支持IP-SAN远程映射与引导的固件协议栈模型的设计与实现

摘要

IP存储区域网(IP-SAN)是存储领域的一项重要技术，它同时具备IP网络的优势以及SAN架构的强大功能和扩展性。iSCSI协议是IP-SAN中实现存储设备访问的重要协议标准。以iSCSI协议为基础的远程启动技术，通过利用PCI ROM(如网卡)从远程的IP-SAN中启动，简化了基础架构，使得管理任务变得集中和简单。IP-SAN远程引导技术支持客户主机从远程SAN的映射磁盘上引导启动系统，就像访问本地的SCSI设备一样简单。那么如何将分配给某个登录用户的存储卷映射为该远程用户主机的本地硬盘？该映射硬盘上的操作系统如何引导？ 本论文针对这些问题，提出了一种基于块的、面向可靠连接的iSCSI/TCP固件协议栈模型及设计实现方法，利用iSCSI协议对存储卷进行本地映射，实现了基于IP存储区域网络的远程引导。该技术的核心是运行在客户主机平台上网卡扩展ROM中的固件协议栈。研究的具体内容如下： (1)提出了一种可移植的非路由传输层协议实现原型：简化设计了适用于嵌入式系统的传输层协议栈和TCP协议状态机；同时提出了几种简化算法来保证协议栈的性能与可靠性，包括乐观预测、固定回避重传算法和避免协议栈重入的输出请求挂起策略。 (2)在仔细分析iSCSI启动器体系结构的基础上，建立了一种便于操作系统内核iSCSI启动器平滑接管的固件iSCSI启动器有限状态模型；设计和实现了一个简洁、高效、稳定，且对存储资源要求很少的iSCSI启动器；最后设计了磁盘访问重定向服务和引导连接向量，给出了基于IP-SAN的存储卷远程映射引导的技术实现。 (3)对实现的iSCSI/TCP协议栈拟定了完整的功能、性能和可靠性测试方案；给出了基于该固件协议栈的IP-SAN远程启动方案与其他相关系统方案的比较；同时提出了进一步优化和改进系统性能的可行方案。通过将协议栈实现代码嵌入到X86裸机平台的64K PCI网卡扩展ROM中，实现了基于IP-SAN的网络引导。测试结果表明该固件协议栈有较好的性能和可靠性，并且使部署、移动和重新分配主机与存储卷之间的映射关系变得更加便利；真正实现网络启动和网络存储。

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英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪 论

1.1研究背景

1.1.1IP-SAN存储技术

1.1.2 iSCSI技术发展前景

1.1.3利用iSCSI从SAN中启动

1.2研究意义

1.3国内外研究发展现状

1.3.1存储市场现状

1.3.2远程引导协议栈研究现状

1.4本文的主要工作

1.5论文结构

第2章 iSCSI协议

2.1 iSCSI相关理论

2.1.1 iSCSI的分层模型

2.1.2 iSCSI PDU格式

2.2 iSCSI的序列机制

2.2.1命令序列号

2.2.2状态序列机制

2.2.3数据序列机制

2.3 iSCSI的名称和命名

2.4 iSCSI的请求和响应

2.5 iSCSI会话管理

2.5.1iSCSI参数协商

2.5.2 iSCSI登录过程

2.5.3 iSCSI全功能阶段

2.6 iSCSI错误处理和恢复

2.6.1错误恢复类型

2.6.2错误恢复级别

2.7 iSCSI的安全性

2.8小结

第3章固件TCP／IP协议栈原型与设计

3.1基于固件的传输层协议栈原型

3.2嵌入式TCP状态机

3.3嵌入式TCP协议实现

3.3.1协议控制块和套接字简化

3.3.2连接建立和关闭

3.3.3数据传输

3.3.4优化算法

3.4小结

第4章 固件iSCSI原型系统状态模型及设计

4.1基于固件的iSCSI协议原型

4.2基于固件的iSCSI启动器

4.2.1嵌入式iSCSI启动器状态模型

4.2.2嵌入式iSCSI启动器会话状态

4.2.3嵌入式iSCSI启动器数据结构

4.2.4缓冲区策略和数据收发

4.2.5错误恢复处理与安全

4.3 iscsi BIOS调用接口

4.4 IP-SAN存储卷的远程映射与引导

4.4.1磁盘I／O访问重定向

4.4.2存储卷到主机磁盘映射

4.5小结

第5章 固件协议栈测试与评价

5.1应用测试环境

5.2固件协议栈功能测试

5.3固件协议栈性能测试

5.4 IP-SAN远程引导性能测试

5.5 IP-SAN远程引导可靠性测试

5.6 IP-SAN与相关系统的比较

5.7小结

结论与展望

参考文献

致 谢

附录A读研期间发表学术论文和参与科研项目