iSCSI（Internet Small Computer System Interface）是一种基于TCP/IP网络的存储网络协议，其核心目标是将存储设备（如磁盘阵列、磁带库等）通过网络提供给客户端，实现数据块级别的远程存储访问，与传统存储协议（如FC光纤通道）不同，iSCSI利用现有的以太网基础设施，显著降低了存储网络的部署成本和复杂度，因此在中小企业、虚拟化环境及云存储领域得到了广泛应用，以下从技术原理、架构组成、工作流程及优势等方面进行详细阐述。
iSCSI的技术原理与核心概念
iSCSI的本质是将SCSI（Small Computer System Interface）指令封装在TCP/IP数据包中进行传输，从而实现存储设备与客户端之间的通信，其技术原理可分解为以下几个关键部分：
协议栈分层
iSCSI采用分层架构，自上而下可分为应用层、会话层、传输层和网络层：
- 应用层：SCSI指令集（如读、写、 inquiry等）直接面向存储设备操作，是客户端与存储设备交互的核心。
- 会话层：由iSCSI协议自身管理，负责建立、维护和终止iSCSI会话，包括登录认证、连接复用等功能。
- 传输层：基于TCP协议，确保数据包的可靠传输（通过序列号、确认重传机制保证数据完整性）。
- 网络层：使用IP协议进行路由寻址，支持以太网、无线局域网等多种网络介质。
通过这种分层，iSCSI实现了存储网络与IP网络的无缝融合，使得存储数据可通过标准以太网设备（如交换机、路由器）传输。
SCSI指令的封装与传输
SCSI指令原本设计用于直接连接存储设备（如通过SCSI总线），而iSCSI通过“封装”机制将其转化为可在IP网络中传输的数据包，具体过程为：
- 客户端（iSCSI Initiator）将SCSI指令（如CDB，Command Descriptor Block）封装到iSCSI协议数据单元（PDU）中；
- iSCSI PDU进一步封装到TCP段，再添加IP头部和以太网帧头部，最终通过物理网络发送；
- 存储设备端（iSCSI Target）接收到数据包后，逐层解封装（去除以太网帧、IP头、TCP头），还原SCSI指令并执行；
- 执行结果（如读取的数据块）按相反方向封装后返回给客户端。
这一过程实现了SCSI指令的“网络化”，使得远程存储设备对客户端而言如同本地磁盘一样可访问。
会话管理与连接复用
iSCSI会话（Session）是客户端与Target之间的逻辑连接，一个会话可包含多个连接（Connection），以提高传输带宽和可靠性。
- 连接建立：通过TCP三次握手建立连接，随后通过iSCSI登录过程（Login Phase）协商参数（如认证方式、最大数据段长度等）。
- 连接复用：一个会话可包含多个TCP连接，当某个连接故障时，其他连接仍可维持会话可用，避免服务中断。
- 会话终止：通过注销（Logout）过程正常结束会话，或因网络故障超时自动终止。
iSCSI的架构组成
iSCSI系统主要由三部分组成：
| 组件 | 功能 | 实现示例 |
|---|---|---|
| iSCSI Initiator（客户端） | 发起SCSI请求，封装/解封装iSCSI数据包 | 操作系统内置组件（如Windows的iSCSI发起程序）、硬件iSCSI HBA卡 |
| iSCSI Target（存储端） | 接收请求并执行SCSI指令，提供存储资源 | 存储阵列（如华为OceanStor）、软件Target（如Open-iSCSI） |
| 网络设备 | 传输iSCSI数据包，确保连接稳定性 | 以太网交换机、路由器、网卡（支持TOE卸载） |
iSCSI的工作流程
以客户端向存储设备写入数据为例，典型工作流程如下：
- 发现阶段：客户端通过iSCSI发现机制（如SendTargets）获取Target的IP地址及可用LUN（Logical Unit Number，逻辑单元号）。
- 登录阶段：客户端与Target建立TCP连接，通过CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）等认证方式验证身份，协商会话参数（如默认超时时间）。
- 数据传输阶段：
- 客户端将写指令（SCSI CDB）及待写入数据封装为iSCSI PDU；
- PDU通过TCP/IP网络发送至Target；
- Target解封装后执行写操作，将数据写入磁盘；
- Target向客户端返回“成功”响应。
- 会话维护：若数据量较大，可通过“数据包分段”机制将大数据拆分为多个PDU传输，并在接收端重组。
iSCSI的优势与挑战
优势：
- 成本效益：基于现有以太网基础设施，无需专用的光纤通道网络，降低硬件成本。
- 灵活性：支持跨地域存储访问，适用于分布式办公、灾备场景。
- 易管理性：可通过标准网络工具（如ping、traceroute）排查连接问题，运维简单。
挑战：
- 性能瓶颈：依赖TCP/IP协议，网络延迟或拥塞可能影响存储性能（可通过TOE网卡、10G/25G以太网优化）。
- 安全性：需配合IPSec、CHAP等加密认证机制，防止数据窃听或未授权访问。
相关问答FAQs
Q1：iSCSI与光纤通道（FC）的主要区别是什么？
A1：iSCSI基于TCP/IP网络，使用标准以太网设备，成本较低且部署灵活；而FC是专用的存储网络协议，需FC交换机和HBA卡，延迟更低、性能更稳定，但成本较高，iSCSI更适合中小企业和IP化环境，FC则多用于对性能要求极高的核心业务场景。
Q2：如何提升iSCSI网络的存储性能？
A2：可通过以下方式优化：① 采用TOE（TCP Offload Engine）网卡，减少CPU处理开销；② 部署10G/25G/100G高速以太网；③ 调整TCP窗口大小、启用Jumbo Frame（巨型帧）减少网络负载；④ 优化网络拓扑,避免存储流量与业务流量争抢带宽。
