詳細解析FCoE協議

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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）相較以太網有更高的性能（16Mb/s vs. 10Mb/s）和更強的功能，但以太網依仗其規(guī)模經濟優(yōu)勢在局域網傳輸領域上順利取代了令牌環(huán)。相比較之下，ATM網絡也無法取代以太網成為桌面系統(tǒng)的連接標準，這主要是由于它無法與以太網龐大的安裝基礎相兼容?！　?/P>

ATM的LANE（局域網仿真）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或存儲局域網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據塊傳輸相關的難題。畢竟，光纖通道是一種模擬數據中心大型機環(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，在最大程度上實現數據中心環(huán)境中大量數據的高效傳輸。為了保持穩(wěn)定一致的性能，光纖通道借助包括Buffer-to-buffer Credit等在內的內部機制來降低網絡阻塞的潛在影響。

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、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。光纖路由協議、基于策略的路由、基于硬件的中繼、虛擬光纖網絡、光纖網絡安全以及故障隔離等服務都成為了實現穩(wěn)定傳輸的基礎。針對存儲虛擬化和數據保護所提供的，基于光纖網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品均針對存儲數據進行了優(yōu)化，最大程度上提高了數據的性能和可用性。

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)內發(fā)布了一項新的光纖通道標準，以實現在以太網上運行光纖通道協議。這項名為FCoE（Fibre Channel over Ethernet ）協議希望能在現有光纖通道的成功基礎上，借助于以太網的力量重新保持自身在數據中心存儲局域網中的霸主地位。一些業(yè)內分析人士表示，FCoE是光纖通道廠商與iSCSI陣營進行競爭的新嘗試。畢竟iSCSI也是通過以太網傳輸數據存儲塊。

然而當我們拿FCoE與iSCSI做比較時會發(fā)現，實際上這兩個協議解決是完全不同的問題。iSCSI通過TCP/IP協議在可能產生損耗或阻塞的局域網和寬帶網上傳送數據存儲塊。相比之下，FCoE則只是利用了以太網的拓展性，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以太網上有更好的體現。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，FCoE的價值在于在同樣的網絡基礎體系上用戶有權利選擇是將整個邏輯網絡全部當成傳輸存儲數據與信號的專用局域網，或是作為混合存儲數據、信息傳送、網絡電話、視頻流以及其它數據傳輸的共用網絡。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的眾多優(yōu)勢，所以這項標準的審批需要與管理以太網技術標準的美國電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）保持密切合作。

早期業(yè)內就在以太網存儲協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)了針對局域網或數據中心的mFCP（metro Fibre Channel Protocol）協議以及針對廣域應用的Internet光纖通道協議（iFCP）。mFCP 支持在基于以太網的光纖通道上應用UDP和IP協議，但是mFCP中缺少TCP中其它的用于數據包恢復的協議。

mFCP 協議假設以太網基礎體系本身的設計已經可以避免網絡阻塞，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協議將會借助上層的光纖通道協議對適當的幀序列做出重傳的回應。除IP路由層之外，mFCP 協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和光纖通道SAN，提高光纖通道協議棧的效率。

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

基于以太網的蛻變

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

光纖通道作為鏈路層傳輸協議，最初是專門被設計用來保證數據中心傳輸通道的高效率。這其中多方面原因的。首先，在千兆或數千兆的速率下，網絡需要一個流控機制來避免網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上來說是一個獨立的子網，專門處理在數據中心內的主機與目標設備之間的數據通訊問題。盡管現在光纖通道有SAN到SAN交流的輔助路由能力，但光纖通道路由使用的是網絡地址轉換協議 （Network Address Translation，NAT），而不是上面第三層的路由協議。

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)現機制。基于端口或WWN（World Wide Name）的分區(qū)實現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絡中存儲系統(tǒng)相鏈接的方式。通信重路由（Fabric Shortest Path First ，FSPF）協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了各個獨立SAN間的資源共享。虛擬光纖網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，FCoE需要對傳統(tǒng)的以太網和相應的控制器進行重大的改進，以提供設備發(fā)現、通知（Notification）、安全和其他高級存儲服務。如果以太網可以滿足數據中心的苛刻要求的話，那么通過以太網封裝光纖通道幀的FCoE協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）或網關應用（FCoE發(fā)起者通過網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特性所實現的流控制機制得以延續(xù)。雖然以太網交換機沒有相對應的緩沖到緩沖機制，但以太網標準可以通過支持MAC控制幀來調節(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據的讀寫，所以所有網絡存儲路徑下的終端設備和以太網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量，使得最關鍵的任務的數據流在可能發(fā)生阻塞的情況下獲得最高優(yōu)先權。