Die FCoE-Standard-Initiative – Teil 1

Fibre Channel droht trotz bester Storage-Performance ins Abseits zu geraten

03.01.2008 | Autor / Redakteur: SCOTT G. KIPP, BROCADE / Nico Litzel

2007 überraschte eine Schar hochrangiger Unternehmen wie Brocade, Cisco, Emulex, IBM und Qlogic die IT-Welt mit einer Fibre-Channel-Standard-Initiative. Das gemeinsame Ziel: Das Fibre-Channel-Protokoll über Ethernet (FCoE) laufen zu lassen und damit die Protokoll-Konvergenz im Rechenzentrum voranzutreiben. Angesichts der bisherigen umfangreichen Investitionen zahlreicher Anwender in FC-Ressourcen und -Produkte ist die Frage zu klären, welche Verbesserungen FCoE bringen könnten.

Einige Branchenbeobachter spekulierten gleich, dass FCoE ein Versuch der Fibre-Channel-Anbieter sei, iSCSI überflüssig zu machen. Auch bei SCSI über IP werden Speicherdatenblöcke per Ethernet übertragen. Vergleicht man aber FCoE mit iSCSI, wird offensichtlich, dass die beiden Protokolle sehr unterschiedliche Probleme lösen:

iSCSI transportiert Speicherdaten blockweise mit LANs und WANs und muss mit TCP-Fehlerroutinen die Überlastung und Schwächen des Mediums ausgleichen. Dementsprechend ist bei iSCSI mit Performance-Reduzierungen zu rechnen.

Mit FCoE hingegen wird eine neue Ethernet-Erweiterung geschaffen, die die erwiesene Zuverlässigkeit und Effizienz von Fibre Channel auf weitere Anwendungen im Rechenzentrum replizieren soll und Geschwindigkeiten von zehn Gigabit pro Sekunde unterstützen wird. Das drückt sich auch in offizielleren Namensgebungen wie „Converged Enhanced Ethernet“ (CEE) oder „Data Center Ethernet“ (DCE) aus.

Arbeitsbeschaffung für den 10-Gigabit-Backbone

FCoE ist kein Ersatz für das herkömmliche Fibre Channel, sondern vielmehr eine Ergänzung von Fibre Channel um einen weiteren Übertragungsstandard auf der Sicherungsschicht. FCoE bedeutet für den Anwender, dass er aus logischer Sicht separate Netzwerke für das Speicher- und Messaging-LAN beibehalten kann oder anders ausgedrückt, Speicher, Nachrichtenverkehr, Voice over IP (VoIP), Streaming Video und andere Daten in ein und derselben Netzwerkinfrastruktur übertragen kann (siehe Abbildung 1).

Die Zielsetzung von FCoE ist die Integration der Speicher-Infrastruktur in Data Center Ethernet bei gleichzeitiger Wahrung der hohen Leistung und Funktionalität – wie es der Endbenutzer heute von seinen Fibre-Channel-SANs erwartet. Speziell bei Konsolidierung der Schnittstellen bei gleichzeitiger Unterstützung von heterogenen Datentypen am Server (siehe Abbildung 2).

Besseres Übertragungsverhalten

Wegen der harten Anforderungen an Speichertransaktionen im Datacenter beruht FCoE auf einer neuen, robusteren Ethernet-Übertragung mit geringem Overhead und effizienter Übertragungsbestätigung. Im Gegensatz zum herkömmlichen Ethernet bietet FCoE ein robustes Lastverhalten und wichtige Funktionen für hochverfügbare Lösungen wie zum Beispiel die Multipath-Eigenschaft von Fibre Channel.

Die FCoE-Initiative wird vom ANSI T11 Technical Committee erarbeitet, das sich schon immer mit Fibre-Channel-spezifischen Problemen beschäftigt hat. Eventuell wird sie in eine neue Spezifikation für Fibre Channel Backbone Generation 5 (FC-BB-5) aufgenommen. Weil FCoE weitere Ethernet-Erweiterungen nutzt, wird eine enge Zusammenarbeit mit dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) erforderlich sein, welches die Ethernet-Standards regelt.

Verwaltungsaufwand niedrig halten

Die Übertragung über Fibre Channel und über Ethernet geschieht in beiden Fällen über OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection) ist Glasfaser, das die Signalübertragung im Netzwerk unterstützt. Layer 2 ist das Protokoll für die Rahmenbildung und setzt unmittelbar auf das Medium auf, während in den darüber liegenden Ebenen (Layer 3+) höhere Services wie Netzwerkrouting und Sitzungsmanagement abgewickelt werden. Weil jede zusätzliche höhere Schicht deutlich mehr Protokollverarbeitung und Verwaltungsaufwand bedeutet, ist Layer 2 der beste Weg, um Daten schnell und mit geringem Overhead von einem Netzwerkknoten zum anderen zu übertragen.

Fibre Channel wurde ursprünglich als spezifisches Sicherungsschicht-Übertragungsprotokoll (Layer-2-Protokoll) entwickelt, um genauso effizient wie die direkten Speicherkanäle (SCSI, Escon) im Rechenzentrum zu arbeiten. Das führte unter anderem dazu, dass bei Geschwindigkeiten im Gigabit- und Multi-Gigabit-Bereich ein robuster Mechanismus zur Flusskontrolle (flow control) benötigt wird, um einen Verlust von Datenframes bei Überlastung zu verhindern. Fibre Channel löst das Problem der Flusskontrolle durch eine Anzahl von Buffer-to-Buffer Credits. Ein Gerät kann erst dann weitere Pakete senden, wenn die entsprechenden Puffer (Buffer) des Empfängers verfügbar sind, was dem Sender durch ein Signal, „receiver-ready (R_RDY)” mitgeteilt wird.

Routing verbindet SAN-Inseln, belastet aber die Infrastruktur

Die FC-Infrastruktur, die sogenannte Fibre Channel Fabric, besteht im Grunde aus einem einzigen flachen Netz und ist damit eher einem Ethernet-Segment vergleichbar, in welchem die Transaktionen zwischen den Initiatoren und Targets durch das physische Netz, in der Regel das Rechenzentrum, begrenzt werden. Das erwies sich im Laufe der Zeit als nicht ausreichend. Fibre Channel verfügt deshalb inzwischen auch über zusätzliche Routing-Möglichkeiten für die Kommunikation zwischen verschiedenen Fabrics. Jedoch wird beim Fibre-Channel-Routing mit NAT (Network Address Translation) gearbeitet anstatt mit dem Overhead-lastigen Layer-3-Routing.

Über die Jahre wurden für Fibre Channel speziell auf die Bedürfnisse der Datenspeicherung abgestimmte höhere Funktionen entwickelt. Der von jedem Fabric-Switch betriebene Simple Name Server (SNS) bietet zum Beispiel die Möglichkeit, eine neu integrierte Komponente zu erkennen (Discovery), sodass Initiatoren (Server) auch alle vorhandenen Target-Ressourcen finden. Zoning (auf der Grundlage des jedem Ports zugeordneten World Wide Names (WWN) oder der Port-Domänen-Addresse (PID bzw. FCID) ermöglicht eine logische Trennung von Speicherzuordnungen und verhindert, dass unberechtigte Server mit bestimmten Speichersystemen kommunizieren.

Dynamisches Infrastruktur-Upgrade

Registered State Change Notifications (RSCN) sind eine Möglichkeit, um Server dynamisch über neu hinzugekommene oder abgekoppelte Speichersysteme in der Fabric zu informieren. Das Fabric-Shortest-Path-First-Protokoll (FSPF) legt die optimalen Pfade in einem Fabric mit mehreren Switchen fest und erlaubt eine Erhöhung der Bandbreite, da damit zwischen den Switches mehreren Verbindungen geschaltet werden können. Fabric-Routing mit Fehlerisolation ermöglicht eine gemeinsame Benutzung von Ressourcen durch eigenständige SANs. Mittels virtueller Fabrics lässt sich eine SAN-Infrastruktur logisch segmentieren, um von verschiedenen Abteilungen oder Anwendungen gemeinsam genutzt zu werden, ohne dass diese sich gegenseitig behindern.

Morgen im zweiten Teil: Unterschiede zwischen FCoE und FC und Funktionen, die benötigt werden, um eine fast gleichwertige Infrastruktur aufzubauen.

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