《H3C-以太网光纤通道技术综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《H3C-以太网光纤通道技术综述.docx（13页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、什么是FCoE?它是在怎样的背景之下产生的？它能给用户带来怎样的便利与好处？以太网光纤通道（FCoE）技术综述文/杨小朋目前，数据中心正以前所未有的速度增长，企业级应用需要更强的计算能力，Web服 务成为企业面向客户的核心策略，包括电子邮件、文件、以及多媒体等在内的数据量不断增 多，等等。此外，法规遵从要求数据作较长时间的保存。所有这些要求使得运行一个数据中 心变得日益复杂和昂贵。与此同时，数据中心通常运行多个独立的网络：一个以太网网络LAN）用于客户机到 服务器和服务器到服务器的通信；一个光纤通道的存储区域网络（SAN）用于服务器和存 储设备的通信。为了支持各类型网络，数据中心的服务器上需要
2、为每种网络配置单独的接口， 即以太网网络接口卡（NIC）和光纤通道主机总线适配器（HBA）。并且服务器通常还具有其 他专用的网络接口，用于管理、备份和虚拟机即时迁移。对这些接口提供支持需要大量接口 卡、布线、机架空间、上行交换机。多种并行的网络架构增加了数据中心的建设成本和电力、 冷却方面的开支以及空间的消耗，使得数据中心管理更加困难，削弱了业务灵活性。网络融合是数据中心应对上述挑战的发展方向（如图1所示）。FCoE便是一种网络融合的技术，可以使得FC和以太网共享一个单一的，集成的网络基础设施。FCoE可以为数据中心带来显著的业务优势：更低的总体拥有成本（TCO）：通过为LAN/SAN流量提供
3、统一交换网络，融合网络能够 整合并更有效的利用以前分散的资源，通过消除不必要的交换基础设施，将服务器的I/O 适配器与线缆的数量减少多达50%，大幅减少电力和冷却成本。同时，简化的基础设施还 可以降低管理和运营的开支。强大的投资保护：FCoE可以和数据中心现有的以太网及FC基础设施无缝互通，使用户 享受融合网络带来的优势，同时延续以太网和FC网络领域的架构，管理和运营最佳实践。增强的业务灵活性：FCoE使得所有的服务器均能访问存储设备，在虚拟机移动的情况下 可为虚拟机提供一致的存储连接，这样也提高了系统的灵活性和可用性。当前瞄据中心明虹藏g逮含后R： 图1当前的网络架构和通过FCoE整合后的网
4、络架构以太网LAN与FC SAN设计差异比较以太网LAN的设计思路主扒节点问有洗定义的主从访问关系图2.以太网的基本模型如图2所示为传统以太网LAN的基本模型，其特点是无限制性和尽力而为，正是这种特 点使得以太网的拓扑结构及流量模型具有高度灵活性。对以太网这种特点的理解包括以下五 点。拓扑结构。以太网由交换机和主机节点这两个基本元素组成，交换机之间成网状互联，主 机节点间没有预先定义的主从访问关系。任何一台主机都可以是发起访问的客户端，也可以 是被访问的服务器。传输可靠性。传统以太网本身不保证传输可靠性，在转发层层面采用尽力而为的思想， 传输可靠性由上层协议实现，例如，通过TCP协议可实现报文
5、重传机制和滑动窗口机制。网络服务。以太网本身只负责报文传输，不提供更多网络服务，如L4/L7相关网络服务由 防火墙、负载分担设备、网流分析设备等实现。流量模型。对于分层（接入、汇聚/分布、核心）网络模型来说，以太网既有同层间的横 向流量（如同一接入层设备的主机间互访），也有跨层的纵向流量（如不同接入层设备的主 机跨汇聚/核心的互访）。高可用性。通过物理上的全连接和冗余节点部署，并辅以生成树协议和动态路由协议实现 环路避免和流量分担。枝l.M图3.局域网分层架构由传统以太网技术构成的局域网/LAN （本文主要讨论数据中心局域网），最常用的设计模型是接入一一汇聚一一核心分层架构，如图3所示。服务器
6、采用双网卡接入方式上行到两台接入层交换机。采用设备冗余部署方式以保证高可用性。当网络规模较小时，核心与汇聚核心合并，形成接入/汇聚一一核心两层架构。网络二层与网络三层的边界通常在汇聚交换机上。二层网络通过生成树协议避免环路，也可以采用N:1虚拟化（如H3C IRF）技术避免环 路。汇聚层上通常部署各种L4/L7层服务，实现安全控制和应用优化。传统FC SAN设计思路图4. FC SAN的基本模型 如图4所示为FC SAN的基本模型，其特点是流向确定和可靠传输。FC网络本身可承载 多种上层协议，如IP、SCSI等，但由于FC协议在标准化之初，具备其他协议所不及的高 带宽和可靠传输特性（不丢包），
7、这种特性满足了SCSI的传输需求，所以FC网络技术的 最广泛应用是构建存储网络（SAN），即通过FC协议承载SCSI报文。与此相比，以太网 只有物理层（PHY）与访问控制层（MAC），其本身所具备的灵活性使以太网更适合于局 域网中承载IP报文。对FC SAN流向确定和可靠传输特点的理解包括以下五点：拓扑结构：FC SAN由FC交换机、Initiator （存储访问的发起方）、Target （受访存储设备）三种基本元素构成，FC交换机间网状互联。访问发起方与受访端的关系明确定义， 也就是说流量方向明确定义。传输可靠性：FC网络采用基于BB_Credit的流控机制，可能够保证无丢包传输。BB_Cr
8、edit数目代表FC网络端口接收方向可缓存的报文数，当发送一个报文后BB_Credit减1，当减到0时便不能再发报文，当收到对端发来的报文接受确认时， BB_Credit 加 1。网络服务：FC协议内置的网络服务包括DNS （名称服务器）、RSCN （注册状态变化通 知）、FDMI （通过带内通信管理HBA卡等设备的机制）等。流量模型：对于采用分层（核心一边缘）模型的FC SAN,只有纵向跨层流量（边缘一核 心一边缘）。因此在规划FC SAN时，可以根据Initiator （主机）的数量和流量，明确定 义边缘FC交换机上行端口的收敛比。相比与以太网，由于接入层主机间存在横线访问流量， 因此接入
9、层上行端口的收敛比存在更多不确定性因素。高可用性：对于高可用的FC SAN，要求从Initiator到Target必须存在两条完全独立的 路径，也就是说从主机的角度看到的是完全不同的、各自独立、没有交叉的两个FC网路， 在每个FC网络内，提供各自的FC网络服务（如DNS等），运行各自的FC路由协议（FSPF）。图5. FC SAN边缘一核心架构边缘一核心分层架构是FC SAN建设时最常用的网络设计模型，如图5所示。服务器端（Initiator）采用双网卡分别接入到不同的边缘FC交换机，服务器上通过多路 径软件实现磁盘IO负载分担与磁盘访问的高可用性。存储设备（Target）采用双归属方式接入到
10、核心FC交换机。对于大型的FC网络，在存 储设备端可增加一层边缘FC交换机，构成边缘一核心一边缘架构。核心FC交换机做为主交换机，并向边缘FC交换机提供各种FC网络服务（如DNS）。边缘FC交换机之间不做横向互联（FC SAN中没有横向互访需求），不同的边缘交换机 与核心交换机组合，形成多个相互独立的FC SAN网络。从边缘交换机上行到核心交换机的链路带宽可根据服务器（Initiator）接入数量和访问带宽 进行明确定义。FCoE技术概述如图6所示，FCoE是把FC帧封装在以太网帧中，允许LAN和SAN的业务流量在同 一个以太网中传送。FCoE保留了 FC中N_Port、F_Port、E_Po
11、rt的结构以及FC的管 理模式。在FC的角度来看，FCoE就是把FC承载在一种新型的链路上；在以太网的角度 来看，FCoE仅是其承载的另外一种上层协议。由于FC要求网络在拥塞情况下仍保持无丢包的可靠传输服务，故FCoE需要对以太网 做一定的增强（CEE）来避免丢包。图6 FCoE在以太链路上承载协议栈及报文封装FC网络协议栈有五层，其中FC0定义承载介质类型，FC1定义帧编解码方式，FC2定义 分帧协议和流控机制，FC3定义通用服务，FC4定义上层协议到FC的映射。FCoE是把 FC-2层以上的内容封装到以太网报文中进行承载。如图7、图8所示.图7从FC协议栈到FCoE协议栈威瞄垦曜木号，炭都
12、宇节与卷5镇相间耆翊瞄，EErTjpe=FC(, WMJepB/H芯 LJJBL_iFiber C hanriiel Pay load图8 FCoE报文封装FIP （FCoE初始化协议）FIP协议是FCoE控制平面相对FC控制平面新增的协议，主要完成以下功能，如图9所示:VLAN发现：Node获取FCoE流量所使用的VLAN；FCF发现：Node获取网络中的所有的FCF信息，然后决定和哪台FCF交换机建立虚链 路连接；虚链路建立：Node向选中的FCF发送FIP FLOGI或FIP FDISC报文来建立虚链路， 此时FCF给Node分配FC地址；虚链路维护：虚链路建立后，FCF交换机上通过收到
13、Node定期发送保活报文来进行虚 链路的维持，Node上通过定期收到FCF交换机发送的通告报文来进行虚链路的维持。NodeFCF图9 FIP协议交互过程FC和FCoE地址映射图10 FC和FCoE地址映射FCoE网络中，报文中的FC地址是端到端不变的，而MAC地址则是逐跳替换的。图10 中，最左端为FC存储阵列，它连接到FC交换机，该FC交换机的Domain ID为7；最 右端为主机，它的FC ID为1.1.1，并且具有一个FCoE的MAC地址。存储阵列和主机的 通信过程如下：1. 存储阵列上的FC N_Port发送出FC帧，其目的地址（D_ID）为1.1.1，源地址（S_ID） 为 7.1.
14、1；2. Domain ID为7的FC交换机收到报文后，查找转发表，将其转发到路径最短的端口；3. Domain ID为3的FCoE交换机收到报文后，重复步骤2的查表过程，发现该报文需 要通过以太网络传送，便将FC报文封装在以太报文中，该以太报文的目的MAC地址是B（接收方交换机的FCoE实体的MAC地址），源MAC地址是A （发送方交换机的FCoE 实体的MAC地址）；4. 当FCoE报文到达FCoE实体的MAC地址为B的交换机后，交换机检查FC报文中的 D_ID在自身的Domain范围内，使用新的目的MAC地址C （主机的MAC地址）和新的 源MAC地址B对报文进行重新封装，并从相应的端口
15、发送；5. MAC地址为C的CNA收到FCoE报文；融合增强型以太网（CEE）传统的以太网是一种尽力服务的网络模式，当网络拥塞时有可能发生丢包，进而导致出 现数据包重传或超时现象FCoE网络融合技术的出现，对以太网提出了无丢包服务的要求。 为此，IEEE 802.1和IETF标准组织正在制定一些新的标准，它们将创建一个新的、更强 大的以太网协议系列，这些统称为融合增强型以太网（CEE）基于优先级的流量控制（PFC，IEEE 802.1Qbb）：链路共享对于网络融合至关重要。要想实现链路共享，一种流量类型的突发不能影响其他流 量类型，一种流量类型的大量排队不能争用其他流量类型的缓存资源。当前以太
16、网的Pause 机制能够实现不丢包的要求，但它会阻止一条链路上的所有流量，PFC是对Pause机制的 一种增强，PFC可以在一条以太物理链路上创建8个独立的虚拟链路，并允许单独暂停和 重启其中任意一条虚拟链路。这一方法使网络能够为单个虚拟链路创建无丢包类别的服务， 使其能够与同一接口上的其他类型的流量共存。疑倾竣胃球MSI存咛倾图11基于优先级的流控增强的传输选择（ETS，IEEE 802.1Qaz）：ETS可以为为不同的业务流量设定优先级和保证带宽，并允许低优先级的流量使用高优先 级队列闲置的带宽，这样可以提高整个网络的效率。图12增强的传输选择拥塞通告(IEEE 802.1Qau)：当网络
17、中发生拥塞时，由拥塞点向数据源发送指示来限制引起拥塞的流量，并在拥塞消失时 通知其取消限制。这样可以把拥塞限制在网络的边缘，减少了拥塞对网络其他部分造成的影 响。拥塞通知提供了一种在二层网络对持续拥塞的流量端到端管理的方法。图13拥塞通告数据中心桥接交换协议(DCBX IEEE 802.1Qaz)：DCBX是数据中心设备(交换机与终端、交换机与交换机)之间的Peer发现与能力交换协 议。供IEEE数据中心桥接用于发现对等配置，并在符合DCB要求的桥接之间交换配置信 息。IEEE数据中心桥接的以下参数可由DCBX进行交换：-ETS中的优先级组-PFC-拥塞通知-逻辑链路状态-应用图14数据中心桥
18、接交换协议(DCBX)原理大量链路透明互联(IETF- TRILL )：TRILL(Transparent Interconnect of lots of links 是一种在二层网络中提供多路径的 技术，它使用IS-IS协议来学习交换机网络的拓扑，计算以太网连接各端点之间的最短路 径和等价路径，支持多条并行路径，流量可以在多条并行路径中负载均衡，这样可以提高网 络的扩展性、性能和可靠性。图15 TRILL实现二层多路径FCoE网络部署基于FCoE的网络是循序渐进、分阶段进行部署的，其部署大致分为以下两个阶段。阶段一：接入层部署FCoE，实现服务器的I/O整合。由于接入层的网卡、线缆和交换机的
19、数量最多，因此在接入层实现I/O整合将会带来最大 的好处。因此先在数据中心的接入层实现FCoE，即服务器支持FCoE，使用CNA通过10G CEE连接到接入层FCoE交换机，接入层交换机再分别通过10G以太和FC链路连接到现 有的LAN和SAN。见图16。图16接入层部署FCoE实现方服务器I/O整合接入层FCoE交换机可以有以下两种工作模式：FCF模式。在此模式下，FCoE交换机和Node之间运行FIP协议，和上游FC交换机 之间运行FC的路由协议及其他FC的控制及管理协议，并完成FCoE报文的转发功能。NPV模式。在此模式下，FCoE交换机把多个本地连接的VN_port汇聚到一个或多个 N
20、-Proxy链路。NPV交换机在server看来是一个FC/FCoE交换机，在核心的FC交换机 看来是一台主机。它和上行的核心FC交换机共享同一个Domain ID，它不需运行FC的 路由协议，它不提供本地交换功能，server端口来的流量将全部转发到上行口。如图14 示。图17 NPV操作此部署过程将给网络带来以下好处：服务器上传统的多种I/O接口被整合为单一的接口，大大减少了接口卡和线缆的数量；服务器的接口数量减少的同时降低了服务器的功耗；使更多的服务器可以接入到SAN网络中；无需改变SAN的运行管理模型，FCoE服务器即可访问通过SAN连接的存储设备，实现 了对已有FC SAN的投资保护
21、；当接入交换机工作在NPV模式时，简化了 SAN网络的配置管理，消除了 FC不同厂家的 互通性问题。阶段二：FCoE向汇聚核心层深入，实现端到端的FCoE网络在这个阶段，FCoE技术的应用范围进一步扩大，除接入层交换机、服务器外，汇聚核心层 交换机、存储设备也逐渐支持FCoE接口，从而可实现端到端的FCoE网络，如图15所示。 在阶段二的部署过程除了阶段一的好处之外，还实现了 LAN/SAN骨干网的融合，进一步提 高了应用和业务的敏捷性和灵活性。图18端到端的FCoE网络总结FCoE是一项引人注目的技术，它使得数据中心在同一网络中通过以太网进行整合，而不再 是支持多种独立的网络，从而降低数据中心的总体拥有成本，提高了系统的灵活性，同时实 现对原有投资的保护。
