Технология Fibre Channel over Ethernet для ЦОД

Применение одной и той же физической среды для соединения серверов и сетей хранения данных SAN (Storage Area Network) упрощает серверную и сетевую инфраструктуру, а также инфраструктуру хранения данных. Это, в свою очередь, способствует сокращению затрат и защите инвестиций в данные инфраструктуры без ущерба для производительности, защищенности и надежности. По мнению большинства экспертов, технология Fibre Channel over Ethernet (FCoE) представляет собой очередной этап эволюции консолидированных сетей хранения данных. Это стандарт, позволяющий «накладывать» структуру Fibre Channel на Ethernet-сети и создавать смешанные сети в центрах обработки данных (ЦОД). Спецификация стандарта была предложена комитету T11 Национального института стандартизации США ANSI (American National Standards Institute) сообществом ведущих ИТ-компаний, в числе которых IBM, Intel, Brocade, Cisco, EMC, Emulex, Nuova, QLogic, Sun Microsystems.

Решения FCoE позволяют снизить стоимость инфраструктуры дата-центров благодаря совмещению сетей передачи данных и сетей хранения. Стандартный трафик TCP/IP и Fibre Channel может одновременно идти по высокоскоростным каналам, что существенно снижает стоимость, поскольку нужно меньше адаптеров, коммутаторов, кабелей, а также уменьшает энергопотребление и снижает требования к системам охлаждения. Кроме того, уменьшаются затраты на управление. По мнению экспертов, FCoE ожидает значительный успех на рынке, так как эта технология предоставляет высокую производительность, снижает стоимость владения (TCO) и защищает инвестиции в существующую инфраструктуру. Однако массовое внедрение этой технологии ожидается не ранее 2011 г.

Благодаря своей широкой распространенности и невысокой стоимости технология Ethernet пользуется большим доверием у сетевых администраторов. Но хотя она с успехом используется в дата-центрах как наиболее экономичный способ соединения компонентов инфраструктуры, в определенных областях ее возможности крайне ограничены. К основным недостаткам Ethernet относятся довольно длительные задержки и случаи потери пакетов при высоком уровне трафика в сети. Это совершенно недопустимо для корпоративных систем хранения данных с топологией SAN, для которых стандартом де-факто стала технология Fibre Channel, оптимизирующая максимальную производительность с высокой доступностью. Именно Fibre Channel, заимствовавшая архитектуру канала из мира мэйнфреймов, привнесла в сети SAN такие специфические для систем хранения механизмы, как автоматическая адресация, обнаружение устройств, формирование связной архитектуры при соединении коммутаторов и извещение об изменении состояния. Высокая пропускная способность канала и низкие издержки протокола позволяют довольно эффективно доставлять огромные массивы данных. Чтобы обеспечить устойчивую производительность, технология использует внутренние механизмы, такие как разрешение на очередную передачу данных между буферами, что служит для минимизации потенциальных эффектов перегрузки сети (так, при потере фрейма Fibre Channel не останавливается для повторной его передачи).

Поскольку технология Ethernet не обеспечивает той производительности и надежности, которые необходимы для передачи трафика Fibre Channel, в нее вносятся определенные усовершенствования (Enhanced Ethernet). Так, основные усовершенствования 10 Gb Ethernet касаются, в частности, более детального управления трафиком (что исключает потери пакетов), предоставления гарантий качества обслуживания для различных классов трафика и обмена новыми параметрами протокола между конечными узлами и коммутаторами. Отметим, что спецификация FCoE предусматривает инкапсуляцию полного фрейма Fibre Channel в один jumbo-фрейм Ethernet, при этом размер jumbo-фреймов не фиксируется и может варьироваться в зависимости от инкапсулируемых данных. FCoE-фрейм, содержащий 24-байт заголовок и передаваемые данные, извлекается и обрабатывается стандартным образом, что дает возможность интегрировать FCoE с существующими сетями хранения (SAN) без дополнительного шлюза. Для обеспечения передачи трафика Fibre Channel без потерь используется команда Pause (спецификация 802.3х Ethernet), которую перегруженный порт-получатель может отправить передающему порту, требуя паузы в отправке пакетов. Чтобы направить определенный фрейм в нужный порт-получатель, технология FCoE опирается на МАС-адреса Ethernet. Дело в том, что связи Fibre Channel обычно имеют топологию «точка-точка» и не нуждаются в адресации на канальном уровне. По этой причине во фрейме FCoE присутствуют 6-байт МАС-адреса отправителя и получателя.

Стоит отметить, что до настоящего времени сети Ethernet используются в ЦОД для передачи относительно небольших объемов данных в вычислительной среде, а сети SAN (Fibre Channel) – в тех случаях, когда требуется обеспечить хранение и управление большими объемами данных и блочный доступ к ним ряда приложений. Применение технологии FCoE позволяет консолидировать оба трафика (Fibre Channel и Ethernet) с помощью общей сетевой карты. Эффективность такого решения очевидна как с финансовой, так и с технической точки зрения.

В конце прошлого года корпорация EMC представила коммутатор EMC Connectrix NEX-5020 с поддержкой технологии FCoE. Новое устройство построено на базе коммутаторов Cisco Nexus 5000 для ЦОД и обеспечивает высокоскоростную коммутацию без потерь в сетях Ethernet с пропускной способностью 10 Гбит/с. Новый коммутатор отвечает требованиям к подсистеме ввода-вывода со стороны многоядерных процессоров, инфраструктуры VMware и других виртуальных серверных сред, а также сред хранения данных. Переход на протокол FCoE помогает упростить серверную и сетевую инфраструктуру за счет сокращения количества кабелей и адаптеров, что, в свою очередь, снижает потребление электроэнергии и общую стоимость эксплуатации ЦОД. Кроме того, появляется возможность подключить к SAN дополнительные серверы и в полной мере реализовать преимущества сетевых систем хранения данных EMC.

В инфраструктуре FCoE коммутатор Connectrix NEX-5020 может применяться вместе с конвергентными сетевыми адаптерами CNA (Converged Network Adapter), одновременно выполняющими функции сетевых адаптеров Ethernet и HBA-адаптеров Fibre Channel для подключения серверов к NEX-5020. Так, конвергентные адаптеры компаний Emulex и QLogic прошли тестирование в лабораториях EMC E-Lab и были включены в портфель рекомендованных продуктов сторонних разработчиков EMC Select. В частности, двухпортовые адаптеры QLogic QLE8042 увеличивают производительность систем благодаря обеспечению скорости 10 Гбит/с и полной разгрузке процессора от обработки протокола FCoE. Это позволяет добиться более высоких уровней консолидации в виртуализованных системах. Снижение стоимости решения связано с совмещением в одном устройстве разных технологий. Так, один адаптер CNA в состоянии выполнять функции и хост-адаптера Fibre Channel HBA (Host Bus Adapter), и адаптера Ethernet NIC (Network Interface Card); при этом сохраняются все принципы Fibre Channel, такие как WWN, FC-ID, маскирование LUN и зонирование, и таким образом можно обойтись без переподготовки персонала при переходе на новую технологию.