Реферат Технология Fibre Channel Тюрина А.С. 28т. Реферат по дисциплине Сети и системы передачи информации
 Скачать 177.03 Kb.
|
|
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ)) Кафедра ТЕХНОЛОГИЯ FIBRE CHANNEL Тематический реферат по дисциплине «Сети и системы передачи информации»  Студент гр. 28т ___________ Тюрина А.С. «___»___________2021 г. Руководитель – старший преподаватель кафедры «ТРСиС» __________ Бизин Д.И. «___»___________2021 г. Омск 2021 Содержание Введение 4 Заключение 16 ВведениеFibre Channel (FC), разработанный для сетей хранения данных (SAN), представляет собой высокоскоростную сетевую технологию, используемую для подключения компьютерного хранилища данных к серверам, предоставляя двухточечные, коммутируемые и циклические интерфейсы для доставки необработанных данных блоков в порядке и без потерь. Стандартизацией протоколов занимается Технический комитет T11, входящий в состав Международного комитета по стандартам в сфере ИТ, аккредитованного Американским национальным институтом стандартов (ANSI). Изначальное применение FC в области суперкомпьютеров впоследствии практически полностью перешло в сферу сетей хранения данных, где FC используется как стандартный способ подключения к системам хранения данных уровня предприятия. Две основные характеристики сетей Fibre Channel заключаются в том, что они обеспечивают доставку необработанных блочных данных по порядку и без потерь. Доставка блока необработанных данных без потерь достигается на основе кредитного механизма. Fibre Channel Protocol (FCP) транспортный протокол (как TCP в IP-сетях), инкапсулирующий SCSI по сетям Fibre Channel. Является основой построения сетей хранения данных. SCSI (интерфейс малой компьютерной системы) представляет собой набор стандартов для физического подключения и передачи данных между компьютерами и периферийными устройствами. SCSI чаще всего используется для жёстких дисков и ленточных накопителей. 1 Сети хранения данныхStorage Area Network (SAN), она же сеть хранения данных, является технологией организации системы хранения данных с использованием выделенной сети, позволяя таким образом подключать диски к серверам с использованием специализированного оборудования. Структура SAN показана на рисунке 1.  Рисунок 1 Структура сети хранения данных Разберём более детально устройство SAN, для этого логически разделим её на две важных части, сервера с HBA и дисковые полки, как оконечные устройства, а также коммутаторы (в больших системах маршрутизаторы) и кабели, как средства построения сети. HBA специализированный контроллер, размещаемый в сервере, подключаемом к SAN. Через этот контроллер сервер будет «видеть» диски, размещаемые в дисковых полках. Сервера и дисковые полки не обязательно должны размещаться рядом, хотя для достижения высокой производительности и малых задержек это рекомендуется. Сервера и полки подключаются к коммутатору, который организует общую среду передачи данных. Коммутаторы могут также соединяться с собой с помощью межкоммутаторных соединений, совокупность всех коммутаторов и их соединений называется фабрикой. Для отказоустойчивости рекомендуется подключать минимум две фабрики к каждому HBA в сервере (иногда ставят несколько HBA) и к каждой дисковой полке, чтобы коммутаторы не стали точкой отказа SAN. Недостатками такой системы являются большая стоимость и сложность, поскольку для обеспечения отказоустойчивости требуется обеспечить несколько путей доступа серверов к дисковым полкам, а значит, как минимум, задублировать фабрики. Также на практике чаще всего есть ограничения по числу соединений (в том числе и между коммутаторами), числу дисковых полок и тому подобное. Сегодня многие задачи требуют высоких мощностей и предъявляют исключительные требования к ИТ-оборудованию. Практически в любой отрасли есть задачи, требующие высокой производительности вычислений. Для решения такого рода задач используются специализированные комплексы, получившие название высокопроизводительных вычислительных систем. В вычислениях, производительность компьютера это объём полезной работы, выполненной компьютером системы. Вне определенных контекстов производительность компьютера оценивается с точки зрения точности, эффективности и скорости выполнения инструкций компьютерной программы. Выделяют два вида высокопроизводительных вычислительных систем: суперкомпьютеры и кластеры. Суперкомпьютер представляет собой вычислительную систему с большим количеством процессоров и объёмом оперативной памяти, существенно превышающую большинство обычных систем по производительности. Такие решения характеризуются высокой стоимостью и часто используют уникальные компоненты, не применяемые в массовом производстве. Вычислительный кластер это группа серверов, соединенных с помощью скоростной сети и использующих специализированное программное обеспечение. Серверы взаимодействуют между собой для увеличения доступной памяти и количества процессоров, используемых для решения задачи. Такие системы часто строятся внутри исследовательских организаций, они дешевле в реализации, чем суперкомпьютеры. Система хранения данных является одним из компонентов, входящих в состав вычислительного кластера. Она необходима для хранения промежуточных данных, получаемых в ходе вычислений. 2 История Fibre ChannelИстория Fibre Channel началась в 1985 году, а в 1994 году был утверждён ANSI как стандарт, упрощавший интерфейс HIPPI, для которого применялся массивный 50-парный кабель с громоздкими коннекторами. HIPPI интерфейс для подключения высокоскоростных устройств хранения к суперкомпьютерам. Первоначально интерфейс Fibre Channel должен был повысить дальность и упростить подключение линий передачи, а не увеличить скорость. Таблица 1 Версии Fibre Channel
3 Топологии Fibre ChannelТопологии FC определяют взаимное подключение устройств, а именно передатчиков (трансмиттеров) и приёмников (ресиверов) устройств. Существует три типа топологии FC: 1) точка-точка (point-to-point) устройства соединены напрямую: трансмиттер одного устройства соединён с ресивером второго и наоборот. Все отправленные одним устройством кадры предназначены для второго устройства. 2) управляемая петля (arbitrated loop) устройства объединены в петлю: трансмиттер каждого устройства соединён с ресивером следующего. Перед тем, как петля сможет служить для передачи данных, устройства договариваются об адресах. Для передачи данных по петле устройство должно завладеть «эстафетой» (token). Добавление устройства в петлю приводит к приостановке передачи данных и пересобиранию петли. Для построения управляемой петли используют концентраторы, которые способны размыкать или замыкать петлю при добавлении нового устройства или при выходе устройства из петли. 3) коммутируемая связная архитектура (switched fabric) основана на применении коммутаторов. Позволяет подключать большее количество устройств, чем в управляемой петле, при этом добавление новых устройств не влияет на передачу данных между уже подключёнными устройствами. 4 Уровни Fibre ChannelFibre Channel состоит из пяти уровней: 1) FC-0 уровень физических интерфейсов и носителей. Описывает физическую среду: кабели, коннекторы, HBA, трансиверы, электрические и оптические параметры. 2) FC-1 уровень передачи и кодирования. Здесь описывается, как данные будут кодироваться перед передачей и декодироваться после. 3) FC-2 уровень кадрирования и сигналов. Определяет структуру и организацию передаваемой информации, а также контроль и управление её передачей. 4) FC-3 уровень базовых служб. Уровень заложен для новых функций, которые могут быть внедрены в Fibre Channel в будущем. На этом уровне обеспечивается шифрование и сжатие данных перед отправкой, а также расщепление потока данных по нескольким путям. 5) FC-4 уровень отображения протоколов. Описывает протоколы, которые могут использовать FC в качестве транспорта и, собственно, порядок использования. Все данные, передаваемые в среде Fiber Channel разбиваются на фреймы (кадры). Структура фрейма следующая: 1) SoF 4 байта идентификатор начала фрейма; 2) Header 24 байта заголовок. Содержит такую информацию как адрес источника и приёмника, тип фрейма (FT-0 управляющий или FT-1 данные), номер последовательности и порядковый номер фрейма в ней и прочая служебно-контрольная информация; 3) Data 0-2112 байт непосредственно данные (например, SCSI-команды); 4) CRC 4 байта контрольная сумма; 5) EoF 4 байта идентификатор конца фрейма. 5 Логические типы портовВ зависимости от поддерживаемой топологии и типа устройства порты разделяются на несколько типов: 1) Порты узлов: N_Port (Node port), порт устройства с поддержкой топологии FC-P2P («Точка-Точка») или FC-SW (с коммутатором); NL_Port (Node Loop port), порт устройства с поддержкой топологии FC-AL (arbitrated loop управляемая петля). 2) Порты коммутатора/маршрутизатора (только для топологии FC-SW): F_Port (Fabric port), порт «ткани». Используется для подключения портов типа N_Port к коммутатору. Не поддерживает топологию петли; FL_Port (Fabric Loop port), порт «ткани» с поддержкой петли. Используется для подключения портов типа NL_Port к коммутатору; E_Port (Expansion port), порт расширения. Используется для соединения коммутаторов. Может быть соединён только с портом типа E_Port; EX_port, порт соединения FC-маршрутизатора и FC-коммутатора. Со стороны коммутатора он выглядит как обычный E_port, а со стороны маршрутизатора это EX_port; TE_port (Trunking Expansion port (E_port)) внесен в Fibre Channel компанией CISCO, сейчас принят как стандарт. Это расширенный ISL или EISL. TE_port предоставляет помимо стандартных возможностей E_port маршрутизацию множественных VSANs (Virtual SANs). Это реализовано путём применения нестандартного кадра Fibre Channel (vsan тегирование). 3) Общий случай: L_Port (Loop port), любой порт устройства с поддержкой топологии «Петля» NL_port или FL_port; G_port (Generic port), порт с автоопределением. Автоматически может определяться как порт типа E_Port, N_Port, NL_Port. Топология Fibre Channel и логические типы портов показаны на рисунке 2.  Рисунок 2 Топология Fibre Channel и логические типы портов 6 Коммутаторы Fibre ChannelКоммутаторы Fibre Channel можно разделить на два класса. Эти классы не являются частью стандарта, и классификация каждого коммутатора является маркетинговым решением производителя: а) директоры предлагают высокое количество портов в модульном (основанном на слотах) шасси без единой точки отказа (высокая доступность). б) коммутаторы, как правило, имеют меньшие размеры, фиксированную конфигурацию (фиксированное количество портов). Коммутаторы и директоры Fibre Channel предназначены для объединения серверов и устройств хранения данных в сеть хранения данных (SAN). В качестве одного из ведущих вариантов для SAN, традиционные сети Fibre Channel содержат коммутаторы Fibre Channel и HBA Fibre Channel. Коммутаторы FC используются для подключения хранилища к SAN, а HBA FC применяются для подключения коммутаторов к серверам. 7 Классы служб (CoS) технологии Fibre ChannelРазличные приложения предъявляют разные требования к уровню сервиса, гарантии доставки, продолжительности соединения и пропускной способности. Некоторым приложениям требуется гарантированная пропускная способность в течение их работы. Другие имеют переменную активность и не требуют постоянной гарантированной пропускной способности канала, но им нужно подтверждение в получении каждого отправленного пакета. Для удовлетворения таких потребностей и обеспечения гибкости, FC определяет следующие 6 классов обслуживания: 1) Класс 1 Acknowledged Connection Service (выделенные каналы с подтверждением). Для этого класса устанавливается выделенное соединение, которое резервирует максимальную полосу пропускания между двумя устройствами. Требует подтверждения о получении. Требует, чтобы фреймы попадали на приёмник в том же порядке, что вышли из источника. Ввиду того, что не даёт другим устройствам использовать среду передачи, используется крайне редко. 2) Класс 2 Acknowledged Connectionless Service (передачи без организации соединения с подтверждением). Без постоянного соединения, но с подтверждением доставки. Не требует соответствия порядка отправленных и доставленных фреймов, так что они могут проходить через фабрику разными путями. Менее требователен к ресурсам, чем класс 1, но подтверждение доставки приводит к повышенной утилизации пропускной способности. 3) Класс 3 Unacknowledged Connectionless Service, иногда называется Datagram Connectionless Service (передачи без организации соединения и без подтверждения). Без постоянного соединения и без подтверждения доставки. Самый оптимальный с точки зрения использования ресурсов фабрики, но предполагает, что протоколы верхних уровней смогут собрать фреймы в нужном порядке и перезапросить передачу пропавших фреймов. Наиболее часто используемый. 4) Класс 4 Fractional Bandwidth Connection-oriented Service (соединение с дробной полосой пропускания). Требует постоянного соединения, подтверждение и порядок фреймов как и класс 1. Главное отличие он резервирует не всю полосу пропускания, а только её часть. Это гарантирует определённое QoS. Подходит для мультимедиа и Enterprise-приложений, требующих гарантированного качества соединения. 5) Класс 5 Isochronous Service (изохронное соединение). Ещё до конца не описан и не включен в стандарт. Предварительно, класс, не требующий соединения, но требующий немедленной доставки данных по мере их появления, без буферизации на устройствах. 6) Класс 6 Unidirectional Connection Service (однонаправленное соединение). Вариант класса 1, но мультикастовый. То есть от одного порта к нескольким источникам. 7) Класс F определён в стандарте FC-SW для использования в межкоммутаторных соединениях (Interswitch Link, ISL). Это сервис без постоянного соединения с уведомлениями о сбое доставки, использующийся для контроля, управления и конфигурирования фабрики. Принцип похож на класс 2, но тот используется для взаимодействия между N-портами, а класс F для общения E-портов (межкоммутаторных). В целях предотвращения ситуации, когда отправитель перегрузит получателя избыточным количеством фреймов так, что они начнут отбрасываться получателем, FC использует механизмы управления потоком передаваемых данных (Flow Control). Их два Buffer-to-Buffer flow control и End-to-End flow control. Их использование регламентируется классом обслуживания. Например, класс 1 использует только механизм End-to-End, класс 3 Buffer-to-Buffer, а класс 2 оба эти механизма. Принцип технологии Buffer-to-Buffer flow control отправка любого фрейма должна быть обеспечена наличием кредита на отправку. Все поступающие на вход порта фреймы помещаются в специальную очередь буферы. Количество этих буферов определяется физическими характеристиками порта. Один буфер (место в очереди) соответствует одному кредиту. Каждый порт имеет два счётчика кредитов: 1) TX BB_Credit счётчик кредитов передачи. После отправки каждого фрейма уменьшается на 1. Если значение счётчика стало равным нулю передача невозможна. Как только от порта-приёмника получено R_RDY, счётчик увеличивается на 1. 2) RX BB_Credit счётчик кредитов приёма. Как только фрейм принят и помещён в буфер, уменьшается на 1. Когда фрейм обрабатывается или пересылается дальше, счётчик увеличивается на 1, а отправителю отправляется R_RDY. End-to-End flow control реализуется счётчиком EE_Credit, который определяет максимум фреймов, которые источник может отправить приёмнику без получения подтверждения. 8 Сферы применения Fibre ChannelFibre Channel широко применяется для создания сетей хранения данных (Storage Area Networks). Благодаря высокой скорости передачи данных, малой задержке и расширяемости практически не имеет аналогов в этой области. Однако, в последние годы, область его применения постепенно перемещается в сегмент высокопроизводительных систем и решений, а бюджетный сегмент с успехом осваивается недорогими решениями iSCSI на базе Gigabit Ethernet и 10G Ethernet. Наметилась также тенденция к переносу транспортного уровня протокола FC в тот же Gigabit и 10G Ethernet при помощи протоколов FCoE и FCIP. а) FCoE, транспортировка FCP/SCSI поверх «чистого» Ethernet. б) FCIP, инкапсуляция и передача FCP/SCSI в пакетах IP. ЗаключениеВ результате проведенной работы над рефератом прошло ознакомление с технологией Fibre Channel, её уровнями, топологиями и особенностями функционирования. Fibre Channel изначально не предназначалась для организации высокоскоростной передачи данных, однако в настоящее время используется с этой целью. Технология FC используется чаще всего в сетях хранения данных как стандартный способ подключения к ним. Достоинствами Fibre Channel являются высокая скорость передачи данных, малая задержка и расширяемость. По этой причине она практически не имеет аналогов в этой области. В настоящее время существует тенденция переноса области применения технологии в сегмент высокопроизводительных систем и решений. Fibre Channel это система естественной безопасности. Storage Area Network изолирована от внешнего мира, риск атаки на сеть хранения и утечки данных будет снижен. В результате использование трансиверов FC в сетях хранения данных намного безопаснее. Ethernet-трансиверы работают по протоколу TCP/IP, который сделает всю систему уязвимой для более частых атак из-за вмешательства внутреннего администрирования, выполняемого по сети. Неотразимым преимуществом Fibre Channel над Ethernet является его лучшая надежность. Характер FC без потерь предлагает превосходную производительность в сетях хранения данных в течение длительного времени. То есть трансиверы Fibre Channel могут предоставить упорядоченную доставку без потерь необработанных данных блока, а трансиверы Ethernet нет. Библиографический список1. Статья «Fibre Channel» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Fibre_Channel. 2. Статья «Основы Fibre Channel» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/post/216369/. 3. Онлайн-книга «Сети хранения данных Fibre Channel» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://web.archive.org/web/20130525230031/http://fibrechannel.ru/. |