。而在iSCSI技術出現之前，構建存儲區域網的唯一技術是利用光纖通道（Fiber Channel），該標準制定于20世紀90年代初期，但是其架構需要高昂的建設成本，遠非一般企業所能夠承受。iSCSI技術的出現對于以局域網為網絡環境的用戶來說，它只需要不多的投資，就可以方便、快捷地對信息和數據進行交互式傳輸和管理。相對于以往的網絡接入存儲，iSCSI的出現解決了開放性、容量、傳輸速度、兼容性、安全性等問題，其優越的性能使其自發布之日始便受到市場的關注與青睞。

2）iSCSI的工作流程

　　iSCSI協議就是一個在網絡上封包和解包的過程，在網絡的一端，數據包被封裝成包括TCP/IP頭、iSCSI識別包和SCSI數據三部分內容，傳輸到網絡另一端時，這三部分內容分別被順序地解開。iSCSI的工作流程如圖一所示：

圖一、 iSCSI的工作流程

　　iSCSI系統由一塊SCSI卡發出一個SCSI命令，命令被封裝到第四層的信息包中并發送。接收方從信息包中抽取SCSI命令并執行，然后把返回的SCSI命令和數據封裝到IP信息包中，并將它們發回到發送方。系統抽取數據或命令，并把它們傳回SCSI子系統。所有這一切的完成都無需用戶干預，而且對終端用戶是完全透明的。

　　為了保證安全，iSCSI有自己的上網登錄操作順序。在它們首次運行的時候，啟動器（initiator）設備將登錄到目標設備中。任何一個接收到沒有執行登錄過程的啟動器的iSCSI PDU（iSCSI PRotocol Data Units，iSCSI協議數據單元）目標設備都將生成一個協議錯誤，而且目標設備也會關閉連接。在關閉會話之前，目標設備可能發送回一個被駁回的iSCSI PDU。這種安全性是基本的，因為它只保護了通信的啟動，卻沒有在每個信息包的基礎上提供安全性。還有其他的安全方法，包括利用IPsec。在控制和數據兩種信息包中，IPsec可以提供整體性，實施再次（replay）保護和確認證明，它也為各個信息包提供加密。

3）iSCSI與FC的比較

　　與光纖通道相比，iSCSI有其自身的諸多優勢，主要表現在iSCSI更加經濟。成本的節約可體現在以下幾個方面：（1）在一般的數據和SAN網絡之間存在的公用技術可使培訓費用降低，而且也不必設立單獨的崗位職員，這兩者都可使成本降低；而且以太網大量的安裝基礎也可使價格降低。（2）iSCSI可利用現有的、容易理解的TCP/IP基礎設施來構筑SAN,隨著在QoS和安全方面的進步，在存儲與現有的基礎設施之間的共享表明，在硬件、培訓、實施等幾個方面都有機會實現可觀的成本節約。(3)隨著千兆以太網的實現，用戶將可得到傳輸速率為1Gbps的存儲網絡，而不需改變現有的基礎設施。

4）iSCSI技術的應用

　　iSCSI技術主要用于解決遠程存儲問題，具體如下：

（1）實現異地間的數據交換

　　許多公司利用光纖交換技術實施了自己的本地存儲區域網（SAN），但如果企業有異地存儲要求時，如何完成異地間的數據交換則成為問題。設想一下，一家公司在相隔很遠的地方有分公司，而且兩地各有自己的基于光纖的存儲網絡，那么，如何將兩個網絡連接起來？用光纖嗎？工程巨大，就是采取租用形式，其費用也相當高昂。我們知道，iSCSI是基于IP協議的，它能容納所有IP協議網中的部件，如果將FC轉換成IP協議下的數據，這些數據就可以通過傳統IP協議網傳輸，解決了遠程傳輸的問題，而到達另一端時再將IP協議的數據轉換到當地的基于FC的存儲網絡，這樣通過iSCSI使兩個光纖網絡能夠在低成本投入的前提下連接起來，實現異地間的數據交換。

（2）實現異地間的數據備份及容災

　　通過iSCSI，用戶可以穿越標準的以太網線纜在任何地方創建實際的SAN網絡，而不再必須要求專門的光纖通道網絡在服務器和存儲設備之間傳送數據。iSCSI讓遠程鏡像和備份成為可能，因為沒有了光纖通道的距離限制，使用標準的TCP/IP協議，數據可以在以太網上進行傳輸。而從數據傳輸的角度看，目前多數iSCSI的網絡傳輸帶寬為千兆即1Gbit，如果實現全雙工能夠達到2Gbit，第二代產品能夠達到2Gbit帶寬，在未來第三代通用iSCSI標準中，帶寬將達到10Gb，也就是說，采用iSCSI構建遠程異地容災系統已不存在任何問題。

2．IFCP標準

　　Internet光纖信道協議（Internet Fibre Channel Protocol，iFCP）是基于TCP/IP網絡運行光纖信道（Fibre Channel）通信的標準，iFCP具備網關功能，它能將光纖信道RAID陣列、交換機以及服務器連接到IP存儲網，而不需要額外的基礎架構投資。

　　iFCP的工作原理是：將Fibre Channel數據以IP包形式封裝，并將IP地址映射到分離Fibre Channel設備。由于在IP網中每類Fibre Channel設備都有其獨特標識，因而能夠與位于IP網其它節點的設備單獨進行存儲數據收發。Fibre Channel 信號在iFCP網關處終止，信號轉換后存儲通信在IP網中進行，這樣iFCP就打破了傳統Fibre Channel網的距離（約為10公里）限制。

　　iFCP有別于另一提交給IETF的草案標準FCIP（Fibre Channel over IP，即基于IP的光纖信道標準）。FCIP為一類簡單的隧道協議，它能將兩個Fibre Channel網連接起來，形成更大的光纖交換網。FCIP類似于用于擴展第2層網絡的橋接解決方案，它本身不具備iFCP特有的故障隔離功能。

　　當不同的Fibre Channel網互連時，每個iFCP網關域都能作為一個自治系統獨立運作，它的操作配置對整個IP網和其它iFCP網關域都是透明的。當位于iFCP網關的兩節點間進行存儲數據通信時，首先運用內部Fibre Channel協議，遍歷多iFCP網關的通信隨后被封裝進iFCP，然后映射到不同IP地址，數據即可通過IP網進行交換或路由傳輸了。透過IP網進行通信的每對Fibre Channel節點間都確立一個分離iFCP會話，使iFCP精確地實現了對QoS參數的矯正。

　　通過運用內建的TCP擁塞控制、錯誤檢測以及故障修復機制，iFCP同樣能在Fibre Channel網中進行完整的錯誤控制。所有情況下的錯誤控制都在會話層進行，因而不會對其它設備間潛在的存儲通信產生任何影響。

　　iFCP的典型應用是用于SAN對SAN互連。這時Fibre Channel網連接到iFCP網關，通信依次透過城域網（MAN）或WAN進行。

　　Internet存儲名稱服務器（iSNS）能夠易于實現對TCP/IP網中的iSCSI和Fibre Channel設備的自動識別、管理和配置。iSNS能提供智能交換服務，例如：以異步方式向iFCP網的終端節點發送變更通知，將網絡資源分割為邏輯組（管理和安全性中的域名識別功能）。

　　在安全性方面，這種新型IP存儲網標準整合了基本的分區、邏輯單元號隱蔽和分區隔離技術，以及其它在IP網中廣為運用、形成產業標準的安全特性。iFCP依賴于IPSec提供認證、加密和數據完整性校驗功能，并運用IPSec自動密鑰管理協議IKM（Internet Key Management）進行密鑰安全創建和管理。

　　iFCP規范目前已提交至IETF IP存儲工作組，有望在明年正式定稿

3．FCIP標準

　　FCIP（IP光纖通道）也將成為未來的重要發展方向。

　　FCIP是Fiber Channel over IP的標準協議。在同一個SAN范圍內，TCP/IP數據包再封裝Fiber Channel命令和數據，從而在IP網絡上傳輸Fiber Channel命令和數據。

　　FCIP是一種基于互聯網協議（IP）的存儲聯網技術，它利用IP網絡通過數據通道在SAN設備之間實現光纖通道協議的數據傳輸，把真正的全球數據鏡像與光纖通道SAN的靈活性、IP網絡的低成本相結合，降低遠程操作的成本，從而把成本節省和數據保護都提升到了一個新的高度。

　　FCIP被提議為通過現有的IP網絡連接光纖通道SAN“孤島”的一種標準方法。FCIP還可用來克服光纖通道目前存在的距離限制因素，能夠跨越大于光纖通道支持的距離連接SAN孤島。FCIP具有實現糾錯和檢測的優點：即如果IP網絡錯誤率高的話，它就重試。這是在一條低性能、高錯誤率的IP網絡上連接SAN的理想途徑。

　　FCIP解決方案為用戶有效管理業務連續系統提供了各種更為靈活的方式，能夠進行實時的數據遠程復制，可以在光纖通道控制器的基礎上為用戶提供具有容災能力、無單點故障的SAN解決方案，使用戶能夠在現有的IT基礎設施上運用IP聯網技術，把區域性SAN作為更廣闊的全國甚至全球性基礎設施中的一個數據恢復站點。

　　由于FCIP數據恢復應用能夠運行在現有的網絡基礎架構之上，因此，用戶在規劃業務連續性時，不需要為光纖通道中的數據量分配專用光纜?，F在，通過利用FCIP解決方案，企業用戶可以把SAN的范圍擴展到數據中心之外，利用各種低成本、性能優異的遠程存儲應用，優化其基礎架構的投資。　　

三、IP存儲技術的應用

　　IP存儲解決方案應用可能會經歷三個發展階段，具體如下：

1．作為SAN擴展器

　　第一階段，隨著SAN技術在全球的開發，越來越需要長距離的SAN連接技術。IP存儲技術定位于將多種設備緊密連接，就像一個大企業多個站點間的數據共享以及遠程數據鏡像。這種技術是利用FC到IP的橋接或路由器，將兩個遠程的SAN通過IP架構互聯。雖然iSCSI設備可以實現以上技術，但FCIP和iFCP對于此類應用更為適合，因為它們采用的是光纖通道協議(FCP)。

2．有限區域IP存儲。

　　在第二個階段的IP存儲的開發主要集中在小型的低成本的產品，目前還沒有真正意義的全球SAN環境，隨之而來的技術是有限區域的、基于IP的SAN連接技術?？赡軙霈F類似于可安裝到NAS設備中的iSCSI卡，因為這種技術和需求可使TOE（TCP Off-loading Engine）設備彌補NAS技術的解決方案。在這種配置中，一個單一的多功能設備可提供對塊級或文件級數據的訪問，這種結合了塊級和文件級NAS設備可使以前的直接連接的存儲環境輕松地傳輸到網絡存儲環境。

　　第二個階段也會引入一些工作組級的、基于IP的SAN小型商業系統的解決方案，使得那些小型企業也可以享受到網絡存儲的益處，但使用這些新的網絡存儲技術也可能會遇到一些難以想象的棘手難題。 iSCSI協議是最適合這種環境的應用的，但基于iSCSI的SAN技術是不會取代FC SAN的，同時它可以使用戶即享受網絡存儲帶來的益處,也不會開銷太大。

3．IP SAN。

　　第三階段，完全的端到端的、基于IP的全球SAN存儲將會隨之出現，而iSCSI協議則是最為適合的?；趇SCSI的IP SAN將由iSCSI HBA構成，它可釋放出大量的TCP負載，保證本地iSCSI存儲設備在IP架構上可自由通信。一旦這些實現，一些IP的先進功能，如帶寬集合、質量服務保證等都可能應用到SAN環境中。

四、IP存儲的優勢與不足

　　IP存儲的優勢有：

（1）利用無所不在的IP網絡，一定程度上保護了現有投資。

（2） IP存儲超越了地理距離的限制。IP能延伸到多遠，存儲就能延伸到多遠，這幾乎是一個劃時代的革命，十分適合于對現存關鍵數據的遠程備份。

（3） IP網絡技術成熟。IP存儲減少了配置、維護、管理的復雜度。

　　IP存儲的不足包括：

（1） IP存儲的產品目前總體上還不十分成熟，用戶可選擇的余地較小。

（2） IP存儲并不是在現有的IP網絡上連接一個帶網卡的存儲設備那樣簡單，同樣需要一些專門的驅動和設備。

（3）由于IP 網絡尤其是以太網本身的效率較低、QoS也不高，所以IP存儲特別的消耗資源，對QoS要求較高的場合是一個挑戰。

五、IP存儲仍需解決的問題

　　IP存儲是一個新興的技術，盡管其標準早已建立且應用，但將其真正廣泛應用到存儲環境中還需要解決幾個關鍵技術點。

1．TCP負載空閑

　　由于IP無法確保提交到對方，而將TCP作為底層傳輸的三種IP存儲協議則需要在擁擠的、遠距離的IP空間中確保傳輸的可靠性。由于IP包可以打亂次序傳送，因此，TCP層需要重新修正次序，以提交到上一層的協議中（如SCSI）。TCP完成這一任務的典型操作是使用重調順序緩沖器，將數據包的順序完全整理為正確方式，完成這一操作后，TCP層將數據發送到下一層。

　　這些處理都需要消耗主機的CPU資源，同時增加事務處理的延時，事實上，與典型的FC或SCSI塊傳輸相比，需要更多的I/O處理，一種稱之為TCP負載空閑引擎TCP Off-loading Engine (TOE)的設備可將主機的處理器負載降低，隨著新技術的應用，TOE將可以幫助解決這一問題。

2．性能

　　工作組和一些分析人士把相當多的注意力放在了確保IP存儲協議可以非?？斓倪\行上，因為目前硬盤驅動器的運行速度已經很快。專家們預測IP存儲產品將以高速運行。然而，也有一些分析人員認為，IP存儲令人心往的最大優勢是IP的靈活性，而高速性能則排在第二位。

　　盡管IP技術很有可能得以應用，但如果對性能較為看重的話，不推薦使用標準的以太網卡。如前所述，TOE可以減少服務器的處理負載，但由于TOE設備較新，其硬件成本及復雜程度都比標準網卡更高。其廣泛應用可能會由于性能價格比過高而受阻。像那些增強的iHBA都需要進一步改進，已達到光纖通道的技術水平。

3．安全性

　　當存儲設備通過IP架構進行遠距離連接時，安全性變得愈加重要。生產廠家必須明確產品的安全級別，并確保其安全性。在IP存儲產品廣泛應用之前，這一問題是IETF需亟待解決的。

　　當標準得到批準時，明確要求IP存儲協議的所有實施都必須包括可靠的安全性(實現加密數據完整性和保密性)。如果用戶不愿使用這些安全措施的話，他們不必使用，但是產品中必須具有啟動安全技術的功能，只有這樣廠商才能說他們的產品符合標準的要求。相當多的工作組成員非常不喜歡這項要求：他們認為這些協議的主要用武之地將是數據中心或其他一些受防火墻保護的領域。但是，一旦人們將應用放在IP上，這個應用沒有什么辦法確定自己的使用環境，例如在防火墻后使用。這是IP的一個重要特性。

　　IETF認為，如果將存儲區域網(SAN)放在IP上是符合邏輯的(絕大多數人認可這點)，那么利用IPSec保護這些SAN才有意義。

　　IETF的Internet工程指導小組(IESG)要求在三種IP存儲協議中使用IPSec: iSCSI、FCIP和iFCP。負責IETF IP存儲工作組傳輸領域的人員認為，竊聽是IP協議存在的安全漏洞，而這正是IESG堅持加密能力的原因。還有一些廠商認為，依靠IPSec解決IP存儲安全問題并沒有抓住問題的關鍵。盡管IPSec可以保護在IP網絡上傳輸的存儲數據的安全，正如它保護IP VPN上傳輸的數據那樣，但是它沒有采取任何保護存儲設備上數據的措施。保護存儲設備上的數據需要使用采用3DES 或高級加密標準(AES)的加密芯片。

4．互聯性

　　基于IP的技術并沒有被所有廠家共同使用，雖然這個協議的標準早已被IETF公布，但并不能保證廠家X與廠家Y使用相同的協議或技術。為了保證這些產品能夠相互配合得更好，必須保證廠家之間采用相同的協議，使各廠家產品具有良好的互聯性。

　　還有一個問題引起了大家的關心，那就是之所以有這么多的廠商熱衷于iSCSI解決方案原因在于他們不必掌握復雜的光纖通道技術而直接進入高速增長的網絡存儲領域。其實，作為iSCSI解決方案的提供商，沒有光纖通道領域的堅實基礎是很難取得成功的。

摘自　賽迪網

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