詳細解析FCoE協(xié)議

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要不是能夠推動成本或性能優(yōu)勢的發(fā)展，新技術很難取代已有的的成熟技術。例如，盡管令牌環(huán)（Token Ring）相較以太網(wǎng)有更高的性能（16Mb/s vs. 10Mb/s）和更強的功能，但以太網(wǎng)依仗其規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢在局域網(wǎng)傳輸領域上順利取代了令牌環(huán)。相比較之下，ATM網(wǎng)絡也無法取代以太網(wǎng)成為桌面系統(tǒng)的連接標準，這主要是由于它無法與以太網(wǎng)龐大的安裝基礎相兼容。　　

ATM的LANE（局域網(wǎng)仿真）實在存在太多問題。盡管InfiniBand以高性能的服務器集群應用證明了它在高端用戶中的價值，但是它一直無法在局域網(wǎng)或存儲局域網(wǎng)傳輸上與其它技術相抗衡。InfiniBand獨特的布線方式和高速傳輸模式下的距離限制使得IT管理者們紛紛放棄高攀的念頭。

光纖通道作為一項成功的技術解決了許多與高性能數(shù)據(jù)塊傳輸相關的難題。畢竟，光纖通道是一種模擬數(shù)據(jù)中心大型機環(huán)境的傳輸架構。大多的傳輸通道往往都是以高帶寬和低負荷為手段，在最大程度上實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心環(huán)境中大量數(shù)據(jù)的高效傳輸。為了保持穩(wěn)定一致的性能，光纖通道借助包括Buffer-to-buffer Credit等在內(nèi)的內(nèi)部機制來降低網(wǎng)絡阻塞的潛在影響。

如果丟失一個幀，光纖通道不會像TCP一樣馬上停止直到恢復丟失的幀，而是以數(shù)千兆的傳輸速率重新發(fā)送整個序列的幀。光纖通道擁有一系列領先的存儲機制，例如自動尋址、設備發(fā)現(xiàn)、光纖架構和狀態(tài)變更通知等，這些機制為主機（服務器）和目標設備（存儲系統(tǒng)）之間的交換處理提供了便利。

光纖通道也為高可靠和高可用性架構引進了一系列更高層的服務。光纖路由協(xié)議、基于策略的路由、基于硬件的中繼、虛擬光纖網(wǎng)絡、光纖網(wǎng)絡安全以及故障隔離等服務都成為了實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸?shù)幕A。針對存儲虛擬化和數(shù)據(jù)保護所提供的，基于光纖網(wǎng)絡的應用服務也進一步促進了存儲管理的簡化及自動化。光纖通道標準和符合標準的產(chǎn)品均針對存儲數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，最大程度上提高了數(shù)據(jù)的性能和可用性。

因此，基于光纖通道的SAN為全球主要的企業(yè)和學院提供著強大的技術支持。

最近業(yè)內(nèi)發(fā)布了一項新的光纖通道標準，以實現(xiàn)在以太網(wǎng)上運行光纖通道協(xié)議。這項名為FCoE（Fibre Channel over Ethernet ）協(xié)議希望能在現(xiàn)有光纖通道的成功基礎上，借助于以太網(wǎng)的力量重新保持自身在數(shù)據(jù)中心存儲局域網(wǎng)中的霸主地位。一些業(yè)內(nèi)分析人士表示，F(xiàn)CoE是光纖通道廠商與iSCSI陣營進行競爭的新嘗試。畢竟iSCSI也是通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)存儲塊。

然而當我們拿FCoE與iSCSI做比較時會發(fā)現(xiàn)，實際上這兩個協(xié)議解決是完全不同的問題。iSCSI通過TCP/IP協(xié)議在可能產(chǎn)生損耗或阻塞的局域網(wǎng)和寬帶網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)存儲塊。相比之下，F(xiàn)CoE則只是利用了以太網(wǎng)的拓展性，并保留了光纖通道在高可靠性和高效率方面的優(yōu)勢。屆時這些優(yōu)勢還將在10G以太網(wǎng)上有更好的體現(xiàn)。我們目前暫且將其稱為CEE（Converged Enhanced Ethernet）。

FCoE并不是要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖通道技術，而是在不同連接傳輸層上對光纖通道進行拓展。正如圖1所示，F(xiàn)CoE的價值在于在同樣的網(wǎng)絡基礎體系上用戶有權利選擇是將整個邏輯網(wǎng)絡全部當成傳輸存儲數(shù)據(jù)與信號的專用局域網(wǎng)，或是作為混合存儲數(shù)據(jù)、信息傳送、網(wǎng)絡電話、視頻流以及其它數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓灿镁W(wǎng)絡。FCoE的目標是在繼續(xù)保持用戶對光纖通道SAN所期望的高性能和功能性的前提下，將存儲傳輸融入以太網(wǎng)架構。FCoE還特別針對刀片服務器平臺提供了一種簡化接口和布線的方法。

FCoE目前已經(jīng)正式提交給了管理光纖通道標準的官方組織--美國國家標準委員會（ANSI）T11 委員會進行審批。并且會收錄到新的Fibre Channel Backbone Generation 5 （FC-BB-5）規(guī)范中。由于FCoE具備了新一代增強形以太網(wǎng)的眾多優(yōu)勢，所以這項標準的審批需要與管理以太網(wǎng)技術標準的美國電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）保持密切合作。

早期業(yè)內(nèi)就在以太網(wǎng)存儲協(xié)議的標準化方面做過很多努力，但限于當時百兆或千兆以太網(wǎng)性能而均未能如愿。例如在2001年，Nishan Systems公司開發(fā)了針對局域網(wǎng)或數(shù)據(jù)中心的mFCP（metro Fibre Channel Protocol）協(xié)議以及針對廣域應用的Internet光纖通道協(xié)議（iFCP）。mFCP 支持在基于以太網(wǎng)的光纖通道上應用UDP和IP協(xié)議，但是mFCP中缺少TCP中其它的用于數(shù)據(jù)包恢復的協(xié)議。

mFCP 協(xié)議假設以太網(wǎng)基礎體系本身的設計已經(jīng)可以避免網(wǎng)絡阻塞，并且具備基本的流量控制機制將丟幀減到最低。如果確實發(fā)生了丟幀，mFCP協(xié)議將會借助上層的光纖通道協(xié)議對適當?shù)膸蛄凶龀鲋貍鞯幕貞?。除IP路由層之外，mFCP 協(xié)議的實際運作與光纖通道Class-3的未確認服務（Unacknowledged Service）相類似。

盡管iFCP 協(xié)議被廣泛地應用于災難恢復及其它遠程存儲應用，但由于10G以太網(wǎng)還在建設之中，所以mFCP無法在1 Gb/s的速率下得很好的效果。但mFCP 的主要優(yōu)點在于它可以整合以太網(wǎng)和光纖通道SAN，提高光纖通道協(xié)議棧的效率。

此外還有一些其它的小眾協(xié)議試圖將存儲協(xié)議直接與以太網(wǎng)相結合，如AoE協(xié)議和HyperSCSI以太網(wǎng)存儲協(xié)議。但這些技術標準僅限定于低性能存儲應用。例如HyperSCSI借助SCSI協(xié)議來驗證和恢復傳輸錯誤，所以在數(shù)據(jù)中心領域缺乏光纖通道協(xié)議的優(yōu)勢。

基于以太網(wǎng)的蛻變

光纖通道和以太網(wǎng)傳輸都是使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（第二協(xié)議層）。在OSI七層模型中，第一協(xié)議層是傳輸網(wǎng)絡信號的物理媒介，第二協(xié)議層是成幀協(xié)議（Framing Protocol ），當上層協(xié)議處理網(wǎng)絡路由和會話管理等更高層級服務時，本層協(xié)議會立即作用于下層介質(zhì)。因為每個附加協(xié)議層都會帶來更多的協(xié)議處理和開銷，所以第二協(xié)議層是從一個網(wǎng)絡節(jié)點向另一個網(wǎng)絡節(jié)點快速傳輸數(shù)據(jù)的最為快捷的途徑。

光纖通道作為鏈路層傳輸協(xié)議，最初是專門被設計用來保證數(shù)據(jù)中心傳輸通道的高效率。這其中多方面原因的。首先，在千兆或數(shù)千兆的速率下，網(wǎng)絡需要一個流控機制來避免網(wǎng)絡阻塞引起的丟幀問題。光纖通道借助Buffer-to-buffer Credit解決了流控制問題。一端設備只有當接收方的緩沖區(qū)已清空并且發(fā)出接收準備信號（（R_RDY））后才能發(fā)送附加幀。其次，光纖通道結構從本質(zhì)上來說是一個獨立的子網(wǎng)，專門處理在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的主機與目標設備之間的數(shù)據(jù)通訊問題。盡管現(xiàn)在光纖通道有SAN到SAN交流的輔助路由能力，但光纖通道路由使用的是網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換協(xié)議 （Network Address Translation，NAT），而不是上面第三層的路由協(xié)議。

光纖通道技術在這幾年時間中，發(fā)展出了很多更適用于存儲需求的更高層功能。例如，基于每臺光纖通道交換機都配備的簡單域名服務（Simple Name Service，SNS），就為發(fā)起者尋找目標資源提供了設備發(fā)現(xiàn)機制?；诙丝诨騑WN（World Wide Name）的分區(qū)實現(xiàn)了不同存儲單位間的彼此隔離，防止未授權服務器與特定存儲資產(chǎn)之間通信。

注冊狀態(tài)變化通告（Registered state change notifications，RSCNs）提供了一種將服務器與存儲網(wǎng)絡中存儲系統(tǒng)相鏈接的方式。通信重路由（Fabric Shortest Path First ，F(xiàn)SPF）協(xié)議可在多臺交換機架構下建立最佳的路徑。并允許多在多臺交換機之間進行多重連接，以提高帶寬。具備故障隔離的光纖路由實現(xiàn)了各個獨立SAN間的資源共享。虛擬光纖網(wǎng)絡技術可以使不同部門或應用程序之間共享一個公共的SAN，而相互不受影響與限制。

為了保持此前光纖通道所具備的傳輸優(yōu)勢和以存儲為中心的特征，F(xiàn)CoE需要對傳統(tǒng)的以太網(wǎng)和相應的控制器進行重大的改進，以提供設備發(fā)現(xiàn)、通知（Notification）、安全和其他高級存儲服務。如果以太網(wǎng)可以滿足數(shù)據(jù)中心的苛刻要求的話，那么通過以太網(wǎng)封裝光纖通道幀的FCoE協(xié)議就完全能夠成為終端到終端傳輸（FCoE發(fā)起者與FCoE目標直接通信）或網(wǎng)關應用（FCoE發(fā)起者通過網(wǎng)關與光纖通道目標設備通信）最簡單直接的解決方法。但是為了使用戶實施成為可行，那些光纖通道上的高級服務必須得到保留。

防止丟包

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。