Основные сведения о сетях хранения данных (SAN) с протоколом Fibre Channel

Dell внедряет решения для создания SAN с использованием технологии Fibre Channel в качестве основы для внутренней сети.
 

Сети хранения данных (SAN) отвечают требованиям высокопроизводительных, высокодоступных, масштабируемых корпоративных решений для хранения данных. Fibre Channel — это стандартная технология, используемая для внедрения сетей SAN и других систем хранения высшего класса. В этом документе дается краткое описание концепций SAN и технологии Fibre Channel.

Глоссарий

Узел — устройство, которое можно подключить к сети с Fibre Channel (FC).
Порт — соединение на узле, подключенном к сети с FC.
Петля — набор взаимосвязанных узлов, расположенных в замкнутом контуре; напоминает кольцевую топологию сети передачи данных.
ISL (межкоммутаторный канал) — прямое соединение между двумя коммутаторами.
N_Port (порт узла) — порт подключения на любом конечном узле в топологии «от точки к точке».
NL_Port (порт петли узлов) — порт подключения на любом узле в топологии FC-AL.
L_Port (порт петли) — порт подключения, поддерживающий топологию FC-AL.
F_Port (порт фабрики) — порт подключения на коммутаторе, который используется для прямого подключения порта N_Port к фабрике.
FL_Port (порт петли фабрики) — порт подключения на коммутаторе, используемый для взаимодействия с виртуальными управляемыми петлями в фабрике.
E_Port (порт расширения) — порт подключения на коммутаторе, который используется для каскадирования других коммутаторов через ISL.
Универсальный порт — порт подключения на коммутаторе, который может выступать в качестве порта F_Port, FL_Port или E_Port в зависимости от того, что к нему подключено.

Основные сведения о сетях хранения данных

За последние десять лет хранилища данных стали одним из самых важных корпоративных ресурсов. Обычно серверы формируют внутреннюю часть бизнеса, а сеть передачи данных выстраивается «перед» серверами, чтобы предоставлять клиентам доступ к локально подключенному хранилищу. Сеть хранения данных — это сеть, построенная «позади» серверов, которая позволяет им получать доступ к нескольким устройствам хранения данных и совместно их использовать.

В среде SAN серверы с различными операционными системами можно подключать к одним и тем же устройствам хранения. Например, серверы под управлением Microsoft Windows NT и Novell NetWare могут использовать пространство для хранения данных на одном дисковом массиве Dell PowerVault Fibre Channel. Одни и те же серверы могут получать доступ к ленточным накопителям для резервного копирования, подключенным к сети SAN, не нагружая внешнюю корпоративную сеть передачи данных.

Сети хранения данных позволяют управлять корпоративной системой хранения данных. Одна из ключевых проблем отдела информационных технологий — необходимость масштабирования. Дополнительные серверы и устройства хранения данных можно добавлять в сеть SAN, не отключая существующие устройства. Еще одна ключевая проблема современной бизнес-среды — это доступность данных. Для решения этой задачи устройства, подключенные к сети SAN, образуют RAID, и их можно использовать в качестве хранилища общего доступа для отказоустойчивых кластеров. Кроме того, сеть хранения данных можно спроектировать таким образом, чтобы обеспечить резервные пути между подключенными устройствами.

Основные сведения о технологии Fibre Channel

Dell внедряет решения для создания SAN с использованием технологии Fibre Channel в качестве основы для внутренней сети. Технология Fibre Channel предоставляет высокоскоростной последовательный интерфейс, который объединяет функции хранения данных и сетевые технологии передачи данных. Она обеспечивает скорость передачи 1 Гбит/с и поддерживает различные типы кабелей, несколько протоколов и различные топологии соединений.

Потребность в новом интерфейсе

Требования к хранению данных могут быстро превысить ограничения, характерные для традиционных шин SCSI. Эта шина предлагает высоконадежный, высокопроизводительный канал передачи данных между системой и локально подключенным хранилищем, но ограничена как в плане масштабируемости (16 устройств на широкий канал SCSI), так и в плане длины кабеля (не более 25 м при использовании интерфейса дифференциальной шины высокого напряжения, или HVD).

Технология Ethernet решает проблемы с масштабируемостью и ограничениями длины кабеля, но имеет особенности, нежелательные для хранения данных. По своей конструкции сеть Ethernet, использующая стек протоколов TCP/IP, представляет собой ненадежную распределенную сеть. Она задействует хост-процессор для повторной сборки и упорядочения пакетов данных, которые могут поступать разными путями и с нарушением последовательности.

Технология Fibre Channel предлагает новый интерфейс, который сочетает в себе возможности SCSI и Ethernet и предлагает новые решения в ответ на многие ограничения, присущие данным стандартам. Этот новый интерфейс был разработан для создания высокопроизводительной, надежной и масштабируемой сети с низким уровнем задержек, оптимизированной для соединений «сервер — хранилище» и «сервер — сервер».

Возможности Fibre Channel

Стандарт Fibre Channel (ANSI X3.230-1994) обеспечивает следующие возможности:

• скорость передачи — 1 Гбит/с;
• максимальная длина кабеля — 10 км;
• разъемы меньшего размера и более тонкие кабели, чем при использовании SCSI;
• поддержка нескольких протоколов и наборов команд;
• определенные каналы и схемы передачи данных;
• гарантированная доставка кадров данных с возможностью управления потоком;
• аппаратное обнаружение ошибок для снижения нагрузки на сеть;
• поддержка топологий «от точки к точке», «управляемая петля» (FC-AL) или «логическая шина»;
• поддержка медных и волоконно-оптических кабелей.

Типы кабелей для Fibre Channel

Fibre Channel поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели. Оба типа кабелей обеспечивают одинаковую скорость передачи данных, но волоконно-оптический вариант позволяет использовать кабели большей длины. Особенности каждого из доступных типов кабелей описаны ниже.

Медный кабель

• высокоскоростной последовательный разъем передачи данных (HSSDC) или интерфейс DB-9;
• максимальная длина кабеля составляет 10 м при пропускной способности 100 Мбайт/с.

Одномодовый волоконно-оптический кабель

• передача светового сигнала по одному пути;
• максимальная длина кабеля составляет 10 км при пропускной способности 100 Мбайт/с.

Многомодовый волоконно-оптический кабель

• передача светового сигнала по нескольким путям;
• максимальная длина кабеля составляет 500 м при пропускной способности 100 Мбайт/с.

Примечание. Одномодовый волоконно-оптический кабель может передавать сигнал на большие расстояния, чем многомодовый вариант, так как в нем не возникает помех, связанных с переменным поглощением и отражением сигнала. Эти проблемы обусловлены тем, что световые волны взаимодействуют с оболочкой вокруг оптического волокна (хроматическая дисперсия).

Топологии для Fibre Channel

Стандарт Fibre Channel поддерживает три основные топологии: «от точки к точке», «управляемая петля» и «логическая шина». Эти топологии аналогичны топологиям «шина», «кольцо» и «звезда», которые встречаются в традиционных сетях передачи данных. Каждая топология имеет характерные особенности, преимущества и недостатки, которые будут рассмотрены ниже.

Топология «от точки к точке»

Наиболее базовым вариантом подключения, который поддерживается Fibre Channel, служит топология «от точки к точке» (прямое соединение). Эта топология используется для прямого соединения портов N_Port на двух узлах, что обеспечивает непосредственную связь между сервером и устройством хранения данных или между двумя серверами.

Благодаря установлению прямого соединения между двумя FC-устройствами топология «от точки к точке» обеспечивает полностью выделенное использование доступной пропускной способности, и такое соединение легко настраивать. Данное решение нельзя масштабировать, поэтому добавление новых устройств может потребовать больших затрат. Вследствие этого топология «от точки к точке» обычно используется для хранилища с прямым подключением и представляет собой вариант начального уровня для Fibre Channel. На рис. 1 ниже показан сервер и устройство хранения данных Fibre Channel, подключенные друг другу напрямую с помощью топологии «от точки к точке».

Рис. 1  

Топология «управляемая петля»

Управляемая петля Fibre Channel (FC-AL) обеспечивает масштабируемость, позволяя подключать до 126 устройств, которые образуют петлю. Общая пропускная способность сети с протоколом FC распределяется между устройствами в петле, которые перед отправкой данных должны получить контроль над петлей. Чтобы это сделать, узел посылает специальный сигнал, называемый примитивом (primitive). Если сигнал возвращается на инициирующий узел с адресом этого узла, он получает контроль над петлей. Этот метод организации доступа аналогичен схеме передачи маркеров, которая используется в сетях Token Ring.

В петле FC-AL устройства самостоятельно обнаруживают друг друга. Порт NL_Port на каждом узле позволяет любому узлу просканировать свою среду и начать работать с другими узлами в петле без вмешательства оператора. Если петля не подключена к FC-коммутатору, это частная петля. При подключении петли к порту FL_Port на коммутаторе она становится общедоступной. К петле можно подключить только один порт FL_Port. Для этого зарезервирован выделенный адрес (независящий от 126 адресов портов NL_Port). На рис. 2 ниже показаны четыре сервера и устройство хранения данных, подключенные с использованием топологии «петля».

Рис. 2 

Контроллерные полки с дисками (DPE) и полки с дисковыми массивами (DAE), например Dell PowerVault 650F/651F и PowerVault 630F/631F, позволяют создавать управляемые петли на распределительной плате. На рис. 3 ниже показан ряд дисков, соединенных с помощью резервной пары управляемых петель. Для определения наличия активного дискового узла на каждом доступном порте на распределительной плате используется схема обхода портов (Port Bypass Circuit, PBC). Схема PBC обеспечивает возможность «горячей» замены, размыкая петлю при установке нового диска или замыкая ее при сбое или извлечении диска. В концентраторах Fibre Channel также используются PBC, что позволяет прокладывать провода по централизованной схеме («звезда») и масштабировать сеть FC-AL без прерывания ее работы.

Рис. 3 

Топология «логическая шина»

Фабрика включает в себя FC-коммутаторы, которые формируют активную программируемую сеть без общего использования пропускной способности. Коммутаторы позволяют применять звездообразную топологию, которая обеспечивает максимальный уровень масштабируемости; см. рис. 4. Коммутаторы можно каскадировать с помощью канала ISL, чтобы увеличить доступное количество узлов. Теоретически фабрика может поддерживать 16 миллионов устройств. В случае с сетями SAN 3.0 Dell поддерживает использование 32 портов на фабрику и трех FC-коммутаторов на сеть SAN, чтобы обеспечить менее семи «переходов» между каналами ISL. Это снижает вероятность падения производительности в рамках фабрики.

Рис. 4

Самообнаружение и самонастройка в Fibre Channel значительно упрощают управление сетью FC с топологией «логическая шина». При включении каждого коммутатора или узла порты опрашивают устройство на другом конце кабеля, чтобы определить, как следует с ним взаимодействовать. Универсальные порты на FC-коммутаторах, например на Dell PowerVault 51F и PowerVault 56F, могут автоматически перестраиваться и работать как порты F_Port, FL_Port или E_Port. Если универсальный порт на коммутаторе подключен к порту N_Port на узле, он работает как порт F_Port. Если он подключен к петле FC-AL, то действует как порт FL_Port. Если порт коммутатора подключен к другому коммутатору, он действует как порт E_Port и формирует канал ISL между двумя коммутаторами.

Когда узел подключается к коммутатору, он автоматически выполняет вход и определяет, как взаимодействовать с фабрикой. Каждому порту коммутатора назначается 24-битный адрес. При подключении порта N_Port узла он наследует адрес, назначенный соответствующему порту F_Port на коммутаторе. Когда петля подключается к порту FL_Port коммутатора, она создает общедоступную петлю, наследуя первые 16 бит адреса этого порта и используя оставшиеся 8 бит для предоставления адресов участникам общедоступной петли. Из 128 возможных адресов один резервируется для связи с портом FL_Port коммутатора, а другой — для самой петли FC-AL. Таким образом к общедоступной петле может подключиться 126 узлов. На рис. 5 ниже показана общедоступная петля, состоящая из серверов и устройств хранения, подключенных к сети с топологией «логическая шина», сформированной с помощью Dell PowerVault 56F.

Рис. 5

Улучшение сети хранения данных

Масштабируемость и доступность — ключевые факторы при реализации SAN. Сеть с протоколом Fibre Channel и топологией «логическая шина» — это основа для реализации SAN. Но Dell также предлагает две дополнительные функции для повышения ценности решений, используемых для создания сетей хранения данных с протоколом FC. Зонирование фабрики позволяет улучшить масштабируемость за счет разделения ресурсов в рамках сети SAN, а резервирование повышает доступность ресурсов, подключенных к этой сети.

Зонирование фабрики

Зона в фабрике — это виртуальный канал (VC), который позволяет создавать и обслуживать группы ресурсов. Зонирование позволяет создавать каналы VC, содержащие логические устройства (LUN) хранения и группы серверов. С помощью соответствующего программного обеспечения можно поддерживать границы зон, а сеть хранения данных «разбить на части», или зонировать, чтобы создать защищенные среды хранения данных для отдельных серверов, групп серверов или кластеров. Узлы, которые относятся к определенной зоне, могут совместно использовать ресурсы. При этом узлы из разных зон логически изолированы друг от друга. При зонировании используются серверные службы QoS и назначения псевдонимов FC-коммутатора. Серверная служба QoS динамически определяет пропускную способность для каждой зоны. Сервер псевдонимов назначает распознаваемые имена узлам и зонам, чтобы упростить администрирование. Зонирование может значительно упростить управление сетью SAN и снизить требования к прокладке кабелей для нее.
Ниже перечислены некоторые преимущества создания зон:

• Это позволяет назначать логические устройства (LUN) серверам, группам серверов или кластерам, которые сосуществуют в одной сети хранения данных.
• Это повышает гибкость сети SAN, которая разработана для удовлетворения потребностей в хранении данных при решении различных рабочих задач или использовании разных серверных операционных систем.
• Это логически разделяет сеть SAN на группы ресурсов, которыми легче управлять.
• Это помогает обеспечить целостность данных путем создания и поддержания границ между зонами.

Резервирование

Создание резервных каналов между узлами в сети SAN позволяет выстроить конфигурацию, которая значительно снижает вероятность того, что из-за единой точки отказа данные, хранящиеся в сети SAN, станут недоступными. Общий метод резервирования включает следующие шаги:

• Оборудуйте каждый сервер, подключенный к сети SAN, двумя FC-адаптерами главной шины (HBA). Адаптер HBA предоставляет интерфейс Fibre Channel для сервера.
• Установите в каждую контроллерную полку с дисками, подсоединенную к сети хранения данных, два процессора СХД.
• Подключите один адаптер HBA от каждого сервера и один процессор СХД от каждой контроллерной полки с дисками к одному и тому же коммутатору, создав сеть с топологией «логическая шина».
• Подключите оставшийся адаптер HBA от каждого сервера и оставшийся процессор СХД от каждой контроллерной полки с дисками к другому коммутатору, создав идентичную сеть.
• Выполните аналогичные операции зонирования на обоих FC-коммутаторах.
• Используйте соответствующее программное обеспечение, чтобы управлять созданием резервных путей между сервером и узлами хранения.
• Используйте соответствующее программное обеспечение для мониторинга резервных путей и убедитесь, что связь не прерывается, если один из путей недоступен.