存储iSCSI是什么？它如何改变数据存储和访问方式？

iSCSI存储技术详解

一、iSCSI

1. 什么是iSCSI？

iSCSI（Internet Small Computer System Interface）即互联网小型计算机系统接口，是一种通过TCP/IP网络传输SCSI（Small Computer System Interface）命令的协议，它允许将SCSI命令和数据封装在IP包中，从而实现在标准以太网上进行存储设备的远程访问和管理，iSCSI的出现使得企业能够利用现有的以太网基础设施来构建存储区域网络（SAN），降低了成本并提高了灵活性。

2. iSCSI的历史背景

iSCSI由IBM和Cisco于1999年共同开发，并于2003年被互联网工程任务组（IETF）批准为正式标准（RFC 3720），其设计初衷是为了解决传统存储方案中距离限制、设备数量限制以及成本高昂等问题，通过利用广泛部署的以太网技术来实现存储资源的共享和集中管理。

3. iSCSI的主要特点

基于IP协议：使用TCP/IP协议栈进行数据传输，兼容现有网络基础设施。

远距离传输：支持长达100公里（62英里）的数据传输距离，远超传统并行SCSI的限制。

多设备支持：可以在同一网络上连接多个存储设备和主机。

灵活性：无需专用硬件，可通过普通以太网交换机和路由器进行部署。

成本效益：降低布线成本，简化安装和维护。

二、iSCSI的工作原理

1. iSCSI协议层次结构

iSCSI协议堆栈包括以下几个层次：

应用层：负责生成SCSI命令。

表示层：将SCSI命令转换为iSCSI PDU（Protocol Data Unit）。

传输层：使用TCP协议确保数据的可靠传输。

网络层：使用IP协议进行数据包的路由和转发。

2. iSCSI如何封装SCSI命令

在iSCSI中，SCSI命令被封装成iSCSII PDU，然后再封装成TCP段，最终封装成IP包进行传输，接收端则进行反向解封装，提取出原始的SCSI命令并执行相应的操作。

3. iSCSI的数据发送与接收流程

发送方：应用程序发起IO请求，操作系统将SCSI命令封装成iSCSII PDU，再封装成TCP段和IP包后发送至网络。

接收方：目标设备从IP包中提取TCP段，再从TCP段中提取iSCSII PDU，最后解析出SCSI命令并执行相应操作，返回结果也按照相同路径传回发起端。

三、iSCSI存储系统的组成

1. iSCSI目标（Target）

iSCSI目标是指提供存储资源供iSCSI启动器访问的设备或设备集合，通常实现为磁盘阵列或存储服务器，每个iSCSI目标都有一个唯一的IQN（iSCSI Qualified Name）用于标识。

2. iSCSI启动器（Initiator）

iSCSI启动器是向iSCSI目标发送SCSI命令的实体，通常是服务器或PC机上的软件界面卡，启动器也需要一个唯一的IQN来进行身份验证和管理。

3. 网络基础设施要求

虽然iSCSI可以使用标准的以太网基础设施，但为了确保性能和稳定性，建议使用千兆以太网或更高带宽的网络连接，并配置适当的交换机和路由器以确保低延迟和高吞吐量，还需要确保网络拓扑简单明了，避免复杂的路由规则导致性能下降。

四、iSCSI SAN架构解析

1. 本机iSCSI SAN与异构IP SAN的区别

本机iSCSI SAN：所有组件均基于IP网络，包括iSCSI启动器和目标，通过以太网交换机连接，这种架构下，iSCSI流量与其他网络流量共享同一网络基础设施。

异构IP SAN：结合了光纤通道和其他存储网络技术，通过网关或转换器将不同协议的流量整合到同一网络中，这种架构下，iSCSI流量可能与其他类型的存储流量（如FC）共存。

2. iSCSI SAN中的LUN概念

LUN（Logical Unit Number）是逻辑单元号的缩写，代表目标设备上的逻辑存储单元，每个LUN对应一个SCSI目标端口，可以包含一个或多个存储设备，iSCSI启动器通过访问LUN来读写存储数据。

3. CHAP认证在iSCSI中的应用

CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）是一种加密算法，用于在iSCSI启动器和目标之间建立安全的通信会话，通过CHAP认证，可以有效防止未授权的访问，确保数据传输的安全性，在iSCSI连接建立过程中，启动器和目标需要交换CHAP凭据以完成相互验证。

五、iSCSI存储的优势与劣势

1. 优势分析

远距离传输能力：利用以太网技术实现远程存储访问，突破地理限制。

多设备支持：允许多个主机共享同一存储资源，提高资源利用率。

成本效益：减少布线成本，简化安装和维护过程。

兼容性强：可与传统的SCSI设备无缝集成，保护现有投资。

灵活性高：支持多种网络拓扑结构，适应不同规模的企业需求。

2. 劣势分析及潜在问题

性能瓶颈：在高负载情况下可能会出现性能下降的问题，特别是在共享式网络环境中。

安全性挑战：虽然CHAP认证提供了一定的安全性保障，但仍需注意防范网络攻击和数据泄露风险。

配置复杂性：对于非专业人员来说，配置和维护iSCSI系统可能会有一定的难度。

依赖网络稳定性：由于iSCSI是基于IP网络的，因此网络的稳定性直接影响到存储系统的可用性和性能。

六、iSCSI存储系统的实施步骤

1. 硬件准备与选择

选择合适的服务器作为iSCSI目标和启动器，确保它们具备足够的处理能力和网络接口带宽，准备存储设备（如磁盘阵列）并将其连接到目标服务器上，选择合适的网络交换机和路由器以确保网络连接的稳定性和性能，优先选择支持千兆以太网或更高速网络的设备，根据实际需求规划网络拓扑结构，确保所有设备之间的连接合理且高效。

2. 软件安装与配置

在启动器和目标服务器上安装iSCSI Target和Initiator软件，这些软件通常由存储设备制造商提供或可以从开源社区获取，对于基于Linux的系统，可以使用Open-iSCSI等开源软件；对于Windows系统，则可以选择Microsoft的iSCSI Software Initiator或其他第三方解决方案。

配置iSCSI Target时，需要设置合适的IQN名称以便于识别和管理，并创建LUN映射表将SCSI命令关联到具体的物理存储设备上，还需要配置认证机制（如CHAP）以确保通信安全，对于iSCSI Initiator的配置，则需要指定要连接的目标IQN地址以及本地的LUN编号等信息，还需要根据实际需求调整队列深度、缓存大小等参数以优化性能表现。

3. 存储分配与管理策略

根据业务需求制定合理的存储分配策略，例如按照部门划分不同的存储池或者按照应用类型分配不同的命名空间等，同时建立有效的权限控制机制以防止未经授权的数据访问行为发生，定期备份重要数据以防意外丢失也是不可或缺的一部分工作内容之一。

七、常见问题解答与注意事项

1. 如何选择适合的iSCSI硬件设备？

在选择iSCSI硬件设备时，应考虑以下因素：性能需求、扩展性、兼容性以及预算限制等，应选择具有高性能处理器和高速网络接口卡的目标服务器；同时考虑未来可能增加的存储设备数量和容量需求来确定是否需要预留扩展插槽或端口；另外还要注意所选设备是否支持所需的操作系统平台及相关软件版本等细节问题以免造成不必要的麻烦。

2. iSCSI性能调优技巧有哪些？

针对iSCSI性能调优可以从以下几个方面入手：首先是优化网络配置，比如使用专门的VLAN通道隔离iSCSI流量减少干扰；其次是调整TCP窗口大小提高传输效率；再者是启用多路径IO功能分散单点故障风险同时也能提升整体吞吐量；最后不要忽视对硬盘本身性能的挖掘比如采用SSD固态硬盘代替传统机械硬盘等方式都可以显著改善系统响应速度和数据处理能力。

3. 如何确保iSCSI存储系统的安全性？

为了确保iSCSI存储系统的安全性可以从以下几个方面着手：首先启用CHAP认证机制防止非法用户接入；其次限制只有必要的人员才能操作敏感信息如密码密钥等；再次定期更新固件补丁修复已知漏洞；此外还可以考虑部署防火墙IDS等安全设备监测异常活动并及时报警处理；最后不要忘了制定应急预案以便在遭遇攻击时能够迅速恢复服务而不至于造成太大损失。

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