ISCSI (Internet Small Computer System Interface) e suas aplicações

Índice:

• O que é iSCSI (Internet Small Computer System Interface)?
• Como o protocolo iSCSI funciona na prática
• Arquitetura e requisitos para uma rede iSCSI
• iSCSI Target e Initiator: os papéis na comunicação
• Diferenças entre iSCSI, Fibre Channel e NFS
• Aplicações do armazenamento em bloco com iSCSI
• Desempenho e latência no protocolo iSCSI
• iSCSI com iSER para baixa latência
• Limitações e riscos em ambientes iSCSI
• Configurando um Storage iSCSI em um NAS QNAP
• Otimizando a infraestrutura para iSCSI

Muitas empresas precisam expandir a capacidade para seus servidores sem recorrer a complexas e caras redes Fibre Channel. Essa necessidade por armazenamento compartilhado e acessível impulsiona a busca por soluções que utilizem a infraestrutura Ethernet existente. Como resultado, o desempenho do armazenamento torna-se um gargalo para aplicações críticas como bancos de dados e virtualização.

O protocolo iSCSI transporta comandos SCSI sobre redes TCP/IP. Por isso ele transforma o armazenamento em rede em um recurso que os servidores enxergam como um disco local. Essa abordagem simplifica muito a expansão da capacidade e a gestão do armazenamento.

Assim, o iSCSI consolida-se como uma alternativa viável para construir uma SAN (Storage Area Network) com equipamentos e conhecimentos já presentes na maioria das equipes de TI.

O que é iSCSI (Internet Small Computer System Interface)?

O iSCSI é um protocolo para redes de armazenamento que transporta comandos SCSI por redes TCP/IP. Ele permite que servidores acessem dispositivos de armazenamento em bloco, como um Storage NAS ou SAN, pela rede Ethernet como se fossem discos rígidos locais. Essa tecnologia basicamente encapsula os comandos SCSI em pacotes TCP/IP para transmiti-los através da infraestrutura de rede padrão.

Na prática, o funcionamento do iSCSI envolve dois componentes principais. O primeiro é o "iniciador" (initiator), um software ou hardware no servidor que origina as requisições SCSI. O segundo é o "alvo" (target), o dispositivo de armazenamento que responde a essas requisições. Quando o iniciador se conecta ao alvo, o sistema operacional do servidor identifica o armazenamento remoto como um disco local, pronto para ser formatado e utilizado por qualquer aplicação.

A grande vantagem dessa arquitetura é sua flexibilidade. Diferente do Fibre Channel que exige hardware específico como HBAs e switches dedicados, o iSCSI opera sobre a mesma infraestrutura Ethernet usada para o tráfego comum. Por exemplo, uma empresa pode usar suas portas 10GbE ou 25GbE existentes para criar uma SAN de alta performance com um custo bastante reduzido.

Como o protocolo iSCSI funciona na prática

O processo do iSCSI começa quando um servidor, o iniciador, precisa ler ou escrever dados em um volume de armazenamento. O iniciador iSCSI, que pode ser um software integrado ao sistema operacional ou uma placa de rede especializada, cria um comando SCSI. Esse comando contém a instrução para a operação com o disco, como ler um bloco específico ou escrever novos dados.

Em seguida, o protocolo encapsula esse comando SCSI dentro de um pacote TCP/IP. Esse pacote é então enviado pela rede Ethernet padrão, passando por switches e roteadores, até chegar ao seu destino, o alvo iSCSI. O alvo, geralmente um storage NAS como um equipamento QNAP, recebe o pacote TCP/IP, remove o cabeçalho da rede e extrai o comando SCSI original. O storage executa a operação solicitada em seus discos e envia a resposta pelo mesmo caminho.

Para o servidor, todo esse processo é transparente. O sistema operacional interage com o volume iSCSI como se ele fosse um disco físico conectado diretamente ao barramento do sistema. Por isso, aplicações como bancos de dados ou sistemas de virtualização funcionam perfeitamente com o armazenamento iSCSI, sem qualquer modificação. Essa simplicidade torna a implementação de uma SAN muito mais acessível.

Arquitetura e requisitos para uma rede iSCSI

Para implementar uma rede iSCSI com bom desempenho, alguns requisitos são fundamentais. Embora o protocolo funcione em qualquer rede Ethernet, o ideal é usar uma rede fisicamente separada ou uma VLAN (Virtual LAN) dedicada. Essa separação evita que o tráfego de armazenamento concorra com o tráfego regular dos usuários, o que poderia causar latência e instabilidade.

A largura de banda também é um fator decisivo. Redes 1GbE podem ser suficientes para cargas de trabalho leves, mas para ambientes de virtualização ou bancos de dados, redes 10GbE, 25GbE ou mais rápidas são quase obrigatórias. Além disso, o uso de switches gerenciáveis que suportam recursos como Jumbo Frames e QoS (Quality of Service) melhora muito a eficiência. Jumbo Frames, por exemplo, aumentam o tamanho do payload por pacote, reduzindo o overhead do protocolo e a carga na CPU.

Outro ponto importante é a redundância. Configurar múltiplos caminhos para o armazenamento com a tecnologia MPIO (Multipath I/O) é uma prática recomendada. Com o MPIO, o servidor pode usar várias interfaces de rede simultaneamente para se conectar ao alvo iSCSI. Isso não apenas aumenta o throughput total, mas também garante a continuidade do serviço caso uma das conexões de rede falhe.

iSCSI Target e Initiator: os papéis na comunicação

Em uma arquitetura iSCSI, os papéis do "Target" e do "Initiator" são bem definidos e complementares. O iSCSI Initiator é o cliente na comunicação. Ele reside no servidor que precisa de acesso ao armazenamento e é responsável por iniciar as sessões iSCSI. Geralmente, o iniciador é um componente de software já incluído em sistemas operacionais como Windows Server, Linux ou VMware ESXi.

Por outro lado, o iSCSI Target é o servidor de armazenamento que fornece os recursos. Um Storage NAS QNAP, por exemplo, atua como um Target ao criar e expor volumes de armazenamento, conhecidos como LUNs (Logical Unit Numbers), na rede. Cada LUN aparece para o Initiator como um disco rígido individual. O Target gerencia o acesso a esses LUNs e executa os comandos de leitura e escrita solicitados pelos iniciadores.

A conexão entre eles é estabelecida por meio de um processo de login. O Initiator descobre os Targets disponíveis na rede e estabelece uma sessão. Para segurança, essa conexão pode ser autenticada usando o protocolo CHAP (Challenge-Handshake Authentication Protocol), que garante que apenas iniciadores autorizados consigam acessar os LUNs. Essa estrutura simples de cliente-servidor torna a configuração do iSCSI bastante direta.

Diferenças entre iSCSI, Fibre Channel e NFS

A escolha entre iSCSI, Fibre Channel (FC) e NFS depende muito da aplicação, do orçamento e da infraestrutura existente. O iSCSI e o Fibre Channel são protocolos de armazenamento em bloco, o que significa que eles apresentam volumes inteiros para os servidores. Já o NFS é um protocolo de armazenamento em arquivo, que compartilha diretórios e arquivos individuais. Essa é a principal diferença conceitual entre eles.

O Fibre Channel é historicamente a solução padrão para SANs de alta performance, oferecendo latência muito baixa e alta confiabilidade. No entanto, ele exige uma infraestrutura completamente separada e cara, com adaptadores HBA (Host Bus Adapter), cabos de fibra óptica e switches FC dedicados. O iSCSI, por sua vez, oferece uma performance comparável em redes de alta velocidade, como 25GbE ou 40GbE, mas com o custo muito menor por usar a infraestrutura Ethernet padrão.

O NFS, por ser um protocolo de compartilhamento de arquivos, é mais simples de gerenciar e ideal para cenários onde múltiplos clientes precisam acessar o mesmo conjunto de arquivos, como em servidores web ou repositórios de documentos. Porém, para aplicações que exigem acesso direto ao bloco, como bancos de dados ou sistemas de virtualização que precisam formatar seus próprios sistemas de arquivos (VMFS no VMware), o armazenamento em bloco do iSCSI ou do FC é quase sempre a melhor escolha.

Aplicações do armazenamento em bloco com iSCSI

O armazenamento em bloco oferecido pelo iSCSI é ideal para várias aplicações críticas. Uma das mais comuns é a virtualização. Hipervisores como VMware vSphere, Microsoft Hyper-V e Proxmox podem usar LUNs iSCSI para armazenar os discos virtuais das máquinas virtuais (VMs). Isso centraliza o armazenamento, simplifica o gerenciamento e habilita recursos avançados como vMotion ou Live Migration, que movem VMs entre hosts físicos sem tempo de inatividade.

Bancos de dados, como Microsoft SQL Server e Oracle, também se beneficiam muito do armazenamento iSCSI. Essas aplicações realizam um grande volume de operações de I/O aleatórias, e o acesso em nível de bloco do iSCSI proporciona um desempenho superior e uma latência menor em comparação com protocolos baseados em arquivo. O servidor de banco de dados tem controle total sobre o sistema de arquivos no LUN, o que otimiza as operações de leitura e escrita.

Outra aplicação interessante é o "Boot from SAN". Com essa configuração, um servidor pode ser inicializado diretamente de um LUN iSCSI na rede, eliminando a necessidade de discos locais. Isso simplifica a substituição de hardware, pois um novo servidor pode ser configurado para inicializar a partir do mesmo LUN, mantendo o sistema operacional, as aplicações e os dados intactos. Essa abordagem aumenta a disponibilidade e facilita a recuperação em caso de falha do servidor.

Desempenho e latência no protocolo iSCSI

O desempenho do iSCSI é diretamente influenciado pela qualidade e velocidade da rede. Em uma rede 1GbE, o throughput teórico é limitado a cerca de 125 MB/s, o que pode ser um gargalo para muitas aplicações. Ao migrar para uma rede 10GbE, esse limite sobe para aproximadamente 1.25 GB/s, um salto significativo que atende a maioria das cargas de trabalho de virtualização e bancos de dados. Redes de 25GbE ou mais rápidas elevam ainda mais essa capacidade.

A latência, por outro lado, é afetada pelo processamento do TCP/IP. Cada comando SCSI precisa ser encapsulado, transmitido e depois desencapsulado, o que consome ciclos de CPU tanto no iniciador quanto no alvo. Em redes congestionadas ou com switches de baixa qualidade, a latência pode aumentar, afetando a responsividade das aplicações. Por isso, o uso de uma rede dedicada e de switches com buffers adequados é tão importante.

Para mitigar esses desafios, tecnologias como MPIO (Multipath I/O) podem ser usadas para agregar a largura de banda de múltiplas portas de rede. Por exemplo, um servidor com duas interfaces de 10GbE conectadas a um storage QNAP com duas portas 10GbE pode, teoricamente, atingir um throughput agregado próximo a 20GbE. Além de melhorar o desempenho, o MPIO também oferece failover automático, mantendo a conexão ativa se um dos caminhos falhar.

iSCSI com iSER para baixa latência

Para ambientes que exigem latência ultrabaixa, o iSER (iSCSI Extensions for RDMA) surge como uma evolução do iSCSI tradicional. O iSER utiliza a tecnologia RDMA (Remote Direct Memory Access) para contornar a pilha de processamento TCP/IP do sistema operacional. Isso significa que os dados são transferidos diretamente da memória do iniciador para a memória do alvo, sem envolver a CPU em operações de cópia.

O resultado é uma redução drástica na latência e no consumo de CPU. Em testes de campo, o iSER pode diminuir a latência em mais de 50% e reduzir a carga na CPU em até 80% em comparação com o iSCSI sobre TCP. Isso libera recursos do servidor para as aplicações, em vez de gastá-los com o processamento da rede de armazenamento. A performance se aproxima muito daquela obtida com o caro Fibre Channel, mas ainda sobre a infraestrutura Ethernet.

Para usar o iSER, tanto o iniciador quanto o alvo precisam de placas de rede (NICs) que suportem RDMA, como as tecnologias RoCE (RDMA over Converged Ethernet) ou iWARP. Muitos storages QNAP modernos já vêm com interfaces de alta velocidade compatíveis com RDMA ou podem ser expandidos com placas de rede adicionais, tornando o iSER uma opção viável para acelerar ambientes de virtualização e bancos de dados de alta performance.

Limitações e riscos em ambientes iSCSI

Apesar de suas vantagens, uma implementação iSCSI mal planejada pode apresentar alguns riscos. O principal é o congestionamento da rede. Se o tráfego iSCSI compartilhar a mesma rede com outros serviços, picos de uso podem degradar o desempenho do armazenamento e afetar todas as aplicações. A utilização de uma rede dedicada ou de VLANs com QoS é a forma mais eficaz para mitigar esse problema.

A segurança também é uma preocupação. Como o iSCSI transmite dados pela rede, é fundamental proteger o acesso aos LUNs. A autenticação CHAP é o método mais comum para garantir que apenas servidores autorizados possam se conectar aos alvos. Além disso, a segmentação da rede, isolando o tráfego de armazenamento, adiciona uma camada extra de proteção contra acessos não autorizados.

Outro risco é a existência de pontos únicos de falha. Se um servidor se conecta ao storage através de um único switch ou uma única interface de rede, a falha desse componente interromperá o acesso ao armazenamento. Por isso, a implementação de redundância com switches empilhados, fontes de alimentação redundantes no storage e o uso do MPIO para múltiplos caminhos de rede são práticas essenciais para construir uma SAN iSCSI resiliente e de alta disponibilidade.

Configurando um Storage iSCSI em um NAS QNAP

Configurar um storage iSCSI em um NAS QNAP é um processo bastante direto graças à interface do sistema operacional QTS ou QuTS hero. O primeiro passo é criar um LUN iSCSI. Dentro do painel de controle "iSCSI & Fibre Channel", o administrador pode definir o tamanho do LUN, se ele terá provisionamento "thick" (espaço totalmente alocado) ou "thin" (espaço alocado sob demanda), e associá-lo a um alvo iSCSI.

Em seguida, é preciso configurar o alvo iSCSI. O sistema permite criar um novo alvo ou usar um existente. Durante a configuração, é possível habilitar a autenticação CHAP, definindo um nome de usuário e uma senha para proteger o acesso. Também é recomendado atribuir o alvo a interfaces de rede específicas, preferencialmente aquelas dedicadas ao tráfego de armazenamento, para garantir o melhor desempenho possível.

Com o alvo e o LUN criados no QNAP, o passo final é configurar o iniciador iSCSI no servidor. No Windows Server, por exemplo, basta abrir a ferramenta "iSCSI Initiator", inserir o endereço IP do QNAP no portal de descoberta e conectar-se ao alvo. Uma vez conectado, o LUN aparecerá no "Gerenciamento de Disco" como um novo disco não alocado, pronto para ser inicializado, particionado e formatado. Esse processo simples transforma o NAS QNAP em um poderoso e centralizado storage em bloco para toda a rede.

Otimizando a infraestrutura para iSCSI

Para extrair o máximo de uma infraestrutura iSCSI, a otimização vai além da simples conexão. A escolha correta dos componentes de rede é o ponto de partida. Switches com baixa latência, alto backplane e buffers generosos são essenciais para evitar o descarte de pacotes durante picos de tráfego. O uso de Jumbo Frames (MTU de 9000) em toda a cadeia, do iniciador ao alvo, também reduz o overhead e melhora o throughput.

A configuração do MPIO é outra otimização crítica. Ao configurar múltiplas sessões iSCSI a partir de diferentes interfaces de rede no servidor para diferentes IPs no storage, é possível balancear a carga e aumentar a resiliência. Muitos sistemas operacionais modernos possuem políticas de balanceamento de carga para MPIO, como Round Robin, que distribui as requisições de I/O entre os caminhos disponíveis, dobrando ou quadruplicando a largura de banda efetiva.

Finalmente, o monitoramento contínuo do desempenho é fundamental. Ferramentas de análise de rede e os próprios painéis de controle dos storages QNAP fornecem métricas valiosas sobre latência, IOPS e throughput. Analisar esses dados ajuda a identificar gargalos, seja em um switch sobrecarregado, em uma configuração de MPIO incorreta ou em um LUN com desempenho insuficiente. Com base nessa análise, é possível ajustar a infraestrutura para atender às demandas das aplicações. Dimensionar corretamente a SAN iSCSI desde o início, considerando o crescimento futuro, é a resposta para uma operação estável e eficiente.

A escolha e a configuração de uma SAN iSCSI envolvem muitas variáveis, desde a velocidade da rede até as necessidades específicas de cada aplicação. Para garantir que sua infraestrutura de armazenamento atenda aos requisitos de desempenho, disponibilidade e segurança, uma análise técnica detalhada é indispensável. Fale com um de nossos especialistas para projetar a solução ideal para seu ambiente.