詳細解析FCoE協(xié)議

FCoE發(fā)展過(guò)程中所遇到的第一個(gè)挑戰是將通過(guò)本地光纖通道的Buffer-to-buffer CredITs特性所實(shí)現的流控制機制得以延續。雖然以太網(wǎng)交換機沒(méi)有相對應的緩沖到緩沖機制，但以太網(wǎng)標準可以通過(guò)支持MAC控制幀來(lái)調節流入的信息量。IEEE 802.3x 流量控制標準是基于暫停幀流量控制技術(shù)的。這個(gè)技術(shù)會(huì )使得發(fā)送者后面的傳輸內容延遲一段特定的時(shí)間再發(fā)送，如果接收設備在這段時(shí)間過(guò)去之前清除緩沖，那么它會(huì )重新發(fā)送暫停幀，同時(shí)將終止時(shí)間歸零。這使發(fā)送者可以重新傳送直至接收到另一個(gè)暫停幀。

　　因為FCoE機制必須支持存儲數據的讀寫(xiě)，所以所有網(wǎng)絡(luò )存儲路徑下的終端設備和以太網(wǎng)交換機必須支持雙向IEEE 802.3x流控制。盡管這樣的效果可能不如Buffer-to-buffer CredITs機制那么理想，但是IEEE 802.3x暫停幀可以提供對應的功能性，來(lái)調節存儲流量并防止阻塞和緩沖區溢出引起的丟幀。

　　IEEE中的IEEE 802.3ar阻塞管理研究小組和IEEE 802.1au阻塞通知研究小組負責以太網(wǎng)阻塞問(wèn)題的研究工作。特別是對于存儲事務(wù)來(lái)說(shuō)，這有助于增強流控機制的服務(wù)層級質(zhì)量，使得最關(guān)鍵的任務(wù)的數據流在可能發(fā)生阻塞的情況下獲得最高優(yōu)先權。

　　冗余路徑和故障切換

　　光纖通道高可用性的特點(diǎn)主要是得益于其可提供的主機與目標設備之間冗余路徑的Flat或CORE/EDGE的拓撲網(wǎng)絡(luò )。從主路徑到輔路徑的主機總線(xiàn)適配卡、鏈路、交換機端口、交換機或存儲端口，其中任何一點(diǎn)發(fā)生故障就會(huì )引發(fā)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的故障。在某些情況下，這兩條路徑都是動(dòng)態(tài)的并且兼備高性能和可用性。光纖通道架構中的光纖最短路徑優(yōu)先協(xié)議用來(lái)決定光纖交換機間傳輸的最佳路徑，其判斷基于交換機的鏈路帶寬與流量負荷。

　　以太網(wǎng)基礎體系必須為FCoE提供相應的耐障礙性來(lái)保證存儲訪(fǎng)問(wèn)的暢通無(wú)阻。當多以太網(wǎng)交換機通過(guò)交換機內鏈路(例如以完全網(wǎng)路拓撲)連接時(shí)，IEEE 802.1D快速生成樹(shù)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò )上建立主路徑，避免幀的發(fā)送形成無(wú)止境的環(huán)形回路。交換機之間的動(dòng)態(tài)橋接端口處于推進(jìn)狀態(tài)，非動(dòng)態(tài)失效切換橋接端口處于阻塞狀態(tài)。

　　但由于阻塞的連接不能用于數據的傳輸，所以網(wǎng)路中的阻塞連接都表示未利用和閑置的資源?？焖偕蓸?shù)通過(guò)網(wǎng)橋協(xié)議數據單元來(lái)監控所有橋接端口的情況，如果連接、橋接端口或交換失效的話(huà)，快速生成樹(shù)協(xié)議啟動(dòng)必要的失效切換橋接端口，在網(wǎng)絡(luò )上建立選擇路徑。

　　此外，IEEE 802.1s 多生成樹(shù)協(xié)議(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)和IEEE 802.1Q-2003虛擬LAN(VLAN)技術(shù)定義了另外的增強以太網(wǎng)路徑切換的機制。與光纖通道的硬分區技術(shù)相類(lèi)似，VLAN 標記可實(shí)現多達4096個(gè)群集節點(diǎn)組共存于一個(gè)公共的以太網(wǎng)基礎體系內。

　　在多業(yè)務(wù)傳輸平臺上對生成樹(shù)的增強可以使每個(gè)VLAN組中有一個(gè)單獨的生成樹(shù)。因此，一個(gè)虛擬局域網(wǎng)阻塞模式下的橋接端口可以調節成另一個(gè)虛擬局域網(wǎng)的轉發(fā)模式，并且實(shí)現對所有網(wǎng)絡(luò )互連性更充分的利用。

　　即使有多業(yè)務(wù)傳輸設備的增強，已使用的網(wǎng)絡(luò )連接仍不可避免地導致了快速生成樹(shù)協(xié)議對轉發(fā)和阻塞狀態(tài)的依賴(lài)。越來(lái)越多復雜的第三層路由協(xié)議，例如開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First，OSPF)，在跳躍計數、帶寬、延遲時(shí)間和其他測量標準的基礎上選擇末端節點(diǎn)之間的最佳路徑，并且實(shí)現多路徑上的負載均衡。即時(shí)串流傳輸協(xié)議(RSTP)作為第二層協(xié)議無(wú)法支持這樣的附加功能性而保持向后兼容。需要設法找到將負載均衡、多點(diǎn)接入(例如一個(gè)節點(diǎn)有接入同一以太網(wǎng)網(wǎng)段的兩條動(dòng)態(tài)鏈路)、多播技術(shù)和廣播技術(shù)引入第二層以太網(wǎng)的方法。

　　從光纖通道到以太網(wǎng)的映射

　　FCoE也必須解決以太網(wǎng)和光纖通道各自所傳輸的幀之間的差異。通常一個(gè)以太網(wǎng)的幀最大為1518字節。而一個(gè)典型的光纖通道幀最大為大約2112字節。因此在以太網(wǎng)上打包光纖幀時(shí)需要進(jìn)行分段發(fā)送，然后在接收方進(jìn)行重組。這會(huì )導致更多的處理開(kāi)銷(xiāo)，阻礙FCoE端到端傳輸的流暢性。

　　因此需要一個(gè)更大的以太網(wǎng)幀來(lái)平衡光纖通道和以太網(wǎng)幀大小上的差異。有一個(gè)稱(chēng)為巨型幀的實(shí)質(zhì)標準，盡管不是正式的IEEE標準，但它允許以太網(wǎng)幀在長(cháng)度上達到9k字節。在使用巨型幀時(shí)需要注意，所有以太網(wǎng)交換機和終端設備必須支持一個(gè)公共的巨型幀格式。

　　最大的巨型幀(9K字節)可以實(shí)現在一個(gè)以太網(wǎng)幀下封裝四個(gè)光纖通道幀。但是這會(huì )使光纖通道連接層恢復以及應用802.3x暫停指令的緩沖流量控制變得更加復雜。如圖2所示，FCoE向一個(gè)巨型以太網(wǎng)幀內封裝一個(gè)完整的光纖幀(不使用循環(huán)冗余校驗)。因為以太網(wǎng)已經(jīng)提供了幀檢驗序列(FCS)來(lái)檢驗傳輸數據的完整性，所以不需要光纖幀的循環(huán)冗余校驗(CRC)。這進(jìn)一步降低了傳輸層所需的處理開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)提高通道的性能。由于光纖幀可能包括拓展的、可選擇的信頭或虛擬光纖標記信息，所以以太網(wǎng)巨型幀的大小就不合適，并且會(huì )隨著(zhù)封裝光纖幀的需要而發(fā)生變化。

　　FCoE幀是使用六字節M(mǎn)AC硬件目的地址和源地址的本地第二層以太網(wǎng)幀。但MAC地址是存儲透明的，并且只能用于從源到目的地幀的交換。以FCoE幀中保留了存儲事務(wù)中需要的光纖通道尋址，所以需要從FCID(Fibre Channel ID)到以太網(wǎng)MAC地址映射的方法?？梢赃x擇一個(gè)與地址解析協(xié)議(ARP)相類(lèi)似的協(xié)議來(lái)實(shí)現FCID到MAC的地址映射。

　　例如，在第三層IP環(huán)境下，地址解析協(xié)議用于從上層IP網(wǎng)絡(luò )地址到第二層硬件MAC地址映射。此外，光纖通道使用一些較為熟知的地址來(lái)獲得存儲服務(wù)(例如通過(guò)SNS發(fā)現設備機制)。FCoE要求有相應的功能性來(lái)完成從熟知的地址到對應MAC地址的映射。

　　在傳統光纖通道中，HBA或存儲端口在連接到以太網(wǎng)交換機時(shí)會(huì )接收FCID。FCoE設備無(wú)法確保通用以太網(wǎng)交換機提供專(zhuān)門(mén)的存儲服務(wù)，所以必須依靠可用于FCoE交換機內部的域控制器和存儲服務(wù)引擎來(lái)提供光纖通道登陸、尋址和其它高級服務(wù)。未來(lái)的數據中心導向器將會(huì )在一個(gè)高可靠性、多協(xié)議平臺上將以太網(wǎng)、光纖通道和FCoE存儲服務(wù)融合為一體。

　　FCoE、iSCSI和FCIP

　　FCoE、iSCSI和FCIP都是可以在以太網(wǎng)上進(jìn)行塊數據傳輸的存儲協(xié)議。然而每一個(gè)當初都是以不同的目標和設計標準發(fā)展起來(lái)。由于FCoE是由專(zhuān)門(mén)的數據中心存儲協(xié)議發(fā)展而來(lái)，其中包含有FC和數據中心以太網(wǎng)協(xié)議。iSCSI是設計用來(lái)在包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)在內的任何基于IP的系統上可靠地傳輸存儲數據。如圖3所示，iSCSI借助位于第三層的整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現路由和數據包恢復，所以iSCSI可以用于可能存在潛在的網(wǎng)絡(luò )帶寬損耗。相比之下，FCIP被設計為用于遠程連接FC SAN的隧道協(xié)議。象iSCSI一樣，FCIP亦承擔TCP/IP的處理開(kāi)銷(xiāo)，因此它的設計不適合本地高性能數據中心應用。

　　iSCSI主要作用在于其經(jīng)濟性，發(fā)揮空閑的驅動(dòng)器、以太網(wǎng)卡、以太網(wǎng)交換機和IP路由器，在服務(wù)器和存儲之間傳輸SCSI數據塊。盡管服務(wù)器接入和網(wǎng)絡(luò )基礎系統成本較低，但是iSCSI存儲目標成本會(huì )隨著(zhù)是否使用廉價(jià)磁盤(pán)驅動(dòng)和是否配置基于硬盤(pán)或基于軟盤(pán)的控制器而改變。因為沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的本地iSCSI磁盤(pán)驅動(dòng)，iSCSI目標必須依靠某種形式的協(xié)議橋接(從iSCSI 到SAS/SATA或從iSCSI到FC)控制器來(lái)存儲和檢索數據塊。所以iSCSI并不等同于那些有時(shí)用于部門(mén)級FC SAN中的JBOD。

　　在1Gb以太網(wǎng)中，iSCSI不需花費很多就可實(shí)現通過(guò)網(wǎng)關(guān)將低性能的二級服務(wù)器整合到現有的數據中心的FC SAN中，或為部門(mén)使用提供共享存儲。但是在10G以太網(wǎng)中，iSCSI就漸漸失去了廣泛宣揚的成本優(yōu)勢。在服務(wù)器上使用10G以太網(wǎng)意味著(zhù)主程序要求高性能和可靠性。盡管標準NIC卡可在10G下使用，但10G的iSCSI服務(wù)器通過(guò)例如TCP可卸載適配器等輔助設備來(lái)增強性能，并通過(guò)iSER logic來(lái)避免從接口到應用存儲器的SCSI數據的多存儲副本。設計精密的10GB iSCSI適配器增加了成本，但使iSCSI 可以在主機上將CPU開(kāi)支減到最低，來(lái)更充分地利用更大的帶寬。

　　總結

　　介于龐大的安裝基礎，早已成熟的光纖通道技術(shù)已經(jīng)具備了眾多的存儲特性和管理工具，這大大利于對數據中心內的共享存儲系統進(jìn)行各種配置。聚合增強以太網(wǎng)(CEE)技術(shù)使用戶(hù)可以在公共以太網(wǎng)基礎體系數據中心將存儲、信息傳送、網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、視頻和其它數據結合在一起。FCoE是實(shí)現以太網(wǎng)高效率塊存儲的組件技術(shù)。FCoE不是光纖通道的替代物而是光纖通道的拓展，并且將與光纖通道SAN共存。

　　因為FCoE是對以太網(wǎng)的進(jìn)一步增強，所以它的發(fā)展需要光纖通道和以太網(wǎng)的技術(shù)專(zhuān)家和標準組織之間的相互協(xié)調。盡管流控制和以太網(wǎng)生成樹(shù)協(xié)議等連接層問(wèn)題是一個(gè)重大的挑戰，但是還需要提出更多的解決方案來(lái)繼續保留用戶(hù)正有效配置的光纖通道高級服務(wù)。即使是在10G網(wǎng)絡(luò )傳輸速率下，仍需要對今天的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入研究以適合數據中心存儲的應用。作為光纖通道架構技術(shù)的先驅?zhuān)┛乒驹诒Ａ魯祿行男阅?、可靠性和高級存儲服?wù)所提供的優(yōu)勢的同時(shí)，也向FCoE引入了專(zhuān)業(yè)技術(shù)以降低其他解決方案的復雜性。