iSCSI

iSCSI (internet Small Computer System Interface) ist ein Verfahren, welches die Nutzung des SCSI-Protokolls über TCP ermöglicht. Wie beim gewöhnlichen SCSI gibt es einen Controller (Initiator), der die Kommunikation steuert. Die Speichergeräte (Festplatten, Bandlaufwerke, optische Laufwerke etc.) heißen Target.

Schematischer Aufbau eines iSCSI-Netzwerkes

Eigenschaften und Funktionen

Die Spezifikation des iSCSI-Standard wurde durch die Storage Networking Industry Association erstellt und im RFC 3720 von der Internet Engineering Task Force festgehalten.

iSCSI spezifiziert die Übertragung und den Betrieb direkter Speicherprotokolle nativ über TCP. Bei diesem Verfahren werden SCSI-Daten in TCP/IP-Pakete verpackt und über IP-Netze transportiert. Beim Multipath iSCSI Routing werden die SCSI-Befehle zunächst zu einem SCSI-Router geleitet, der auf Basis vorhandener Mapping-Tabellen und Parameter wie Netzwerkauslastung und -kosten die bevorzugte Adresse des entsprechenden Zielsystem (Target) ermittelt und für die Kommunikation mit der SCSI-Datenquelle auswählt. Nach dieser Auswahl werden die Pakete in TCP/IP verpackt und zum Netzwerkadapter weitergeleitet, der die Pakete dann über das Netzwerk verschickt.

iSCSI wird eingesetzt, um über eine virtuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung den Zugriff auf das Speichernetz zu ermöglichen, ohne dass eigene Speichergeräte aufgestellt werden müssen. Vorhandene Netzwerkkomponenten (Switch) können genutzt werden, da keine spezielle neue Hardware für die Knotenverbindungen nötig ist, wie es z.B. bei Fibre Channel (FC) der Fall ist. Der Zugriff auf die Festplatten erfolgt blockbasierend, ist also auch für Datenbanken geeignet. Der Zugriff über iSCSI ist darüber hinaus transparent, erscheint auf Anwendungsebene also als Zugriff auf eine lokale Festplatte.

Vor- und Nachteile gegenüber Fibre Channel

Zur Implementierung von iSCSI wird praktisch ausschließlich Ethernet eingesetzt. Gleichzeitig Vor- und Nachteil dieser Vorgehensweise ist die Kapselung der Pakete in Ethernet und TCP/IP. Vorteil der Ethernetbasis ist, dass auf schon verbreitete Netzwerkstandards zurückgegriffen wird und im Storage-Netzwerk gleiche Technik und Komponenten (Verkabelung, Switches, usw.) zum Einsatz kommen wie im restlichen Netzwerk. Ein weiterer Vorteil, der durch TCP/IP entsteht, ist die Routingfähigkeit und Eignung für komplexe, unternehmensweite Netzwerkstrukturen sowie für Weitverkehrsnetze. Nachteilig ist die etwa 10 bis 20% schlechtere Effizienz, welche durch die zusätzlichen Ethernet- und TCP/IP-Protokoll-Erfordernisse (zusätzlicher Overhead) und -Beschränkungen (wie Paketgrößen) zustande kommt, die zu einer erhöhten CPU-Belastung sowie zu höheren I/O-Anforderungen (mehr Interrupts pro Datenmenge) für den Server führen kann - und ebenfalls für höhere Latenzen sorgt. Ethernet bietet auch keine preisgünstige daisy Chained Arbitrated Loop (FC-AL)-Topologie, weiter unterscheiden sich Ethernet-Switches deutlich von FC-Switches (oder FC-Direktoren), welche zum Beispiel als Switched Fabric (FC-SW) zusätzliche Hochverfügbarkeits-Funktionalitäten bieten. Besonders nachteilig für den Einsatz im Speichernetz können aber auch ungeeignete Ethernet-Switches sein, die im Store and Forward-Modus laufen und daher erheblich höhere Latenzen als FC-Switches verursachen. Es sind aber bereits Hardwarelösungen wie z. B. Netzwerkkarten mit TCP/IP Offload Engine, iSCSI offload Engine^[1] oder auch die I/OAT verfügbar, die zumindest das TCP/IP-Overhead-Problem der zusätzlichen CPU-Last minimieren. Auch gibt es optimierte Switches, die besonders geringe Latenzzeiten bieten. Die Geschwindigkeit von iSCSI, genau wie die von Fibre Channel (FC), wird von der Geschwindigkeit der verwendeten Netzwerktechnik begrenzt. Bei Verwendung eines Ethernetnetzwerks mit 1 GBit/s ist iSCSI somit deutlich langsamer als FC mit seinen heute üblichen 2, 4 oder 8 Gbit/s. Mit 10 Gigabit/s-Ethernet und den damit erreichbaren Durchsätzen bietet dann aber wieder iSCSI eine im Vergleich höhere Geschwindigkeit – bei etwa vergleichbaren Latenzen. Hieraus resultiert der aktuelle Ansatz, der von converged Netzwerken spricht.

Paketaufbau/Payload

FC-Pakete besitzen ein günstigeres Verhältnis zwischen Overhead und Payload (Nutzdaten) als Standard-iSCSI, allerdings stehen für iSCSI auch Jumbo Frames zur Verfügung, die (spezielle Netzwerkkomponenten vorausgesetzt) ein günstigeres Verhältnis bieten können. Der Payload eines FC-Frames beträgt bis zu 2112 Bytes, der Protokoll-Overhead liegt bei lediglich 36 Bytes. Das TCP/IP basierte iSCSI ohne Jumbo Frames hat folgendes Verhältnis: 1460 Bytes/76 Bytes; mit 9000 Bytes Jumbo Frames: 8960 Bytes/76 Bytes.

Vergleich nach Geschwindigkeiten

Performance

NAME	Übertragungsgeschwindigkeit (GBit/s)	Datendurchsatz (MByte/s) FDX	Effizienz [1]	Erscheinungsjahr
Fibre Channel 1GFC [2]	1,0625	200	97,24 %	1997
iSCSI over Gigabit Ethernet [3]	1,000	250	91,81 % (MTU 1500)	2004
Fibre Channel 2GFC [2]	2,125	400	97,24 %	2001
Fibre Channel 4GFC [2]	4,25	800	97,24 %	2005
Fibre Channel 8GFC[2]	8,5	1600	97,24 %	2008
Fibre Channel 10GFC[2]	10,52	2400	97,24 %	2004
Fibre Channel over 10G Ethernet 10GFCoE[2]	10,52	2400	96,17 % (MTU 2500)	2009
iSCSI over 10G Ethernet[3]	10,00	2500	98,61 % (MTU 9000)	2009
Fibre Channel 20GFC[2]	21,04	5100	97,24 %	2008

Converged 10 GbE

Converged 10 GbE ist ein Standard für Netzwerke bei denen 10 GbE und 10 GbFC verschmolzen sind. Zum Converged Ansatz gehört auch das neue FCoE (Fibre Channel over Ethernet). Dabei werden FC Pakete in Ethernet gekapselt und für diese dann ebenfalls die Converged Ethernettopologie genutzt - z. B. sind dann entsprechend aktualisierte Switches (Paketgrößen) transparent für FC- und iSCSI-Storage sowie für das LAN nutzbar.

Implementierungen

Betriebssystem	Erscheinungsdatum	Version	Unterstützte Techniken
i5/OS	Oktober 2006	i5/OS V5R4M0	Target, Multipath
VMware ESX	Juni 2006	ESX 3.0.0, ESX 3.5, ESX 4	Initiator, Multipath
AIX	Oktober 2002	AIX 5.2 , AIX 5.3 , AIX 6.1	Initiator, Target ( nur AIX 5.3 und hoeher ) , Multipath IBM iSCSI software initiator and software target on AIX 6.1
Windows	Juni 2003	2000, XP Pro, 2003, Vista, 2008, 7	Initiator, Target (nur im Windows Storage Server, Windows Server 2008 R2), Multipath
NetWare	August 2003	NetWare 5.1, 6.5, & OES	Initiator, Target
HP-UX	Oktober 2003	HP 11i v1, HP 11i v2	Initiator
Solaris	Februar 2005	Solaris 10	Initiator, Target, Multipath
Linux	Juni 2005	2.6.12, ab 2.6.38 LIO	Initiator, Target (FCAL, FCoE), Multipath
NetBSD	Februar 2006	4.0, 5.0	Initiator (5.0), Target (4.0), Multipath
FreeBSD	Februar 2008	7.0	Initiator, Target, Multipath
OpenVMS	Februar 2008	8.3-1H1	Initiator, Multipath
Mac OS X	Juli 2008	10.4 - 10.5	Initiator [1]

Ähnliche Standards

• ATA over Ethernet: Bei ATA over Ethernet werden ATA/ATAPI-Pakete in Ethernet gekapselt. Im Unterschied zu iSCSI erfolgt aber keine Kapselung in TCP/IP, hieraus resultieren geringe Performancevorteile, ATAoE ist aber nicht routingfähig.
• Fibre Channel: FC definiert ein nicht routingfähiges Standardprotokoll aus dem Bereich der Speichernetzwerke, das als Nachfolger von SCSI für die Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen konzipiert wurde. FC ist nicht mit Ethernet kompatibel, es wird eine separate Infrastruktur (NICs, Switche, usw.) benötigt.
• Fibre Channel over Ethernet: Bei Fibre Channel over Ethernet werden Fibre Channel-Pakete in Ethernet gekapselt. Im Unterschied zu iSCSI erfolgt aber keine Kapselung in TCP/IP, hieraus resultieren geringe Performancevorteile, jedoch ist FCoE nicht routingfähig.
• Fibre Channel over IP: Bei Fibre Channel over IP werden Fibre Channel-Pakete zusätzlich in TCP/IP gekapselt. FCoIP ist daher routingfähig.
• HyperSCSI: Bei HyperSCSI werden SCSI-Pakete in Ethernet gekapselt. Im Unterschied zu iSCSI erfolgt aber keine Kapselung in TCP/IP, hieraus resultieren geringe Performancevorteile, HyperSCSI ist aber nicht routingfähig.

Weblinks

• LIO - Linux iSCSI Target und Initiator - Upstream ab 2.6.38
• IBM wagt neuen iSCSI-Anlauf auf heise online
• iSCSI Client und Server Implementation Linux-iSCSI (OpenSource) (englisch)
• iSCSI Client Open-iSCSI (OpenSource) (englisch)
• iSCSI Target (iSCSI Software Server für Linux) (englisch)
• RisingTide Systems iSCSI Target und Initiator für Linux basierend auf LIO
• iSCSI / Internet SCSI - IP-SAN Lesenwertes über iSCSI
• Grundlagen zu iSCSI (deutsch)
• Microsoft iSCSI Software Target 3.3 für Windows Server 2008 R2 (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Ujjwal Rajbhandari: Comparing Performance Between iSCSI, FCoE, and FC. In: Enterprise Technology Center. Dell, Oktober 2009, abgerufen am 20. Oktober 2010 (englisch). 
2. ↑ ^{a b c d e f g} Mario Vosschmidt: Storage Trends 2010. LSI Logic GmbH, 2010, abgerufen am 20. Oktober 2010 (PDF). 
3. ↑ ^{a b} RFC 3720: Internet Small Computer Systems Interface (iSCSI). IETF Network Working Group, April 2004, abgerufen am 20. Oktober 2010.