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1、1IP 网络与存储 I/O 集成技术的研究摘 要: 本文将IP网络存储分为光纤通道、以太网、Internet三大类，并按不同的协议或集成方法进行了详细描述和分析。了解IP技术和存储的集成技术对IP网络存储的应用和研究均有一定的指导意义。关键词：网络存储,IP,集成技术,光纤通道,以太网,Internet。Integration technology for IP Network and Storage I/OAbstract: The IP network storage is divided into three kinds according to the network technolo
2、gy of fibre channel, Ethernet and Internet. The difference of the protocols or integrated methods are described and analyzed in detail. Understanding of integrated technology of network storage has the guidance meaning with application and researching.Keyword: Network storage, Integration technology
3、, Fibre channel, Ethernet, Internet1. 引言目前是存储工业的一个极其繁荣的时期，各种新的存储技术层出不穷，尤其是网络存储技术给我们带来了全新的存储概念：在网络存储中，存储设备与网络直接相连，通过网络存储可实现“任一”主机和“任一”存储设备之间的连接。网络存储包括了网络和存储的精华，特别是灵活的网络寻址和远程传输能力、高效的I/O性能。基于IP的存储技术能够提供更多优势，如可扩展性、可管理性、安全性提高和实现存储部件间的互操作性，因此正在迅速发展。有了基于IP的存储，存储区域网（Storage Area Network-SAN）就可以使用标准IP网络，如1Gp
4、s以太网。基于以太网的LAN长期以来就是行业标准，而利用以太网组建SAN这想法对许多IT组织有着很大吸引力。一个简单的事实是，网络存储已获得广泛的应用，挑起了新世纪存储发展的大旗。然而，网络存储具有相当的复杂性，拥有众多的体系结构和协议标准，同时，不同存储体系正在走向集成，网络存储技术将面对的是永无休止的变革。为了不被各种新名词挡住了未来的视线，本文将对IP网络存储技术进行系统描述和细致的分析。2. 基于光纤通道的 IP 存储光纤通道是目前在存储中获得了广泛应用的网络技术，正是它导致了存储区域网的提出。光纤通道的魅力之一在于它能接纳很多上层协议(ULP)，这些上层协议能被底层的光纤通道网络传输
5、。这种在光纤通道传输之上接纳 ULPS 的技术被称为协议映射。协议映射描述了位于光纤通道传输中的 ULP 消息块的位置和顾序。2.1 光纤通道网际协议（FCIP）FCIP 利用封装方法在 TCP/IP 链路上传输光纤通道中的数据帧。因为光纤通道已经包含了 SCSI 协议，所以这种方法不必做太多的工作即可满足协议要求。在传输的发送端，所有的光纤通道数据帧都被转换或“封装”为 TCP/IP 数据包;在接收端，自带寻址的数据包“封套”被丢弃，光纤通道数据帧以其原来的形式提交给接收端的 SAN。TCP/IP 的作用纯粹是一个输送管道。同样，FCIP 数据包也可以像其他的数据包一样按照路由分派或交换。应
6、用服务器 存储网络 管理控制台存储存储图1 存储区域网22.2 Internet 光纤通道协议（iFCP）iFCP 被定义为一个网关对网关的协议，通过 TCP/IP 链路将光纤通道设备连接起来，其目的是允许现有的光纤通道阵列和主机总线适配器使用“轻量级（lightweight）”网关连接到 IP 网络上。在 iFCP 中，标准的 TCP/IP 交换和路由基础结构部件取代了光纤通道部件。iFCP 在拥塞控制、差错检测和恢复时使用 TCP，也使用与 FCIP 相同的封装格式。采用光纤通道进行网络存储集成，使得数据传输具有很高的速度，用户主要利用它来构造本地的存储区域网。与传统的以太网一样，存储局域
7、网也可以用 FC HBA，HUB，交换机，路由器等网络设备进行互连。采用光纤通道进行网络存储集成采用的主要传输协议是光纤通道协议(FCP)，FCP 是 SCSI 协议的串行转换。iFCP 利用 IP 协议，使存储网络的应用范围超越现有光纤通道和 SCSI 技术的限制，构造更大范围的存储局域网；FCIP 利用现有的 IP 网络可实现位于不同地区的 SAN 的互连，可以克服光纤通道的距离限制，把超过光纤通道允许距离的 SAN 连接起来，防止 SAN 成为存储“孤岛” 。3. 基于 Ethernet 的 IP 存储技术3.1 文件服务器利用网络文件系统提供的文件服务，可以集成专用的存储服务器NAS（
8、Network Attached Storage 附网存储） 。网络文件系统并不是文件系统，而是文件访问协议。网络文件系统与本地文件系统具有相同的特性，但是它还采用了网络文件协议和网络安全机制，可以供远程用户或应用通过网络访问。NFS 用于在 UNIX 系统之间通过网络共享文件，CIFS 用于在 Windows 工作站之间共享文件。NAS 一般采用微核（Micro Kernel）操作系统，只有通信和存储功能，不支持桌面或服务器系统的大多数功能。目前出现了多种基于不同操作系统的产品，其中基于 Linux 操作系统的较多，它们卸除了 Linux 操作系统中的许多功能，以提供一个专门用作文件服务器和
9、单一功能的应用服务器。为方便存储到网络之间以最有效方式发送的数据，专门优化了系统硬软件体系结构，通过多网卡实现负载均衡，采用多线程、多任务的操作系统内核能更好的支持对存储器的读写。NAS 的可靠性大大提高，能充分利用网络带宽，I0 性能大大改进，具有较好的可扩展性。3.2 网络附着安全设备（Network Attached Secure Device-NASD）NASD 将磁盘管理功能集成在设备中，在设备中保存文件描述符和间接块，通过保存文件系统提供一个文件接口的抽象，让客户端读取和解析目录。另外，NASD 提供属性分离的可变大小的数据对象，而不是固定长度的块，并能自我管理，不必信任客户机文件
10、系统。同时，NASD 支持异步监视（Asynchronous oversight） ，客户机不需与文件服务器同步就能够执行大多数操作，即文件管理器允许客户机直接对设备发出命令。NASD 结构最大的优点使可以利用简单的并行分布式的文件系统提供可扩展带宽。简而言之，NASD 的基本思想即提供网络连接智能磁盘驱动器的并行网络访问，这种并行网络访问通过公用数据网络采用普通的通信协议完成。实质上，NASD 就像通过一个文件服务器 NAS 装置访问文件，但是并没有实际上的服务器。如果在网络 I/O 路径上没有服务器，则不会受到服务器带来的瓶颈制约。通过集成网络和文件系统的功能，可以为一个大的磁盘驱动器增添
11、巨大的价值。NASD 型的磁盘驱动器设备可以采用双绞线和 RJ45 连接器进行快速、价廉和容易的连接。3.3 Internet SCSI 协议（iSCSI）3iSCSI是一种在IP网络上能够进行块级存储传输的端到端协议，其性能价格比优于光纤通道技术，非常有发展前景。iSCSI基于两种广泛使用的技术：存储SCSI命令和网络IP协议。iSCSI完全抛弃了光纤通道，使用标准以太网交换机和路由器将数据从服务器移动到存储区。iSCSI实体有启动器，目标器和IP通信端点，实际应用场合可以包括多个启动器和目标器共享一个通讯端点。iSCSI完整无缺地保留了SCSI的命令集，把它映像到了IP上面，而用IP取代了
12、它的传输协议。然而，这需要大量的代码操作来执行这个映像功能，因此而带来了时间延迟问题。为了克服延迟时间问题，需要专用的iSCSI芯片组(ASIC)，也称之为TCP卸载引擎（TOE，TCP Off-load Engine） ，由它来在硬件中实现代码转换。3.4 存储池和虚拟服务器存储池是一种虚拟的应用，可以对存储资源进行合并和细分。从池中取出的虚拟驱动器能提供给不同的操作系统和硬件平台使用。将 SAN 中的所有存储组件集中到个存储池，作为一个整体资源进行管理，能维护其所有设备和子系统的精确目录，并能跟踪所有的这些设备，使得对存储进行精确的管理很容易实现。因为服务器到存储的连接是逻辑定义而不是物理
13、定义的，故这些存储单元可以根据不同的环境要求来增加、拷贝、移动、扩展、压缩、集中、镜像和打包等。实际应用中，使用存储池一个方案是采用存储服务器整合，虚拟化和管理分离的存储资源，并在 IP 上提供这些资源。这种方案支持各种接口的网络存储设备，是基于软件和与硬件无关的结构。在 SAN 上，存储服务器限制应用服务器只能看到分配给光纤通道设备。存储服务器获得连接到光纤通道的所有应用服务器的 HBA 的地址列表后，管理者将应用服务器名与它的地址联系起来。然后，将 SAN 资源分配给应用服务器，当应用服务器试图发现 SAN 上可用设备时，它只能看到控制台分配给它的 SAN 资源。4. 基于 Interne
14、t 存储集成4.1 设备仿真Internet 设备仿真将 Internet 服务器和服务作为仿真过程的一部分，因此，除了传送数据到 Internet 远程存储仓库以外，Internet 设备仿真与任何本地存储设备助工作方式是一样的。Internet 仿真设备系统有两种类型的设备：一种是物理的，一种是虚拟的。每一种设备都有相应的设备驱动器和 I/O 硬件，用于物理设备的主机控制器和用于仿真设备的 NIC。设备虚拟化需要在本地的硬件或软件组件中完成，如在调制解调器或机顶盒中完成。4.2 可安装文件系统可安装文件系统的一个最重要的特点是它可以完成系统自身文件系统不具备的功能。其中的一个方面是它具有网
15、络存储的能力。可安装文件系统可以纳入系统的文件访问结构中，在自身文件系统的最顶层之下。应用向可安装文件系统发出的请求由本身的文件系统管理和路由。可安装文件系统提供与系统的自身文件系统同种类型的服务，但还集成了其他访问方法，包括一个运行在对等层的可安装文件系统和卷管理器。iSCSI 存储系统图 3: iSCSI SAN.（一个简单的高可用网络拓扑结构：如果任何一个元件失效，网络可以继续工作。）iSCSI 目标器驱动程序（适用于所有 1000Mb/S 网卡）iSCSI 目标器存储卡（SNIC）（具有 TOE 功能）iSCSI 启动器驱动程序（适用于所有 1000Mb/S 网卡）iSCSI 启动器存
16、储卡（SNIC）（具有 TOE 功能）IP 交换机iSCSI 服务器4就网络存储方面而言，设备或子系统中的空间分配不一定由主机系统进行控制。可以有多种其他方法供系统表达需要多少数据，然后由设备或子系统处理具体的细节。可安装文件系统可以充当一个在主机系统和存储处理据之间进行 I/O 通信的转发器。在很多方面，可安装文件系统与虚拟或仿真设备是相似的，不同的只是可安装文件系统集成在 I/O 路径的更高点。对于创建一个先进的存储网络来说，可安装的文件系统是最好的工具之一。4.3 Java 和 Active XJava 或 Active x 技术都能将可执行文件下载到用户的系统中执行。虽然这有助于在大的机构里提供一致的存储管理，但是它也明显会给数据带来一些严重的问题。在设计 Java applet 时没有访问本地文件的能力，但 Active x 却允许访问本地的文件，这样便能够集成本地和 Internet 数据。4.4 Java 和 JiniJini 是一种新的网络体系结构，它实现了网络设备的自发组网(Spontaneous Networkin
