MARCOS AUGUSTO NAGAMURA

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1 MARCOS AUGUSTO NAGAMURA iscsi: conceitos, características e aplicações Monograa apresentada ao Laboratório A-Hand, da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para obtenção de título de Especialista em Orientação a Objeto. CAMPINAS

2 2 Contents LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 3 RESUMO 4 ABSTRACT 5 INTRODUÇÃO 6 VISÃO GERAL 7 DETALHES DO PROTOCOLO iscsi 10 A TÉCNICA TOE 13 DESCOBERTA DE DISPOSITIVOS iscsi 15 REFERÊNCIAS 17

3 3 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS DNS - Domain Name Service IQN - iscsi Qualied Name isns - Internet Storage Name Service JBOD - Just a Bunch of Disks SAN - Storage Area Network SCSI - Small Computer System Interface TOE - TCP Ooad Engine

4 4 RESUMO Redes baseadas no padrão físico Ethernet, especialmente Gigabit Ethernet, podem constituir uma alternativa viável na obtenção de espaços de armazenamento distribuídos, para uma gama de aplicações, dentre elas, virtualização de servidores, redundância de recursos computacionais, e backup remoto. Esta monograa tem, como propósito, apresentar o protocolo de comunicação iscsi, bem como algumas de suas características e implementações típicas, como um componente que se utiliza da escalabilidade da infra-estrutura Ethernet amplamente disponível e de custo acessível, para ns de armazenamento de informações.

5 5 ABSTRACT Ethernet-based networks, notably Gigabit Ethernet ones, may be feasible alternatives to obtain distributed storage facilities for a range of applications, such as server virtualization, redundancy of computational resources and remote backup. The purpose of this monograph is to present the iscsi communication protocol, its features and typical implementations as an component which comprises the escalability of well-established and cost-eective Ethernet networks, for storage purposes.

6 6 INTRODUÇÃO O protocolo de comunicação iscsi (Internet SCSI) provê serviço de transporte para um outro protocolo de comunicação, SCSI, este tipicamente utilizado como interface entre sistemas operacionais e dispositivos de armazenamento xo de informações, tais como discos rígidos e unidades de ta magnética. Internet SCSI opera em nível de aplicação, portanto utiliza-se dos serviços da camada subjacente (de transporte), que executa o protocolo TCP; iscsi tem como objetivo manter completa compatibilidade com SCSI. Inicialmente descreveremos aspectos básicos da interface SCSI, para facilitar a posterior abordagem ao iscsi e suas vantagens, desvantagens e características. Apresentaremos a técnica TOE, utilizada para minimizar o impacto no desempenho de transferência de dados devido ao uso do protocolo TCP. Elencaremos alguns exemplos de implementações iscsi, seja por software, seja por hardware. Embora sejam tecnologias complementares, iscsi e SAN não compartilham aspectos conceituais. Por exemplo, iscsi não provê inteligência nativa para controle de acesso múltiplo, delegando essa tarefa às outras aplicações (sistema operacional, drivers).

7 7 VISÃO GERAL Conceitos SCSI Essencialmente, SCSI é uma família de interfaces para requisição de serviços a dispositivos de entrada e saída (E/S). Como nomenclatura, um dispositivo de E/S é chamado de unidade lógica (UL). SCSI é uma arquitetura cliente-servidor. Clientes de uma interface SCSI são chamados iniciadores, que enviam comandos ao servidor, chamado de alvo. Um alvo pode conter várias unidades lógicas. Os comandos trafegam numa camada SCSI de transporte. A UL processa os comandos recebidos. Cada comando SCSI resulta em uma fase (opcional) de dados, do iniciador para o alvo ou vice-versa, e outra fase (obrigatória) de resposta, do alvo para o iniciador. A fase de resposta indica o estado nal do comando, incluindo informação sobre erros. Os blocos descritores de comando (BDC) são as estruturas de dados que esquematizam os parâmetros enviados pelo iniciador para o alvo. Esses blocos contém campos padrão SCSI e campos especícos, de acordo com o tipo de dispositivo em questão. Conceitos iscsi Os atores iscsi compartilham os mesmos conceitos de SCSI. No entanto, trabalham com mensagens ao invés de blocos. Essas mensagens são denominadas unidades de dados de protocolo (PDU, na sigla em inglês). Uma outra diferença, por questões de desempenho: iscsi permite a abreviação de fase, ou seja, ao invés de trabalhar com 2 fases separadas, para dados e resposta, ele permite o envio de ambas informações numa única fase. No ambiente iscsi, uma comunicação entre iniciador e alvo envolve uma ou mais conexões TCP. O grupo de conexões TCP envolvido nessa comunicação é denominado sessão. Modelo de arquitetura iscsi Na gura 1, podemos visualizar o esquema da arquitetura iscsi.

8 gura 1 - modelo de arquitetura iscsi 8

9 9 Na arquitetura iscsi, denomina-se Entidade de Rede qualquer cliente ou servidor iscsi. Uma Entidade de Rede é composta por um ou mais nós iscsi, que fazem a interface com o protocolo SCSI, e por um ou mais Portais de Rede, que fazem a interface com o protocolo TCP. Um Grupo de Portais é um conjunto de Portais de Rede no âmbito de um nó iscsi. Esse grupo aloca um ou mais portais para uma determinada sessão. Uma típica utilização da arquitetura iscsi pode ser visualizada na gura 2. É um esquema de redundância e backup de dados, utilizando componentes low-end e a infraestrutura de rede já existente. gura 2 - típica utilização da arquitetura iscsi

10 10 DETALHES DO PROTOCOLO iscsi Na gura 3, são exibidos os campos de informação de uma mensagem do protocolo iscsi. Trata-se da descrição da unidade de dados de protocolo (PDU). gura 3 - descrição da unidade de dados de protocolo A unidade de dados de protocolo possui os seguintes campos de informação: Estrutura Básica de Cabeçalho (Basic Header Structure): de tamanho 48 bytes, descreve a operação, identica o solicitante e/ou destinatário das informações. Veremos adiante mais detalhes dessa estrutura. Estrutura Adicional de Cabeçalho (Additional Header Structure): opcional, é criada conforme a necessidade. Fechamento de Cabeçalho (Header Digest) Segmento de Dados (Data Segment): o dado, propriamente dito. Fechamento de Dados (Data Digest) Cabeçalho. Na gura 4, visualizamos com mais detalhes o conteúdo da Estrutura Básica de

11 11 gura 4 - Estrutura Básica de Cabeçalho A Estrutura Básica de Cabeçalho possui os seguintes campos de informação: bit I: aplica-se a um PDU de requisição; quando assume valor 1, é uma marca para entrega imediata. Opcode: código de operação que indica o tipo de PDU. Os opcodes dividem-se em duas categorias - opcodes do iniciador (requisição) e opcodes do alvo (resposta). bit Final (F): quando assume valor 1, indica o último PDU da seqüência. Campos especícos de opcode (Opcode-specic elds): preenchimento conforme o tipo de opcode. Comprimento total da Estrutura Básica de Cabeçalho (Total AHS length): tamanho do cabeçalho, expresso em número de palavras de 32 bits. Comprimento do segmento de dados (Data segment length): tamanho do segmento de dados da PDU, expresso em número de bytes. Deve assumir valor 0, quando o segmento de dados da PDU for vazia. LUN: alguns opcodes referem-se a uma unidade lógica especíca. Neste caso, este campo é preenchido com informação que identica a UL. Caso o opcode seja de outro tipo, este campo é preenchido conforme o tipo de opcode. Etiqueta de tarefa do iniciador (Initiator Task Tag): uma tarefa iscsi é um conjunto de operações dentro de uma sessão. A etiqueta de tarefa é preenchida pelo iniciador e deve identicar univocamente a tarefa dentro do contexto daquela sessão.

12 12 Na tabela 1 temos alguns opcodes do iniciador: Opcode (hex) 0x01 0x03 0x05 0x06 0x1c - 0x1e Descrição comando SCSI (encapsula um bloco descritor de comando) requisição de login tráfego de dados (SCSI Data Out) para operação de escrita requisição de logout códigos especícos de fabricante tabela 1 - opcodes do iniciador E na tabela 2, alguns opcodes do alvo: Opcode (hex) 0x21 0x23 0x25 0x26 0x31 0x3c - 0x3e 0x3f Descrição resposta SCSI resposta de login tráfego de dados (SCSI Data In) para operação de leitura requisição de logout Ready to Transfer - sinalização de aceitação de dados códigos especícos de fabricante rejeição tabela 2 - opcodes do alvo

13 13 A TÉCNICA TOE Demanda A demanda por velocidade de transmissão de dados tende a crescer até mais que a demanda por velocidade de processamento de dados. No entanto, na arquitetura de rede mais usual, que contempla a pilha de protocolo TCP/IP, a velocidade de transmissão de dados depende diretamente do poder de processamento da CPU, pois TCP/IP é implementado via software, na maioria dos casos. Quando as velocidades de transmissão chegam ao patamar de gigabit por segundo, as soluções baseadas em hardware de arquitetura convencional, "low-end", incluindo barramentos e memórias, apresentam um aumento da quantidade de ciclos de CPU dedicados ao processamento de TCP/IP, resultando na diminuição da quantidade de ciclos de CPU dedicados às demais aplicações. Num ambiente corporativo, onde o gargalo se instala? Na comunicação entre servidores, que atuam em conjunto para responder a informação requisitada pelo usuário. O protocolo iscsi é uma boa alternativa para prover essa comunicação, pois utiliza a infraestrutura já existente. No entanto, torna-se inviável caso seja necessário aumentar o poder de processamento, resultante da necessidade de maior velocidade de transmissão de dados. A técnica TOE (TCP Ooad Engine), aplicada ao armazenamento de informações, consiste em transferir, da CPU para um equipamento de rede especializado, a tarefa de processamento de TCP/IP. Essa técnica pode proporcionar um benefício considerável para a adoção de iscsi, pois se dispõe a manter o paradigma de menores custos em comparação com soluções SAN rodando sobre canal de bra óptica (Fibre Channel). Desaos na implementação de TOE A natureza do protocolo TCP, por si só, já impõe sérios desaos para a implementação de TOE. TCP se caracteriza pela transmissão em uxo contínuo de pequenas unidades de informação, de no máximo 1500 bytes. Cada unidade possui seu próprio cabeçalho, e as pontas da comunicação precisam manter o estado atual da conexão, o que implica a necessidade de buers (memória) que somente podem ser liberados após o término da comunicação.

14 14 Do ponto de vista da aplicação, a fase de comunicação de dados somente se encerra quando os dados estão reagrupados num único segmento de informação. Devido a temporizações, retransmissões e demais obstáculos da transmissão, as duas pontas precisam manter, em buers, também os segmentos de dados transmitidos e que ainda não foram reagrupados. Ou seja, esses dados "órfãos" trafegam pelo barramento e pela memória das máquinas envolvidas, ocupando ciclos de CPU. Copy avoidance - a solução passa pela inclusão de memória nos dispositivos que implementam TOE, para evitar que os dados transitem entre o espaço de memória do kernel e o espaço de memória do usuário. No entanto, memória é um dos componentes de maior custo e ocupa mais espaço físico no circuito. Tudo isso contribui para que o hardware de rede tenha seu custo de fabricação aumentado. Na gura 5, vemos as diferenças entre as abordagens de transmissão de dados e onde iscsi se encaixa. gura 5 - abordagens de transmissão de dados Um hardware iscsi que atua no barramento do servidor (HBA - Host Bus Adapter) realiza a função de alvo iscsi, que também pode ser realizada por software. As vantagens de um dispositivo HBA são maiores na medida em que a máquina disponha de cada vez menos ciclos de CPU ociosos.

15 15 DESCOBERTA DE DISPOSITIVOS iscsi Numa rede de tamanho reduzido, com poucos dispositivos iscsi, uma forma efetiva de mapeamento é embutir os nomes iscsi nos próprios dispositivos, simplicando a fase de descoberta de dispositivos. Quando torna-se necessário aumentar o número de dispositivos e prover interoperabilidade com outras soluções (Fibre Channel, por exemplo), uma arquitetura mais robusta é solicitada. A arquitetura isns Da mesma forma que mapeamos nomes de domínio a endereços IP, através do protocolo DNS, dispositivos de armazenamento são anunciados e descobertos através de um serviço de atribuição de nomes denominado isns (Internet Storage Name Service). A arquitetura isns contempla os seguintes elementos: protocolo isns cliente isns servidor isns dispositivos que suportam o protocolo iscsi dispositivos que suportam o protocolo ifcp No âmbito do servidor isns, existe um formato próprio de base de dados, para armazenamento do repositório de nomes isns. Nomes iscsi O protocolo isns abrange outros protocolos além de iscsi. Por isso, o nome qualicado iscsi (IQN) agora é parte da nomenclatura completa, que é compatível com outros protocolos para prover interoperabilidade. Um exemplo de nome iscsi é: iscsi.fake.com 3260 iqn com.ibm:00.fcd0ab21.shark128 "123ismysecretpassword" composto de 4 campos: nome ou endereço de host, número da porta, nome IQN e palavra de autenticação. Serviços isns Os seguintes serviços são oferecidos pela arquitetura isns:

16 16 Descoberta de Dispositivos (ou recursos) Domínio de Descoberta e Serviço de Controle de Entrada Serviço de Noticação de Mudança de Estado Mapeamento Livre entre Fibre Channel e Dispositivos iscsi Cada dispositivo em conformidade com isns pode realizar as seguintes operações no âmbito do protocolo: Registrar seu nome no serviço de descoberta Noticar seu estado de operação (falha, manutenção, em operação) Administrativamente, os dispositivos são autorizados a utilizar os serviços isns. Estações de gerenciamento podem ser utilizadas para atualizar os dados dos Domínios de Descoberta e do Serviço de Controle de Entrada. Interoperabilidade Fibre Channel e iscsi O protocolo ifcp (Internet FCP) provê interoperabilidade entre dispositivos que suportam FCP (Fibre Channel Protocol) e dispositivos que suportam iscsi. O transporte é realizado pelo protocolo TCP/IP e as informações trafegam no nível de interconexão (gateway).

17 17 REFERÊNCIAS Internet Engineering Task Force. Internet Small Computer Systems Interface (iscsi): RFC Disponível em URL: [ 2004 Abr ] ACM Queue. TCP Ooad to the Rescue. Disponível em URL: [ 2004 Mai ] Javvin Technologies, Inc. iscsi: Internet Small Computer Systems Interface. Disponível em URL: Nishan Systems, Inc. Nishan isns: A Technical Overview. Disponível em URL: [ 2001 ] Solution Technology. iscsi for Storage Networking. Disponível em URL: Internet Engineering Task Force. Internet Storage Name Service: RFC Disponível em URL: [ 2005 Set ]