高性能iSCSI設計分析

引言
　　
　　iSCSI是由Cisco和IBM共同發(fā)起的,并于2003年2月11日, 被IETF( Internet EngineeringTask Force, 互聯(lián)網(wǎng)工程任務組) 通過的新的網(wǎng)絡存儲標準[4]。它是一種在Internet協(xié)議網(wǎng)絡上, 特別是在以太網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臉藴�。是一個供硬件設備使用的可以在IP協(xié)議上層運行的SCSI指令集。簡單地說, iSCSI 可以實現(xiàn)在IP 網(wǎng)絡上運行SCSI 協(xié)議, 使其能夠在諸如高速千兆以太網(wǎng)上進行路由選擇。而整個過程在用戶看來,使用遠端的存儲設備就像訪問本地的SCSI 設備一樣簡單。iSCSI協(xié)議利用現(xiàn)有的TCP/IP 網(wǎng)絡傳輸SCSI協(xié)議命令和數(shù)據(jù)，價格較低，傳輸距離也不受限制，但協(xié)議開銷較大。主要是因為CPU在處理TCP/IP這層協(xié)議的開銷較大，占用了較多的系統(tǒng)資源和CPU時鐘。為此許多學者提出了很多改進措施，例如TOE(TCP/IP offload engine)技術，它使用硬件來承擔TCP/IP等網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包處理的絕大部分工作，將主機CPU從繁重的網(wǎng)絡協(xié)議處理工作中解放出來，同時也大大提高了處理的效率。采用具有TOE的網(wǎng)卡實現(xiàn)iSCSl協(xié)議，主機CPU和軟件部分就只需要完成iSCSl協(xié)議數(shù)據(jù)單元的封裝、解封裝，下層的處理工作由網(wǎng)卡完成。但是對于處理大量的小數(shù)據(jù)塊來說這種技術又會成為系統(tǒng)瓶頸。因此本文設計一種基于UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅躨SCSI軟件來提高數(shù)據(jù)的處理和傳輸率，即采用基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸與命令、狀態(tài)的傳輸分離來提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時減輕了CUP處理繁瑣的TCP數(shù)據(jù)包的負擔。
　　
　　1 基于 UDP 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇SCSI 模型
　　
　　iSCSI 協(xié)議棧的傳輸層使用的是TCP，而TCP 協(xié)議在數(shù)據(jù)處理方面比較保守，在傳輸大量的數(shù)據(jù)時，勢必占用過多的CUP 時鐘。如果完全用UDP 代替，又達不到可靠的要求，本文結合TCP 與UDP 作為iSCSI 協(xié)議棧的并行傳輸層。其結構模型。TCP 主要是用來建立可靠的連接和傳輸讀寫命令及狀態(tài)，保障命令被執(zhí)行完，如果出錯則要求重傳命令。UDP 的作用是在iSCSI 進入全功能階段后傳輸大量數(shù)據(jù)。并且iSCSI 層在數(shù)據(jù)方面設計了數(shù)據(jù)序號機制和錯誤恢復機制來加強數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
　　
　　1.1 iSCSI 數(shù)據(jù)序號機制
　　在iSCSI中一條命令的執(zhí)行可能涉及到多個PDU，如數(shù)據(jù)（DATA）PDU和準備傳輸（R2T）PDU，iSCSI規(guī)定用一個DataSN參數(shù)來同步這些PDU。這個參數(shù)是基于命令范圍內的，對于輸入命令（iSCSI中方向是以客戶端為參照物的），如讀命令，目標器將數(shù)據(jù)分成多個DATA-INPDU，DataSN由0開始，從第一個DATA-IN PDU向后依次遞增。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序號出錯則要求重傳所缺序號的數(shù)據(jù)才能給與確認和續(xù)傳之后的數(shù)據(jù)。
　　對于寫命令，客戶端要將待輸出的數(shù)據(jù)分成多個DATA-OUT PDU 傳往目標器DataSN也是從每個R2T 的第一個DATA-OUT PDU 起以0 開始，以后每個DATA-OUT 遞增1，這時的DATA PDU 是針對R2T 而言。
　　對于雙向命令如讀－寫命令，則是采用上面的兩種方向結合方式，這里不再舉例。Data和R2T PDU 不像命令和狀態(tài)都有一個明確的確認信息，在iSCSI 中DATA-OUT 和R2T 對端都不會給予任何確認信息，但對DATA-IN PDU 啟動器可以通過一種叫（總是由目標器發(fā)出）SNACK 命令給予確認。通過DataSN 和R2TSN 以及SNACK(序列號確認）可以使啟動器和目標器很容易的檢測出丟失的數(shù)據(jù)PDU。
　　
　　1.2 iSCSI 錯誤恢復機制
　　iSCSI的恢復模型規(guī)定了啟動器端每個支持錯誤恢復的connection都必須實現(xiàn)下面的功能：
　　-使用NOP-OUT命令來獲取目標器的序列機制息。
　　-能夠進行命令重傳。
　　-支持R2T的恢復。
　　-能夠使用SNACK要求目標器重傳狀態(tài)、Data或R2T PDU。
　　-確認已接收的數(shù)據(jù)。
　　-重新分配命令忠貞。
　　-在session恢復時必須徹底終結老的session。
　　同樣這個恢復模型也為目標器規(guī)定了一些必須實現(xiàn)的功能：
　　-使用NOP-IN探測啟動器的序列信息。
　　-可以使用R2T要求啟動啟動器重傳數(shù)據(jù)。
　　-支持SNACK功能。
　　-可以要求啟動器對自己發(fā)送的Data序列予以確認。
　　-支持命令忠貞的再分配。
　　-終結session。
　　iSCSI錯誤恢復機制從高到低依次是0級（會話恢復）， 1級（冗余恢復），2級（連接恢復）三層。一般的實現(xiàn)是1級或2級，本文實驗使用的是0級，使得數(shù)據(jù)可靠性更高。由于iSCSI有以上2種機制，即使采用UDP包進行數(shù)據(jù)傳輸也會保證數(shù)據(jù)正確可靠的傳輸，再參照可看出，TCP層和iSCSI層在數(shù)據(jù)可靠性保證方面從語義上來說是重復的，而且TCP能保證命令順利完成，否則會要求重發(fā)命令或重新建立連接，所以本改進協(xié)議使用UDP也能保證數(shù)據(jù)可靠。
　　
　　2 高性能 iSCSI 讀寫處理設計
　　
　　啟動設備通過登錄建立與目標設備的會話（session），登錄成功后目標設備賦予啟動設備會話號（sessionID）。其中登錄過程中在建立TCP連接的時候，給每個連接一個CID（connection ID）,對于每個TCP連接我們配套添加UDP套接字接口來進行數(shù)據(jù)的傳輸，一旦一個連接出錯(如TCP連接錯誤，傳輸異常等)，為了保證命令的連接忠貞，可以為該命令分配一個新的連接及相應的UDP套接字接口。連接成功后，雙方再通過協(xié)商確定各種參數(shù)，然后會話進入iSCSI全功能階段，可以發(fā)命令對設備進行讀寫操作了，下面來分析新iSCSI的讀寫過程設計。
　　
　　2.1 iSCSI 讀處理
　　內進數(shù)據(jù)的讀處理設計過程如，此圖是啟動器協(xié)議棧執(zhí)行SCSI讀操作所處理內進數(shù)據(jù)PDU(數(shù)據(jù)從目標器流向啟動器為內進數(shù)據(jù)，否則為外出數(shù)據(jù))的過程。一個iSCSI PDU的默認大8Kb，可能被包含在多個UDP包中，當NIC收到這些包時，通過DMA（Direct MemoryAccess）把它們放到NIC(Network Interface Control)緩沖區(qū)然后中斷CUP，設備驅動棧使用Rx接收線程和UDP控制塊來執(zhí)行UDP/IP處理，即去掉Eth/UDP/IP頭部。前5步就是處理UDP/IP及其下層。第6-10步處理相關的iSCSI層，首先iSCSI層從套接字讀iSCSI頭部到內部臨時緩沖區(qū)。iSCSI頭部是由48字節(jié)的基本頭部，CRC校驗和，以及一些可選的附加頭部組成。第7步計算CRC，然后與附加在頭部上的CRC進行比較，如果相符，則iSCSI層去掉頭部并把內進的iSCSI PDU作為數(shù)據(jù)PDU處理。第8步，在頭部中包含一個標識值，根據(jù)它能把數(shù)據(jù)PDU放在SCSI緩沖中正確的位置；基于PDU的長度以及相對偏移，iSCSI層創(chuàng)建一個指向SCSI緩沖區(qū)的聚集鏈表。然后iSCSI層把聚集鏈表傳給套接字接口（從UDP包復制iSCSI PDU負載到SCSI緩沖區(qū)），第10步驗證整個PDU數(shù)據(jù)負載CRC校驗和。
　　
　　2.2 iSCSI 寫處理
　　顯示的是啟動器對目標器執(zhí)行SCSI寫外出數(shù)據(jù)PDU的處理流程。啟動器端的iSCSI層必須在一個SCSI緩沖區(qū)中保留指向下一次寫到目標端的數(shù)據(jù)PDU的指針。一旦收到從目標端傳來的流控制（如R2T）PDU，iSCSI層立即傳輸數(shù)據(jù)PDU。首先構造iSCSI頭部并計算頭部的CRC值，把CRC值附加在頭部上（1）。然后iSCSI層創(chuàng)建聚集鏈表來描述這個頭部、頭部的的CRC以及iSCSI PDU負載，接著計算負載數(shù)據(jù)的CRC值并把它添加到聚集鏈表中（2）。最后數(shù)據(jù)通過內核接口到UDP/IP棧再傳到目標器。對于UDP/IP棧的實現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)要么直接從SCSI緩沖區(qū)到NIC要么經(jīng)過復制到一個臨時套接字緩沖區(qū)（3，4，5）。UDP/IP棧加上自己的鏈接頭部和負載描述符來分別指向包頭和UDP負載（6，7）。最后協(xié)議棧發(fā)送信號給NIC，通過DMA把數(shù)據(jù)發(fā)送出去（8）。
　　
　　3 實驗結果分析
　　
　　本實驗是由2臺主機構建iSCSI啟動器和目標器模塊，啟動端是自主開發(fā)的支持UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇SCSI模塊加載到windows XP內核中所構成，目標端是修改的linux下的HNU的修改版（支持UDP數(shù)據(jù)），再在中間加上千兆以太網(wǎng)交換機連接構成實驗環(huán)境。首先啟動兩模塊，把目標端的磁盤映射成啟動端的虛擬磁盤。然后啟動器端機器隨機讀寫不同大小的數(shù)據(jù)塊。
　　并通過對傳統(tǒng)的iSCSI做對比實驗，讀寫結果的實驗數(shù)據(jù)所示。實驗結果表明高性能iSCSI能提高大概20%~30%的讀吞吐率，20%~25%的寫吞吐率。從可看出所讀寫的數(shù)據(jù)塊越小效果越明顯，這是因為大數(shù)據(jù)塊進行分片和重組所需時間較多，塊越小使用UDP效果更明顯。顯示的是CUP利用率的對比圖，其結果表明，在訪問的數(shù)據(jù)塊大于512kB時，改進的iSCSI對CPU的利用率比傳統(tǒng)的低10%~15%。實驗充分證明了使用UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇SCSI的優(yōu)越性。
　　
　　4 結論
　　
　　本文給出了基于UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇SCSI，它能大幅提高數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男�率，減輕了CUP的負擔。但是也存在不少問題，一旦數(shù)據(jù)異常過多就需要重啟iSCSI會話，重新建立連接，將花費更多的額外時間。如果跨越網(wǎng)絡數(shù)較多的話，由于數(shù)據(jù)出錯概率相對較大，不適于使用基于UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇SCSI軟件，需要后續(xù)改進完善。

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　　[參考文獻] (References)
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