詳細解析FCoE協(xié)議

FCoE發(fā)展過程中所遇到的第一個挑戰(zhàn)是將通過本地光纖通道的Buffer-to-buffer CredITs特性所實現(xiàn)的流控制機制得以延續(xù)。雖然以太網(wǎng)交換機沒有相對應的緩沖到緩沖機制，但以太網(wǎng)標準可以通過支持MAC控制幀來調(diào)節(jié)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的。這個技術會使得發(fā)送者后面的傳輸內(nèi)容延遲一段特定的時間再發(fā)送，如果接收設備在這段時間過去之前清除緩沖，那么它會重新發(fā)送暫停幀，同時將終止時間歸零。這使發(fā)送者可以重新傳送直至接收到另一個暫停幀。

　　因為FCoE機制必須支持存儲數(shù)據(jù)的讀寫，所以所有網(wǎng)絡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，來調(diào)節(jié)存儲流量并防止阻塞和緩沖區(qū)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)阻塞問題的研究工作。特別是對于存儲事務來說，這有助于增強流控機制的服務層級質(zhì)量，使得最關鍵的任務的數(shù)據(jù)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。從主路徑到輔路徑的主機總線適配卡、鏈路、交換機端口、交換機或存儲端口，其中任何一點發(fā)生故障就會引發(fā)整個網(wǎng)絡的故障。在某些情況下，這兩條路徑都是動態(tài)的并且兼?zhèn)涓咝阅芎涂捎眯?。光纖通道架構中的光纖最短路徑優(yōu)先協(xié)議用來決定光纖交換機間傳輸?shù)淖罴崖窂剑渑袛嗷诮粨Q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保證存儲訪問的暢通無阻。當多以太網(wǎng)交換機通過交換機內(nèi)鏈路(例如以完全網(wǎng)路拓撲)連接時，IEEE 802.1D快速生成樹協(xié)議在網(wǎng)絡上建立主路徑，避免幀的發(fā)送形成無止境的環(huán)形回路。交換機之間的動態(tài)橋接端口處于推進狀態(tài)，非動態(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(shù)據(jù)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蓸渫ㄟ^網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元來監(jiān)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，快速生成樹協(xié)議啟動必要的失效切換橋接端口，在網(wǎng)絡上建立選擇路徑。

　　此外，IEEE 802.1s 多生成樹協(xié)議(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)和IEEE 802.1Q-2003虛擬LAN(VLAN)技術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(qū)技術相類似，VLAN 標記可實現(xiàn)多達4096個群集節(jié)點組共存于一個公共的以太網(wǎng)基礎體系內(nèi)。

　　在多業(yè)務傳輸平臺上對生成樹的增強可以使每個VLAN組中有一個單獨的生成樹。因此，一個虛擬局域網(wǎng)阻塞模式下的橋接端口可以調(diào)節(jié)成另一個虛擬局域網(wǎng)的轉發(fā)模式，并且實現(xiàn)對所有網(wǎng)絡互連性更充分的利用。

　　即使有多業(yè)務傳輸設備的增強，已使用的網(wǎng)絡連接仍不可避免地導致了快速生成樹協(xié)議對轉發(fā)和阻塞狀態(tài)的依賴。越來越多復雜的第三層路由協(xié)議，例如開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First，OSPF)，在跳躍計數(shù)、帶寬、延遲時間和其他測量標準的基礎上選擇末端節(jié)點之間的最佳路徑，并且實現(xiàn)多路徑上的負載均衡。即時串流傳輸協(xié)議(RSTP)作為第二層協(xié)議無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、多點接入(例如一個節(jié)點有接入同一以太網(wǎng)網(wǎng)段的兩條動態(tài)鏈路)、多播技術和廣播技術引入第二層以太網(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?shù)膸g的差異。通常一個以太網(wǎng)的幀最大為1518字節(jié)。而一個典型的光纖通道幀最大為大約2112字節(jié)。因此在以太網(wǎng)上打包光纖幀時需要進行分段發(fā)送，然后在接收方進行重組。這會導致更多的處理開銷，阻礙FCoE端到端傳輸?shù)牧鲿承浴?/p>

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

　　最大的巨型幀(9K字節(jié))可以實現(xiàn)在一個以太網(wǎng)幀下封裝四個光纖通道幀。但是這會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，F(xiàn)CoE向一個巨型以太網(wǎng)幀內(nèi)封裝一個完整的光纖幀(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)來檢驗傳輸數(shù)據(jù)的完整性，所以不需要光纖幀的循環(huán)冗余校驗(CRC)。這進一步降低了傳輸層所需的處理開銷，同時提高通道的性能。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，并且會隨著封裝光纖幀的需要而發(fā)生變化。

　　FCoE幀是使用六字節(jié)MAC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擇一個與地址解析協(xié)議(ARP)相類似的協(xié)議來實現(xiàn)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獲得存儲服務(例如通過SNS發(fā)現(xiàn)設備機制)。FCoE要求有相應的功能性來完成從熟知的地址到對應MAC地址的映射。

　　在傳統(tǒng)光纖通道中，HBA或存儲端口在連接到以太網(wǎng)交換機時會接收FCID。FCoE設備無法確保通用以太網(wǎng)交換機提供專門的存儲服務，所以必須依靠可用于FCoE交換機內(nèi)部的域控制器和存儲服務引擎來提供光纖通道登陸、尋址和其它高級服務。未來的數(shù)據(jù)中心導向器將會在一個高可靠性、多協(xié)議平臺上將以太網(wǎng)、光纖通道和FCoE存儲服務融合為一體。

　　FCoE、iSCSI和FCIP

　　FCoE、iSCSI和FCIP都是可以在以太網(wǎng)上進行塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯f(xié)議。然而每一個當初都是以不同的目標和設計標準發(fā)展起來。由于FCoE是由專門的數(shù)據(jù)中心存儲協(xié)議發(fā)展而來，其中包含有FC和數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)協(xié)議。iSCSI是設計用來在包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)在內(nèi)的任何基于IP的系統(tǒng)上可靠地傳輸存儲數(shù)據(jù)。如圖3所示，iSCSI借助位于第三層的整個TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)路由和數(shù)據(jù)包恢復，所以iSCSI可以用于可能存在潛在的網(wǎng)絡帶寬損耗。相比之下，F(xiàn)CIP被設計為用于遠程連接FC SAN的隧道協(xié)議。象iSCSI一樣，F(xiàn)CIP亦承擔TCP/IP的處理開銷，因此它的設計不適合本地高性能數(shù)據(jù)中心應用。

　　iSCSI主要作用在于其經(jīng)濟性，發(fā)揮空閑的驅動器、以太網(wǎng)卡、以太網(wǎng)交換機和IP路由器，在服務器和存儲之間傳輸SCSI數(shù)據(jù)塊。盡管服務器接入和網(wǎng)絡基礎系統(tǒng)成本較低，但是iSCSI存儲目標成本會隨著是否使用廉價磁盤驅動和是否配置基于硬盤或基于軟盤的控制器而改變。因為沒有專門的本地iSCSI磁盤驅動，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)控制器來存儲和檢索數(shù)據(jù)塊。所以iSCSI并不等同于那些有時用于部門級FC SAN中的JBOD。

　　在1Gb以太網(wǎng)中，iSCSI不需花費很多就可實現(xiàn)通過網(wǎng)關將低性能的二級服務器整合到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心的FC SAN中，或為部門使用提供共享存儲。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。在服務器上使用10G以太網(wǎng)意味著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服務器通過例如TCP可卸載適配器等輔助設備來增強性能，并通過iSER logic來避免從接口到應用存儲器的SCSI數(shù)據(jù)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開支減到最低，來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(shù)據(jù)中心內(nèi)的共享存儲系統(tǒng)進行各種配置。聚合增強以太網(wǎng)(CEE)技術使用戶可以在公共以太網(wǎng)基礎體系數(shù)據(jù)中心將存儲、信息傳送、網(wǎng)絡電話、視頻和其它數(shù)據(jù)結合在一起。FCoE是實現(xiàn)以太網(wǎng)高效率塊存儲的組件技術。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)的技術專家和標準組織之間的相互協(xié)調(diào)。盡管流控制和以太網(wǎng)生成樹協(xié)議等連接層問題是一個重大的挑戰(zhàn)，但是還需要提出更多的解決方案來繼續(xù)保留用戶正有效配置的光纖通道高級服務。即使是在10G網(wǎng)絡傳輸速率下，仍需要對今天的以太網(wǎng)技術進行深入研究以適合數(shù)據(jù)中心存儲的應用。作為光纖通道架構技術的先驅，博科公司在保留數(shù)據(jù)中心性能、可靠性和高級存儲服務所提供的優(yōu)勢的同時，也向FCoE引入了專業(yè)技術以降低其他解決方案的復雜性。