`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Fibre Channel over Ethernet, или Пополнение в свите короля

Статья опубликована в №5 (622) от 5 февраля

0 
 

Историю Ethernet впору сравнить с историей Золушки. Начав свою «карьеру» в качестве конторских сетей, эта технология вскоре стала основой корпоративных ЛВС и распространяется в качестве магистральной в сетях масштаба города (Metro Ethernet Networks). И в наши дни продолжается успешное завоевание новых территорий – Ethernet вторгается в стоявшие дотоле особняком сети хранения данных (SAN).

Чем же привлекательна технология Fibre Channel?

Fibre Channel over Ethernet, или Пополнение в свите короля
Рис. 1. Сравнительные стеки протоколов

В последние десять лет Fibre Channel (FC) стала признанной во всем мире технологией для построения SAN. На ее основе создан целый ряд инноваций в области систем хранения данных, включая высокопроизводительную поблочную передачу, высокую доступность к системам хранения, простоту операций резервирования и защиты, высокоуровневые сервисы, базированные на виртуализации и мощных утилитах управления. Инсталлированная база FC во всем мире оценивается более чем в 10 млн портов.

Такого успеха удалось достичь благодаря тому, что с помощью FC было решено много трудных проблем, связанных с блочным характером обмена с дисковыми массивами. Прежде всего это использование архитектуры канала, заимствованной из мира мэйнфреймов. Канал имеет высокую пропускную способность и отличается низкими издержками протокола, что позволяет эффективно доставлять значительные массивы данных. Чтобы обеспечить устойчивую производительность, технология имеет внутренние механизмы, такие как разрешение на очередную передачу данных между буферами (buffer-to-buffer credit), служащее для минимизации потенциальных эффектов перегрузки сети. При потере фрейма FC не останавливается для повторной его передачи, подобно TCP, а просто ретранслирует всю последовательность фреймов на мультигигабитовых скоростях. Для улучшения транзакций между инициаторами (серверами) и исполнителями (системами хранения) технология FC впервые предоставила для SAN такие специфические для систем хранения механизмы, как автоматическая адресация, обнаружение устройств, формирование связной архитектуры при соединении коммутаторов (fabric building) и извещение об изменении состояния.

FC ввела также набор высокоуровневых сервисов для надежного масштабирования и обеспечения высокой доступности коммутационной фабрики. Стабильный транспорт поддерживается протоколами маршрутизации, которая базируется на политиках, аппаратным транкингом, виртуальными коммутационными матрицами и изоляцией неисправностей. В целом, стандарт FC и совместимые с ним продукты оптимизированы для обеспечения максимальной производительности и доступности устройств хранения.

Сочетание этих качеств привело к тому, что FC завоевала позицию основной сетевой технологии при построении корпоративных систем хранения с топологией SAN.

Так в чем же дело?

В современных центрах данных компании используют как сети Ethernet (в качестве транспорта для локальных IP-сетей), так и FC для SAN. Каждая из них предназначена для определенных задач: сети Ethernet – для передачи относительно небольших объемов данных между конечными пользователями или в кластерной вычислительной среде, SAN – когда требуется обеспечить хранение и управление большими объемами данных и блочный доступ к ним ряда приложений. В такой гетерогенной сетевой среде сохраняются преимущества SAN: а) централизованное управление, безопасность и администрирование ресурсов; б) унифицированное выполнение служебных задач, таких как периодическое резервирование; в) эффективная утилизация ресурсов хранения.

Однако популярная нынче в IT игра под названием «виртуализация» коснулась и центров данных. В связи с этим повысился спрос на FC-соединения с виртуальными хостами, располагающимися на серверах. Это связано, в частности, с тем, что гипервизорам необходимо обеспечить гостевым операционным системам доступ к виртуальным хранилищам через FC-сеть (напомним, что гипервизором называется платформа для виртуализации, позволяющая нескольким ОС одновременно работать на хост-компьютере).

Компании, которые имеют базированные на виртуальных машинах критические приложения в своих центрах данных, в типичном случае устанавливают на серверах два адаптера главной шины (HBA) и две или более сетевых интерфейсных карты (NIC). В ряде высокоуровневых конфигураций на серверы с двухъядерным процессором устанавливается до восьми NIC. Использование технологии Fibre Channel over Ethernet (FCoE) позволило бы консолидировать оба трафика, SAN и Ethernet, с помощью одной общей сетевой карты. Эффективность такого решения очевидна как с финансовой, так и с технической точки зрения.

Основные особенности технологии

Концептуально технология FCoE может быть разбита на три компонента:

  • инкапсуляция нативных FC-фреймов во фреймы Ethernet;
  • расширение стандарта Ethernet с целью исключения потерь фреймов;
  • отображение адресов FC на адреса Ethernet.

При этом для администрирования, управления и обеспечения сервисов сохраняется нативный формат фрейма FC. Таким образом, для имеющихся SAN на базе FC эти процедуры будут продолжать работать. Рассмотрим упомянутые компоненты несколько подробнее.

Инкапсуляция

Инкапсуляция фрейма FC выполняется посредством построения соответствия, или отображения FC на Ethernet. Как и традиционные сети, протокол FC имеет стек уровней, каждый из которых предоставляет определенный набор функций. Стек FC содержит пять уровней, от FC-0 до FC-4. В стек Ethernet, по терминологии семиуровневой модели OSI, как правило, входит два уровня: физический и канальный. Стандарт FCoE обеспечивает трансляцию данных с уровня FC-2 «в стек» протоколов Ethernet (рис. 1). Это позволяет передавать верхние уровни FC-3 и FC-4 через сети Ethernet.

Fibre Channel over Ethernet, или Пополнение в свите короля
Рис. 2. Формат фрейма FCoE

Спецификация FCoE должна также решить проблему, связанную с различными размерами фреймов FC и Ethernet. Максимальный размер фрейма, определяемый текущей версией стандарта Ethernet, равен 1518 байт (1522 с тегом VLAN). Для FC-фрейма в типичном случае данный параметр составляет около 2112 байт. Поэтому инкапсуляция FC-фреймов в пакеты Ethernet требует их сегментации на стороне отправителя и сборки на стороне получателя. Это, в свою очередь, увеличивает непродуктивные расходы и нивелирует попытки стандарта сохранить сквозную производительность канала. Следовательно, чтобы согласовать размеры обоих фреймов, необходимо использовать бóльшие Ethernet-фреймы. Такую возможность предоставляют так называемые jumbo frames, размер которых – около 9 КБ. Правда, они не являются официальным IEEE-стандартом, поэтому для их применения все коммутаторы Ethernet и конечные устройства должны поддерживать формат jumbo.

Максимальная длина jumbo позволяет инкапсулировать четыре фрейма FC. Однако при таком решении канальному уровню FC будет трудно восстанавливать некорректные фреймы и управлять потоком. Поэтому стандарт FCoE предусматривает инкапсуляцию полного фрейма FC в один jumbo-фрейм. Для повышения производительности можно применить так называемый baby jumbo размером 2,5 КБ. Поскольку FC-фрейм может включать расширенные и опциональные заголовки или информацию о тегах Virtual Fabric, размер jumbo-фреймов не фиксируется и может варьировать в зависимости от инкапсулируемых данных.

Рассмотрим структуру FCoE-фрейма (рис. 2). Первые 12 байт содержат МАС-адреса отправителя и получателя. 32-битовый тег IEEE 802.1Q служит для создания виртуальных ЛВС в единой физической инфраструктуре. Следующие 16 бит отведены для параметра ET FCoE, называемого Ether type, а за ним идет 4-битовое поле Ver для указания версии. Далее следуют 100 зарезервированных битов, за ними – 8-битовый флаг Start of Frame (SOF), а затем – актуальные данные FC. Фрейм оканчивается 32-битовой последовательностью Frame Check Sequence (FCS).

Инкапсулированный фрейм FC содержит первоначальный 24-байтовый заголовок и передаваемые данные. Таким образом, при подсоединении FC SAN к коммутатору FCoE фрейм извлекается и обрабатывается стандартным образом. Это дает возможность интегрировать FCoE с существующими FC SAN без дополнительного шлюза.

Ethernet без потерь фреймов

Стандарт FC обеспечивает передачу данных без потери пакетов. Подобная сеть без потерь требует управления перегрузкой. Традиционно FC управляет потоком на канальном уровне с помощью механизма buffer-to-buffer credit, который гарантирует отсутствие потерь фреймов при нормальных условиях. В сетях TCP/IP, использующих Ethernet в качестве транспорта, управление потоком базируется на отбрасывании пакетов. В результате этот механизм оказывается неприемлемым для передачи FC-трафика.

К счастью, стандарт Ethernet имеет команду PAUSE, которую перегруженный порт-получатель может отправить передающему порту, требуя паузы в отправке пакетов. Эта опциональная возможность спецификации 802.3х Ethernet обеспечивает передачу FC-трафика без потерь.

Отображение адресов FC на адреса Ethernet

Fibre Channel over Ethernet, или Пополнение в свите короля
Рис. 3. Функциональная диаграмма коммутатора FCoE

Третим компонентом технологии FCoE, о котором упоминалось выше, является замена канального уровня FC на канальный уровень Ethernet, или отображение адресов. Традиционные коммутационные фабрики FC для пересылки фрейма по наилучшему маршруту используют таблицы FC ID. Связи FC в типичном случае имеют топологию точка-точка и не нуждаются в адресации на канальном уровне, чего нельзя сказать о сетях Ethernet. В связи с этим, чтобы направить фрейм в нужный порт-получатель, технология FCoE должна опираться на МАС-адреса Ethernet.

Поэтому фреймы FCoE являются нативными фреймами Ethernet канального уровня с обычными 6-байтовыми МАС-адресами отправителя и получателя. Поскольку системы хранения их не определяют, то они используются только для коммутации пакетов. Фрейм FCoE содержит адресную информацию FC, требуемую для транзакций в системах хранения, следовательно, необходимы некоторые средства для отображения FC ID на МАС-адрес. Одним из потенциальных кандидатов для этого может быть протокол, аналогичный ARP в IP-сетях, служащий для отображения IP-адреса получателя на его физический МАС-адрес уровня 2.

Учитывая, что FCoE – это в определенном смысле объединение двух сетевых технологий, коммутаторы FCoE должны поддерживать обе и иметь консолидированный ввод-вывод. На рис. 3 приведена функциональная диаграмма такого коммутатора. В устройстве реализованы коммутационные функции как Ethernet, так и FC. Отметим логический модуль FCoE внутри коммутатора FC. Этот модуль инкапсулирует FC-фреймы в FCoE-фреймы и выполняет обратный процесс. FC-трафик поступает в модуль из FC-портов, инкапсулируется в FCoE-фреймы и выходит из Ethernet-портов уже в формате FCoE. Справедлива и обратная последовательность операций. Модуль FCoE имеет МАС-адрес, который служит адресом отправителя или получателя в зависимости от направления трафика.

Конечно, это лишь один из примеров устройства такого консолидированного коммутатора. Разные производители могут реализовать собственные варианты.

Пример топологии FCoE

Fibre Channel over Ethernet, или Пополнение в свите короля
Рис. 4. Пример топологии сети FCoE

Сети FCoE могут иметь разнообразную топологию, которая определяется требованиями бизнеса и выбором продуктов. На рис. 4 приведен пример простой топологии, когда консолидация ввода-вывода осуществляется на уровне доступа сети (в терминах трехуровневой модели «доступ-распределение-ядро»). FCoE используется в этом сценарии для консолидации трафика от серверов к FCoE-коммутаторам. Они передают FC-трафик к присоединенным SAN и Ethernet-трафик – к ЛВС.

Возможны варианты, в которых коммутаторы FCoE будут развернуты на уровне распределения или ядра, допустима также сквозная FCoE-архитектура.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT