CN101951327B - 一种iSCSI网络系统以及检测网络故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种iSCSI网络系统以及检测网络故障的方法，属于网络存储技术领域，解决复杂的网络环境下发生网络故障后，iSCSI的目标器端的目标器驱动模块如何及时检测到网络故障的问题。本发明在目标器驱动模块中增加设置了连接定时器和探测定时器，利用连接定时器对数据接收和/或数据发送进行连接定时监控，在连接定时器超时后，发送探测帧并同时启动探测定时器，若未收到探测帧应答且探测定时器超时，则表明发生了网络故障，则转入相应的网络故障异常处理流程即可。本发明简便易行，可及时检测发现网络故障并转入异常处理，可增强iSCSI目标器驱动模块和整个存储核心软件的稳定性和可靠性。

Description

一种iSCSI网络系统以及检测网络故障的方法

技术领域

本发明涉及存储网络技术领域，尤其涉及一种iSCSI网络系统以及检测网络故障的方法。

背景技术

Internet小型计算机系统接口iSCSI(Internet Small Computer SystemInterface)协议，是一种基于TCP/IP网络的协议，用来建立和管理IP存储设备、主机和客户机等设备之间的相互连接，并创建存储区域网络(SAN，StorageArea Network)。存储区域网络SAN使得SCSI(小型计算机系统接口，SmallComputer System Interface)协议应用于高速数据传输网络成为可能，这种传输以数据块级别(block-level)在多个数据存储网络间进行。

SCSI结构基于客户端/服务器(Client/Server)模式，其通常应用环境是：设备之间互相靠近，并且这些设备由SCSI总线连接。iSCSI的主要功能是在TCP/IP网络上的主机系统(启动器，Initiator)和存储设备(目标器，Target)之间进行大量数据的封装和可靠传输过程，如图1所示。启动器(Initiator)即典型的主机系统，用于发出读、写数据请求；目标器(Target)即磁盘阵列之类的存储设备，用于响应客户端的请求。目标器和启动器通过TCP/IP网络及相应网关设备进行连接，进行数据收发过程。此外，iSCSI协议还提供了在IP网络封装的SCSI命令，且运行在TCP层上。

传输控制协议/因特网互联协议(TCP/IP，Transmission ControlProtocol/Internet Protocol)，是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP是一个两层的协议，其中：高层为传输控制协议TCP，它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包，这些包通过网络传送到接收端的TCP层，接收端的TCP层把包还原为原始文件；低层是网际协议，即IP层，它处理每个包的地址部分，使这些包能够正确到达目的地。网络上的网关计算机根据信息的地址来进行路由选择。即使来自同一文件的分包，其各自路由也有可能不同，但最后会在目的地汇合。TCP/IP使用客户端/服务器模式进行通信。

iSCSI技术的核心是在TCP/IP网络上传输SCSI协议，具体而言，就是在网络上封包和解包的过程中，在网络的发送端，iSCSI数据包被封装成包括TCP/IP头、iSCSI的PDU包头以及携带的SCSI命令或数据包，并将封装后的iSCSI数据包传输到网络的接收端；在网络的接收端，对接收到的iSCSI数据包再顺序地解包，上传给SCSI层协议。

由于iSCSI技术主要使用的是TCP/IP网络，因此网络的稳定性对于iSCSI技术来说极其重要。在目前大多数iSCSI存储系统中，特别是在IP SAN存储网络中，iSCSI协议都需要应用在复杂的网络环境下，此时IP-SAN的网络专指iSCSI-SAN，指的就是一种iSCSI磁盘阵列所构建的IP网络。而在复杂的网络环境中，总会出现各种网络故障。所述网络故障是指某一启动器与某一目标器之间或者某一启动器与多个目标器之间的网络连接故障，包括网线断掉，网线破损，交换机路由器死机，以及主机宕机或重启等等。

如果网络发生故障，iSCSI层没有及时有效的获知这种连接故障的情况，那么iSCSI目标器的驱动模块的连接状态以及申请的内存资源都会继续存在。在网络恢复正常后，启动器需要重新进行连接，就会发现iSCSI目标器依然保存着原来的连接，就会拒绝该启动器的连接，同时造成整个目标器的驱动软件出现死锁现象，无法进行正常的使用，更严重的会造成死机。这不但会造成iSCSI目标器的资源浪费，甚至影响整个存储核心软件的稳定性和可靠性。

现有的iSCSI目标器驱动模块实现中，并没有可以及时有效的判断网络当前所处状态的方法，因此，就需要一种在复杂网络环境下及时检测网络故障的技术方案，以便及时了解网络状态，检测到网络故障时能够及时做出正确处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，一种iSCSI网络系统以及检测网络故障的方法，用于解决复杂的网络环境下如何及时发现网络故障并做出相应故障处理的问题。

为了解决上述问题，本发明提出了一种利用iSCSI协议检测网络故障的方法，包括：

在iSCSI目标器与启动器之间建立网络连接时，初始化连接定时器，并在启动内核线程后启动连接定时器；

所述目标器在连接定时器超时，启动探测定时器并向启动器发送探测帧；若所述目标器未收到探测帧应答且探测定时器超时，则判定网络发生故障，进入网络故障异常处理流程。

所述方法进一步包括：所述目标器在连接定时器未超时且又有数据接收或数据发送时，修改连接定时器的超时时间，启动进行数据接收或数据发送。

所述方法进一步包括：所述目标器若收到探测帧应答，则关闭探测定时器，进一步判断是否还有数据需要接收，若有则关闭探测定时器，重新启动连接定时器。

所述探测帧是iSCSI协议中定义的NOP-IN帧。

本发明还提供一种iSCSI网络系统，包括：一个或多个目标器，一个或多个启动器，所述启动器通过TCP/IP网络、网关设备与所述目标器连接；

所述目标器，用于在与启动器之间建立网络连接时，初始化连接定时器，并在启动内核线程后启动连接定时器，在所述连接定时器超时，用于启动探测定时器并向启动器发送探测帧，若所述目标器未收到探测帧应答且探测定时器超时，则判定网络发生故障，进入网络故障异常处理流程；

所述启动器，用于与目标器建立网络连接进行数据接收或数据发送交互，在收到所述探测帧时向目标器返回探测帧应答。

所述目标器在连接定时器未超时且又有数据接收或数据发送时，用于修改连接定时器的超时时间，启动进行数据接收或数据发送。

所述目标器在收到探测帧应答时，关闭探测定时器，并进一步判断是否还有数据需要接收，若有则关闭探测定时器，重新启动连接定时器。

本发明还提供一种iSCSI网络系统的目标器，包括：存储装置以及驱动模块，还包括与驱动模块相连的用户态建立连接程序模块和网络协议处理系统模块；所述驱动模块包括数据接收处理子系统、数据发送处理子系统、以及用于处理网络故障的异常处理模块；其中：

所述数据接收处理子系统，包括连接定时器和接收系统调度模块，

所述数据发送处理子系统，包括探测定时器和发送系统调度模块，

所述连接定时器在目标器与启动器之间建立网络连接时初始化并在启动内核线程后启动；

所述数据发送处理子系统在连接定时器超时时，向启动器发送探测帧，探测定时器在发送探测帧后启动；

所述数据发送处理子系统在探测定时器超时且数据接收处理子系统未收到探测帧应答时，调用异常处理模块。

所述驱动模块在数据接收结束时进入接收系统调度模块，或者在数据发送结束时进入发送系统调度模块，产生空闲状态，接收系统调度模块或发送系统调度模块在空闲状态相应地启动连接定时器。

若所述探测定时器未发生超时，所述数据接收处理子系统收到了启动器的探测帧应答，指示所述连接定时器重新启动进行定时。

本发明的技术方案，在iSCSI目标器的驱动模块中增加两个定时器，即连接定时器和探测定时器，通过内核定时器机制，可发现网络异常，并及时有效的做出相应的异常处理，从而实现网络故障检测。相比于现有技术，本发明可通过目标器的驱动模块主动探测是否发生网络故障，一方面目标器可获得正确的网络状态，另一方面也可加快发生网络故障时的处理进程，及时消除网络故障。由于本发明实现了iSCSI目标器驱动模块对网络状态的探测，从而可增强iSCSI目标器驱动模块和整个存储核心软件的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是iSCSI网络的架构示意图；

图2是iSCSI网络的目标器结构示意图；

图3是iSCSI网络实现检测网络故障的连接定时器启动图；

图4是iSCSI网络实现检测网络故障的接收子系统图；

图5是iSCSI网络实现检测网络故障的发送子系统图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

本发明针对复杂的网络环境下发生网络故障后，如何保证iSCSI的目标器端的目标器驱动模块及时检测到网络故障的问题，提出了一种目标器驱动模块主动检测网络连接是否发生故障的技术方案。在目标器驱动模块中增加设置了连接定时器和探测定时器，利用连接定时器对数据接收和/或数据发送进行连接定时监控，在连接定时器超时后，发送探测帧并同时启动探测定时器，若未收到探测帧应答且探测定时器超时，则表明发生了网络故障，则转入相应的网络故障异常处理流程即可。

由于本发明实现了目标器驱动模块对网络故障的主动检测，故而可以及时发现网络故障，获知网络状态，进行网络异常故障处理，从而保证内核资源的正确使用以及整个存储核心软件的稳定性和可靠性。

通常，某一目标器与某一启动器之间可以建立连接，或者某一目标器可与多个启动器之间建立连接，因为每个连接都有自己申请的资源，因此也会同时申请针对每个连接的连接定时器和探测定时器。当多个启动器同时出现网络故障时，那么iSCSI目标器的驱动模块可通过软件轮询的方式查找到每个超时的连接，从而释放申请的资源以及解除整个目标器驱动模块软件对申请资源锁定状态。因而本发明的网络故障检测方案具有很强的适用性及灵活性。

如图2所示，显示了iSCSI网络的目标器结构示意图。针对图1所示的目标器，每一目标器都具有相应的存储装置以及驱动模块，还包括与驱动模块相连的用户态连接程序模块和网络协议处理系统模块。

其中，所述目标器驱动模块包括：数据接收处理子系统、数据发送处理子系统、以及用于处理网络故障的异常处理模块。所述数据接收处理子系统，包括连接定时器及接收系统调度模块；所述数据发送处理子系统，包括探测定时器及发送系统调度模块。

如图3所示，用户态建立连接程序模块主要用于创建SOCKET、POLL监听、建立TCP连接和解除TCP连接释放资源。在用户态建立连接程序模块建立TCP连接后通过IOCTL用户态和内核交互的接口传入到内核中，在内核态下建立TCP连接，初始化连接定时器，设定连接定时的超时时间(比如设为10秒)，启动内核线程，最后启动连接定时器，等待接收启动器端发送的数据包。用户态只是连接TCP连接，并没有启动定时器，启动定时器的操作是在内核态下实现的。

在图2所示的所述目标器驱动模块中：

所述数据接收处理子系统，用于接收启动器发送的iSCSI PDU数据，进行解包处理，系统调用等待连接定时器的超时，以及判断是否需要启动探测定时器等。

所述数据发送处理子系统，用于将iSCSI目标器驱动模块的iSCSI PDU数据发送到启动器，对iSCSI PDU进行封包，以及探测帧的发送处理，调用异常处理模块进行网络异常处理等。

在目标器驱动模块中，只要数据接收或数据发送结束，驱动模块就会进入相应的系统调度模块，从而产生空闲状态，接收系统调度模块或发送系统调度模块在空闲状态会相应地启动连接定时器。

如果在连接定时器未到达超时时刻时，就有数据接收或发送的发生，则连接定时器会被iSCSI目标器驱动模块重新复位超时时间。

如果连接定时器发生超时，则就开始进入探测网络状态阶段，由数据发送处理子系统向启动器发送探测帧，在发送探测帧后，会启动探测定时器：

若探测定时器未发生超时，数据接收处理子系统就收到了启动器的探测帧应答，则又重新进入连接定时器阶段；

若探测定时器发生超时，则就说明发生网络故障，数据发送处理子系统调用异常处理模块，进入连接异常处理流程。

基于图2所示的iSCSI目标器驱动模块的结构，本发明的利用iSCSI协议检测网络故障的方法，包括：

在iSCSI目标器与启动器之间建立网络连接时，初始化连接定时器，并在启动内核线程后启动连接定时器；

若连接定时器超时，则启动探测定时器，并向启动器发送探测帧；

若iSCSI目标器未收到探测帧应答且探测定时器超时，则判定网络发生故障，进入网络故障异常处理流程。

所述方法进一步包括：若连接定时器未超时且又有数据接收或数据发送，则修改连接定时器的超时时间，启动进行数据接收或数据发送。

所述方法进一步包括：若iSCSI目标器收到探测帧应答，则关闭探测定时器，进一步判断是否还有数据需要接收，若有则关闭探测定时器，重新启动连接定时器。

在所述检测网络故障的方法中，数据接收及所述探测帧应答接收由数据接收处理子系统处理，数据发送及所述探测帧发送由数据发送子系统处理。

本发明的检测网络故障的方法，可以针对无数据传输，数据接收，数据发送，数据收发四种应用场景下进行实施，下面结合具体实施例，对具体应用场景的检测方法进行详细说明。

实施例1：网络无数据状态时，检测网络故障

参见附图3、图4、图5，iSCSI目标器的驱动模块会在启动连接定时器后，开始等待接收启动器发送的数据，如果iSCSI目标器在间隔10s(即连接定时器设定的超时时间)后仍未收到启动器发送的数据，此时可能启动器已经发送数据或者启动器并未发送数据，不管是哪种可能，连接定时器都会超时，从而启动探测定时器，通过iSCSI数据向启动器发送子系统发送网络探测帧，进行网络状态的探测：

如果探测定时器未超时且收到启动器的探测帧应答数据包，则删除探测定时器，重新调整连接定时器的超时时间；

如果在发送探测定时器5s(即探测定时器设定的超时时间)后，还未收到启动器的应答数据包，则判定在无数据收发情况下，网络已经发生故障，则进入异常处理模块，进入网络异常处理。

实施例2：数据接收状态时，检测网络故障

参见附图4、图5，iSCSI目标器的驱动模块从网络协议处理子系统模块中接收到启动器发送的iSCSI PDU包后，就进入iSCSI数据接收处理子系统，对接收的数据包进行解析等处理。

如果此时发生网络故障，则会进入系统调度阶段，等待连接定时器的超时，其中：

如果连接定时器没有发生超时，就返回iSCSI数据接收处理子系统；

如果连接定时器超时，就开始启动探测定时器，并发送探测帧给启动器。如果iSCSI目标器接收到启动器的探测帧应答数据包，则关闭探测定时器，否则就说明网络已经发生故障，此时就进入iSCSI网络故障异常处理流程。

实施例3：数据发送状态时，检测网络故障

iSCSI目标器的驱动模块从网络子系统准备把iSCSI PDU包发送到启动器，就进入iSCSI数据发送处理子系统，主要是对发送的数据进行封包等处理。

如果此时发生网络故障，则会进入系统调度阶段，等待连接定时器的超时，其中：

如果连接定时器没有发生超时，就返回iSCSI数据发送处理子系统；

如果连接定时器超时，就开始启动探测定时器，并发送探测帧给启动器。如果iSCSI目标器的驱动模块接收启动器的探测帧应答数据包，则关闭探测定时器，否则就说明网络已经发生故障，此时就进入iSCSI网络故障异常处理流程。

实施例4：数据收发状态时，检测网络故障

如果iSCSI目标器驱动模块处于数据收发状态，此时数据流是双向，从主机发送到磁阵，同时也从磁阵发送到主机，这种情况下网络出现故障，由于操作系统都是分时处理数据的，因此此时数据流的处理要么处于数据接收处理子系统，要么处理数据发送处理子系统，那么iSCSI目标器驱动模块会根据当前所处的子系统进行启动连接定时器、探测定时器和发送探测帧进行网络状态的查询，如果网络发生了故障，则转入进行相应的异常处理流程。

由于收发状态是分时进行，因此可在数据接收时采用实施例2的技术方案，数据发送时采用实施例3的技术方案。

在上述1-4的实施例中，在数据收发的过程中已经启动定时器，启动器定时时间跟数据收发的长短无关，当有数据收发存在的情况下，定时器会重新恢复原来的定时时间(比如原来时间间隔为10秒)，从而定时器不会触发定时器操作函数。在需要数据接收的情况，TCP/IP层会通知iSCSI层，通过回调函数机制，唤醒内核线程接收数据；在需要发送数据的情况，SCSI层会通知iSCSI层，也是通过回调函数机制，唤醒内核线程发送数据。

探测帧是iSCSI协议中定义的一种帧格式，即NOP-IN帧，无需携带数据。本发明中，启动探测器是因为连接定时器超时时网络无数据状态，可能存在网络故障。本发明通过启动探测器后发送探测帧去检测网络状态，如果收到启动器的探测帧应答数据包，说明网络状态是正常的，如果没有收到探测帧应答数据包说明网络发生故障，接着进入异常处理流程，异常处理流程与具体的存储驱动软件实现相关，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种利用iSCSI协议检测网络故障的方法，包括：

在iSCSI目标器与启动器之间建立网络连接时，初始化连接定时器，并在启动内核线程后启动连接定时器；

所述目标器在连接定时器超时，启动探测定时器并向启动器发送探测帧；若所述目标器未收到探测帧应答且探测定时器超时，则判定网络发生故障，进入网络故障异常处理流程；

所述方法进一步包括，所述目标器在连接定时器未超时且又有数据接收或数据发送时，修改连接定时器的超时时间，启动进行数据接收或数据发送。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

所述目标器若收到探测帧应答，则关闭探测定时器，进一步判断是否还有数据需要接收，若有则关闭探测定时器，重新启动连接定时器。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，

所述探测帧是iSCSI协议中定义的NOP-IN帧。

4.一种iSCSI网络系统，包括：一个或多个目标器，一个或多个启动器，所述启动器通过TCP/IP网络、网关设备与所述目标器连接；

所述目标器，用于在与启动器之间建立网络连接时，初始化连接定时器，并在启动内核线程后启动连接定时器，在所述连接定时器超时，用于启动探测定时器并向启动器发送探测帧，若所述目标器未收到探测帧应答且探测定时器超时，则判定网络发生故障，进入网络故障异常处理流程；

所述启动器，用于与目标器建立网络连接进行数据接收或数据发送交互，在收到所述探测帧时向目标器返回探测帧应答；

所述目标器在连接定时器未超时且又有数据接收或数据发送时，用于修改连接定时器的超时时间，启动进行数据接收或数据发送。

5.如权利要求4所述的网络系统，其特征在于，

所述目标器在收到探测帧应答时，关闭探测定时器，并进一步判断是否还有数据需要接收，若有则关闭探测定时器，重新启动连接定时器。

6.一种iSCSI网络系统的目标器，包括：存储装置以及驱动模块，还包括与驱动模块相连的用户态建立连接程序模块和网络协议处理系统模块；所述驱动模块包括数据接收处理子系统、数据发送处理子系统、以及用于处理网络故障的异常处理模块；其特征在于，

所述数据接收处理子系统，包括连接定时器和接收系统调度模块，

所述数据发送处理子系统，包括探测定时器和发送系统调度模块，

所述连接定时器在目标器与启动器之间建立网络连接时初始化并在启动内核线程后启动；

所述数据发送处理子系统在连接定时器超时时，向启动器发送探测帧，探测定时器在发送探测帧后启动；

所述数据发送处理子系统在探测定时器超时且数据接收处理子系统未收到探测帧应答时，调用异常处理模块；

若所述探测定时器未发生超时，所述数据接收处理子系统收到了启动器的探测帧应答，指示所述连接定时器重新启动进行定时。

7.如权利要求6所述的目标器，其特征在于，

所述驱动模块在数据接收结束时进入接收系统调度模块，或者在数据发送结束时进入发送系统调度模块，产生空闲状态，接收系统调度模块或发送系统调度模块在空闲状态相应地启动连接定时器。

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