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Netzwerk-Grundlagen – Rechenzentrumsnetze im Umbruch, Teil 6 iSCSI, FCIP, FCoE, EoFC, CEE, DEE und DCB – I/O-Konsolidierung im Rechenzentrum

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Virtualisierung und I/O-Konsolidierung bilden ein untrennbares Paar. Was dies bedeutet, zeigt dieser Beitrag im Überblick, Details liefern die nächsten Teile. Denn ohne ein Grundverständnis in dieser Thematik scheitert jede Planung moderner Rechenzentren.

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Die Entwicklung des Data Center Ethernet schreitet rasant voran und ist Grundlage des Converged Networks im Rechenzentrum; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die Entwicklung des Data Center Ethernet schreitet rasant voran und ist Grundlage des Converged Networks im Rechenzentrum; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Alles, was ich in den Folgen eins bis fünf dieser Serie beschrieben wurde, führt zu einer völlig neuen DV-Welt. Man kann das in wenigen Worten zusammenfassen:

  • Virtualisierung ist ein anderes Wort für Zentralisierung
  • Wichtige Funktionen für Hochverfügbarkeit und Backup werden aus den Betriebssystemen in Virtualisierungssoftware verlagert
  • Virtualisierung ändert Architekturen
  • Virtualisierung ändert Datenströme
  • Im Endeffekt wird aus dem Rechenzentrum ein großer Rechner mit dem Netzwerk als Systembus
  • 10/40/100 GbE und andere Technologien dieser Leistungsklasse werden dringend benötigt

Ein wesentliches Instrument einer erfolgreichen Virtualisierungsstrategie ist die I/O-Konsolidierung.

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Kern der I/O-Konsolidierung ist die Konvergenz von LAN und SAN im RZ. Hersteller und Standardisierung haben uns in diesem Zusammenhang mit einer Unmenge neuer Begriffe überflutet, iSCSI, FCIP, FCoE, EoFC, CEE, DEE und DCB sind nur einige davon.

Der enge Zusammenhang zwischen Virtualisierung und Speichertechnologie wurde ja bereits besprochen.

In heutigen RZs benutzen Unternehmen üblicherweise Ethernet für die TCP/IP-Netze und Fibre Channel für Storage Area Networks (SAN). Ethernet-Netzwerke werden üblicherweise dazu aufgebaut, dass Benutzer relativ geringe Datenmengen über LANs oder auch größere Distanzen bekommen können. Storage Area Networks werden in Unternehmen und Organisationen implementiert, die für Anwendungen wie Booting, Mail Server, File Server oder große Datenbanken den Zugriff auf Block-I/O benötigen.

Die Vorteile der SANs sind: zentralisiertes Management, hohe Sicherheit, sinnfällige Verwaltung der Speicher-Ressourcen, einheitliche Darstellung und Implementierung spezieller Storage Services wie periodische Backups und die Unterstützung des Betriebs effektiver Benutzungsniveaus der Speicher-Ressourcen.

Die Konvergenz von LAN und SAN im Rechenzentrum bringt eine Reihe möglicher Vorteile. Sie beruht auf der Abbildung des „Speicherverkehrs“ auf die Ethernet Switching Fabric mittels einer geeigneten Technologie wie z.B. iSCSI, FCoE oder FCIP

iSCSI ist bewährt und problemlos. FCoE klingt zunächst einmal gut, stellt aber zusätzliche Anforderungen an die Ethernet Switching Fabric, die ggf. komplex und kritisch werden können, obwohl sie sich zunächst trivial anhören: Lossless Ethernet und Congestion Notification & Control

Es ist kritisch zu prüfen, inwieweit die Hersteller diese Anforderungen erfüllen können, wenn nicht, kann man das Konvergenzthema mit FCoE knicken.

Das Data Center Ethernet als Grundlage für FCoE ist eine unmittelbare Weiterentwicklung des Ethernets mit zusätzlichen funktionalen Elementen, siehe dazu Bild 1.

weiter mit: Das Grundkonzept der I/O-Konsolidierung

Das Grundkonzept der I/O-Konsolidierung

I/O-Konsolidierung ist von der Konzeption her sehr einfach: man bringt SAN- und Ethernet-Verkehr auf das gleiche Kabel.

In Fällen, wo die Trennung dieser Netze aus welchen Gründen auch immer gewünscht ist, bleibt immer noch der Vorzug, dass man die gleiche Hardware für beide Typen von Netzlast flexibel nutzen und zuordnen kann.

Die Vorzüge dieser einfachen Idee für die Anwender sind enorm. Unternehmen, die eine derartige I/O-Konsolidierung vornehmen, werden

  • erhebliche Gewinne in der Slot-Effektivität von Servern haben
  • mit Multifunktions Netzwerk- und Storage-Adaptern die Verkabelung eines Racks erheblich vereinfachen
  • die Abwärme, die ein Server erzeugt, reduzieren (und damit den Stromverbauch)

Heute benutzt man vier, sechs oder sogar acht Netzwerk-Adapter in kritischen Servern. Das können z.B. zwei FC-Host Bus-Adapter und zwei Ethernet NICs sein, bei virtuellen Maschinen je nach Vorgaben des VM-Herstellers auch bis zu vier NICs zusätzlich.

I/O-Konsolidierung bedeutet dass ein Kunde Multifunktions-Netzwerk/Speicher-Adapter anstelle der Netzwerk-spezifischen Karten einsetzen kann, und zwar nur zwei. Dadurch spart man bei

  • Rack-Verkabelung
  • Verkabelung generell
  • Switchports
  • I/O-Stromverbrauch
  • Switch-Stromverbrauch
  • Kühlung

Abbildung 2 zeigt sehr deutlich, was gemeint ist. Schon ohne Virtualisierung ergibt sich ein deutlicher Effekt, der mit Einführung der Virtualisierung aber noch deutlich verstärkt wird.

Die Alternativen zur I/O-Konsolidierung sind iSCSI, FCIP, iFCP, FCoE und EoFC

  • iSCSI setzt auf TCP/IP auf und geht erst damit auf die Ethernet-Schicht. Damit kann es alle Kontrollfunktionen von TCP/IP benutzen.
  • FCIP ist eine Möglichkeit, FC-Funktionalität auf TCP/IP aufzusetzen. FCIP kann alle Kontrollfunktionen von TCP/IP benutzen, ist aber nicht so marktgängig.
  • iFCP ist eine ähnliche Konstruktion und ebenfalls wenig marktgängig.
  • FCoE ist ein neuer Standard im Rahmen des ANSI-Standards zu FC-BackboneBridges (FC_BB), bei dem die TCP/IP-Schichten nicht durchlaufen werden müssen. Dafür werden erhöhte Anforderungen an die Ethernet-Schicht gestellt: „lossless“ Ethernet
  • EoFC – Hier wird der FC zum Kernnetz und die anfallenden Ethernet-Pakete werden mittels Konvertierung in FC-Frames übertragen

Bei den ersten vier Alternativen wird der FC-Verkehr auf ein Ethernet mit oder ohne TCP/IP abgebildet. Die Abbildung 3 zeigt, wie dies in den üblichen Protokollstack eingebettet wird.

Natürlich könnte man auch InfiniBand (IB) benutzen, das ist eine Technologie, die für Busverlängerungen im Umfeld von Hochleistungs-Computing benutzt wird und letztlich eine fundamentale Weiterentwicklung von IBMs FICON ist. IB hat eine enorme Leistung, ist aber exotisch, sodass es wirklich nur dort zum Einsatz kommt, wo man es wirklich benötigt. Für die Darstellungen hier spielt es keine weitere Rolle mehr.

weiter mit: iSCSI und FCoE in der Gegenüberstellung

iSCSI und FCoE in der Gegenüberstellung

Hinter iSCSI und FCoE stehen jeweils Herstellerinteressen sowohl auf der Speicher- als auch auf der Netzwerkseite. Es gibt seit 2008 eine wüste und unübersichtliche Auseinandersetzung zwischen den jeweiligen Befürwortern von iSCSI und FCoE. Im Grunde ist diese Auseinandersetzung jedoch ebenso wenig sachlich wie hilfreich denn,

  • jemand, der heute iSCSI im unteren und mittleren Leistungsbereich einsetzt und damit zufrieden ist, hat keinen Grund auf FC oder FCoE zu wechseln
  • jemand, der heute im oberen Leistungsbereich FC einsetzt, wird sich FCoE oder EoFC ansehen
  • die Substitutionskonkurrenz wird überschätzt

Außerdem gab es sehr gute Fortschritte hinsichtlich der Hardware-Beschleunigung von iSCSI, z.B. bei HP. Wir sehen jetzt 4 Gb-iSCSI, technisch ist 2010/11 auch 8 Gb-iSCSI möglich. Bild 4 fasst wesentliche Charakteristika von iSCSI, FC und FCoE zusammen. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Möglichkeiten des Hardware-Offloads für iSCSI an Messungen aus dem Jahr 2008.

Fassen wir zusammen

I/O-Konsolidierung ist möglich und hat folgende Vorzüge für ein Rechenzentrum:

  • Weniger NICs pro Server
  • Reduktion im Power Budget für die Server
  • Reduktion der Anforderungen an die Kühlung
  • Signifikante Reduktion der Kabelmenge
  • Nahtlose Konnektivität zwischen SANs und Ethernet
  • Bewahrung aller Investitionen in FC-Infrastruktur und -Betrieb

iSCSI ist bekannt und bewährt, benötigt aber relativ hohe Prozessorleistung. Dies kann man aber durch Hardware-Beschleuniger wesentlich mildern.

FCoE kann den Fibre Channel (FC) über Ethernet laufen lassen; aber: die Voraussetzungen an das Netz sind hoch.

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