What Should You Know About Fibre Channel?
Before Fibre Channel appears, SCSI (small computer system interface) was used as the transmission interface between servers and clustered storage devices. But as the high speed demands keep increasing, Fibre Channel replaces SCSI inevitably due to its higher transmission data rate, flexibility, and long distance. This article is going to introduce you some details about Fibre Channel.
What Is Fibre Channel?
Fibre Channel, short for FC, is a technology for transmitting data between computer devices at data rate of 1, 2, 4, 8, 16, 128 Gbps. It’s mainly used in storage area networks (SAN) in commercial data centers. It’s useful for connecting computer servers to shared storage devices and for interconnecting storage controllers and drives.
Except optical fiber cable, Fibre Channel transceiver is the other vital equipment to connect the Fibre Channel network in data centers. It provides the interface between Fibre Channel systems and the optical fibers of the SAN. FS.COM offers SFPs and SFP+s that are compatible with Fibre Channel. Fiberstore Fibre Channel SFPs support the distance up to 80km and the data rate of 2G/4G. As to our Fibre Channel SFP+ transceivers, they can support the data rate up to 8Gbps and 10Gbps. In Fiberstore, you can also find some compatible brands of FC transceivers including Cisco, Juniper, Brocade, HPE, etc. What’s more, all these modules have been tested to assure 100% compatible. For your information, the following table shows some hot FC transceivers for 2G/4G and 8G/10G network applications.
Transfer to High Speed Fibre Channel
However, as the need for high-bandwidth never stops increasing, the data rate of 2G, 4G or even 8G can’t meet the high speed requirements. So many data centers move to higher Fibre Channel standards, for example, 16G Fibre Channel. 16G FC links increase the network speed twice as 8G FC and 40% faster than 10G FC. The transition to 16G FC makes data transfer smoother, quicker and cost-effective from the good side. But from the other side, the transition still faces some challenges. There might be some data communication error rates that may affect the network performance. And the physics of 16G FC can possibly bring some new restrictions on fiber cabling and transceiver modules. Therefore, before starting to transfer to higher speed Fibre Channel infrastructure, you should better follow the tips listed below.
First, cleaning issue. In fiber optics connection, contamination is thought as a big problem which may lead to link failure. So you should clean all the transceiver modules, connectors and other cable junctions to ensure there is no contamination in the fiber optic connection. Some fiber testers and cleaning tools are necessary for your cleaning work.
Second, analyze the optical power budget between transmit and receiver ports. It requires that the power margin (transmit power minus power loss during the data transmission through the cable) should be more than the receiver power of the optical transceivers. At the same time, it also should meet the FC protocol specification.
Third, measure the light level on the transmitting side and receiving side. You can use suitable fiber optical light source or optical power meter to measure the power level on critical links. If the power level were not in the right station, check whether the cable length is suitable or cable bend radius reaches the maximum. Then you are suggested to purchase customized bend insensitive fiber cable for your special use.
Fiber channel что это
6 Протокол Fibre Channel
В общем контексте Fibre Channel — это набор стандартов, разработанных в Национальном институте стандартизации США. Интерфейс Fibre Channel предоставляет высокопроизводительное последовательное подключение между хостом и единицами хранения, а также между самими единицами хранения. Стандарт позволяет обеспечить высокоскоростную передачу данных в сетях с топологией «точка-точка» и кольцо. Более того, Fibre Channel предоставляет все эти возможности вместе с проверкой ошибок.
В стандарте Fibre Channel определено пять функциональных уровней: от FC-0 до FC-4. Обратите внимание, что по практическим соображениям уровни FC-0, FC-1 и FC-2 реализуются аппаратно.
6.1 Уровень FC-0
Определяет физические характеристики интерфейса и носителя. В частности, посредством FC-0 определяются спецификации уровней сигналов, носителя и получателей/отправителей. Уровень FC-0 позволяет использовать несколько интерфейсов, что дает возможность выбирать разные скорости передачи данных и различные передающие среды. В качестве примера физической передающей среды можно привести медный провод, одномодовый и многомодовый кабели. Скорость передачи варьируется от 12,5 до 106,25 Мбайт/с.
Те, кто знаком с семиуровневой сетевой моделью ISO OSI, могут заметить, что FC-0 соответствует седьмому уровню модели ISO OSI.
6.2 Уровень FC-1
Определяет схемы кодирования и декодирования данных, сигналов и специальных символов, а также управление ошибками. Кроме того, уровень FC-1 отвечает за обслуживание линий связи.
Уровень FC-1 использует схему кодирования, которая называется 8В/10В. Схема проектировалась для того, чтобы обеспечить следующее:
■ эффективную синхронизацию данных;
■ расширенное обнаружение ошибок;
■ эффективное обнаружение управляющих символов;
■ упрощенное проектирование аппаратного обеспечения приемников/передатчиков.
Схема кодирования 8В/10В преобразует каждые 8 бит в два возможных значения, объемом 10 бит. Эти 10 бит используются в виде Ann.m, где А — значение К для индикации команды или D для индикации данных; nn — десятичное значения последних пяти битов байта; М — десятичное значение первых трех битов байта.
Два возможных значения появляются потому, что посредством спецификации выбирается одно из значений для кодирования данных при их передаче на базе недавней истории передачи. Это необходимо для того, чтобы обеспечить минимальное количество переходов состояния (между 0 и 1), что повысит эффективность передачи. Недавняя история передачи называется динамическим рассогласованием.
Как уже отмечалось, все данные кодируются с помощью 10 бит. Некоторые неиспользованные 10-битовые символы (в контексте данных) применяются для отделения фреймов и сигналов, включая сигналы о готовности порта для принятия данных, а также другие типы сигналов. Основное внимание уделяется обнаружению и исправлению ошибок на этапе передачи. Данные Fibre Channel всегда передаются группами по 4 байта, которые называются словами передачи (transmission words).
6.3 Уровень FC-2
Определяет передачу данных от одного узла к другому, т.е. непосредственно транспортный механизм. Уровень FC-2 формирует кадры, определяет классы обслуживания и службы регистрации связной архитектуры или портов. Этот уровень можно представить в качестве аналога уровню MAC (Media Access Control) в модели ISO OSI.
Уровень FC-2 определяет:
■ иерархию передачи данных Fibre Channel, которая включает в себя упорядоченные множества, кадры, последовательности и обмены;
■ управление потоком Fibre Channel;
■ классы обслуживания FC-2.
В Fibre Channel данные передаются с помощью кадров (frame). Кадр представляет собой эквивалент пакета TCP/IP. Кадры создаются из упорядоченных множеств и символов данных. Несколько кадров группируются вместе и формируют последовательность, а несколько последовательностей формируют обмен (exchange). Это демонстрируется на рисунке выше.
6.3.1 Упорядоченные множества Fibre Channel
Упорядоченные множества — это структуры последовательной передачи данных объемом 4 байта, которые представляют собой специальные символы или сигналы линии связи. Далее приведены примеры подобных множеств.
■ Разделители кадров SOF (Start Of Frame) и EOF (End Of Frame), которые являются аналогами пакетов SOF и EOF в сетях Ethernet. В отличие от Ethernet, в Fibre Channel определено несколько вариантов SOF и EOF, поскольку уровнем FC-1 используется схема кодирования, формирующая несколько представлений для каждого передаваемого символа.
■ Два базовых сигнала для указания состояния порта.
• Idle — указание, что порт готов для передачи или приема данных.
• Receiver Ready — указание, что буфер интерфейса (устройства взаимодействия) готов для приема данных.
■ Базовая последовательность. Простое упорядоченное множество, которое регулярно передается для указания особого статуса порта. К особым статусам относятся:
• Not Operational (NOS) — используется только в сетях с топологией «точка—точка» или в связной архитектуре (но не в кольце с разделением доступа) для указания на отказ в работе линии связи или появление определенной ошибки;
• Offline (OLS) — передается во время инициализации порта или при получении базового статуса NOS; таким образом, в ответ на NOS порт отправляет ответ OLS;
• Link Reset (LR) — используется для указания на необходимость повторной инициализации линии связи;
• Link Reset Response (LS) — используется для указания, что данные LR получены и обработаны.
6.3.2 Кадр Fibre Channel
Как пакет IP является базовым элементом протокола Internet (IP), так и кадр представляет собой основной структурный элемент интерфейса Fibre Channel. Существует три типа кадров.
1. Кадры управления линией связи (link control frames), используемые для отправки команды управления линией связи.
2. Кадры данных линии связи (link data frames), используемые для отправки данных, необходимых для управления линией связи.
3. Кадры данных устройства (device data frames), которые содержат данные для протоколов более высокого уровня, например данные, считанные с жесткого диска.
На рисунке показан заголовок кадра Fibre Channel. Кадр проектировался для передачи 2048 байт данных и необязательного заголовка размером 64 байт. Подобный размер кадра позволяет передавать за один раз большой объем данных с минимальными накладными расходами (около 1,5%). Однако при этом другому узлу придется ждать, пока завершится передача большого кадра, что подразумевает увеличение задержек в передаче. Сравним это с протоколом ATM (Asynchronous Transfer Mode), где кадр имеет размер 53 байт и накладные расходы протокола составляют около 10%. Это позволяет снизить задержки, но время передачи определенного объема данных возрастает.
Каждый кадр начинается и заканчивается специальным ограничителем, как и в других сетевых протоколах. Это SQF и EOF соответственно. Каждый кадр имеет заголовок, выполняющий несколько функций. Одна из них — это предоставление адресов назначения и источника для обеспечения коммутации данных. Еще одна задача состоит в переносе информации для управления линией связи, включая управление самой передачей.
Другие поля заголовка кадра Fibre Channel рассматриваются ниже.
■ Поле Destination_Id используется для маршрутизации кадра. В топологиях «точка-точка» и кольцо с разделением доступа маршрутизация может проходить обычным образом, что не относится к топологии коммутируемой связной архитектуры. Поле Source_Id предназначено для передачи сообщений об ошибках и для предотвращения циклов данных при маршрутизации.
■ Поля R_CTL и Туре используются для сортировки различных кадров уровня FC-4 по их прибытию в точку назначения. Таким образом, эти поля указывают, содержит ли прибывший кадр данные интерфейса SCSI, протокола IP или другие данные. Значения поля Туре описываются в таблице.
■ Поле R_CTL используется для указания содержимого кадра. Кадр может содержать данные или информацию для управления линией связи; в последнем случае кадры могут быть запрошенными и незапрошенными.
Значение
Описание
Базовое обслуживание линии связи
Порт Fibre Channel — расширенное обслуживание линии связи
Интерфейс ШЕЕ 802.2
Протокол Internet (IP)
Подчиненное устройство IPI ( Intelligent Peripheral Interface )
Основное устройство IPI
Целевое устройство SCSI
Код SBCCS (Single-Byte Command Code Sets)
Зарезервировано для новых типов шины
Уникально для производителя
■ Поле F_CTL используется для описания информации кадра, например первой или последней последовательности.
■ Поле DF_CTL указывает на присутствие или отсутствие необязательных заголовков;
■ Поля SEQ_Id и SEQ_CNT уникально идентифицируют счетчик последовательности обмена (см. раздел 4.6.3.3).
■ Поле 0X_Id (идентификатор обмена источника) используется для связывания кадра с определенным обменом исходного порта.
■ Поле RX_Id (идентификатор обмена ответчика) используется для связывания кадра с определенным обменом отвечающего порта.
■ Поле Relative Offset идентифицирует относительное смещение первого байта основного содержания кадра от базового адреса.
6.3.3 Последовательность Fibre Channel
Последовательность представляет собой набор кадров, которые передаются из одной точки в другую. Для исправления возможных ошибок каждый кадр содержит уникальный счетчик последовательности. Исправление ошибок осуществляется протоколом более высокого уровня, обычно на уровне FC-4. Обратите внимание, что все кадры в последовательности передаются в одном направлении (а не в обоих одновременно).
6.3.4 Обмен Fibre Channel
Несколько последовательностей составляют обмен (exchange). Обмены представляют собой последовательности двусторонних направлений; т.е. в обмен входят последовательности данных, передающихся в разных направлениях, хотя каждая последовательность передается только в одном направлении. При каждом обмене только одна последовательность может быть активна в текущий момент времени. Но, так как одновременно могут быть активны несколько обменов, различные последовательности из этих обменов также могут быть активны одновременно.
Каждый обмен выполняет одну функцию, например реализует команду SCSI Read.
6.3.5 Управление потоком Fibre Channel
Конечные узлы Fibre Channel взаимодействуют непосредственно друг с другом и не создают сеансовых подключений к промежуточным узлам.
Устройства не «подозревают» о коммутаторе связной архитектуры и концентраторе. Конечно, при этом коммутаторы и концентраторы обмениваются пакетами управления потоком с этими устройствами.
Механизм управления потоком требует, чтобы передающий порт не отправлял кадры быстрее, чем принимающий порт может их обработать. Порты Fibre Channel имеют буфера для временного хранения кадров и последующей их обработки. Под обработкой подразумевается отправка кадра на другой порт или передача кадра протоколу более высокого уровня. Схема управления потоком, которая используется в Fibre Channel, очень напоминает протокол плавающего окна в TCP/IP. Размер окна, представляющий собой количество кадров, которые можно отправить без подтверждения их приема, устанавливается сторонами обмена заранее. При этом согласованное значение не может быть изменено. Для каждого отправленного кадра размер окна уменьшается на единицу, а для каждого подтвержденного кадра — увеличивается на единицу. Управление потоком может осуществляться одним из двух способов: «точка-точка» или «буфер-буфер». При этом требуется совместное использование обоих методов.
Управление потоком по схеме «точка-точка» осуществляется между двумя конечными точками: источником данных (например, сервером) и получателем данных (например, жестким диском). Управление потоком «точка-точка» проводится между двумя портами типа N (между ними могут находиться промежуточные узлы). Два порта типа N регистрируют друг друга, в процессе чего каждый порт выделяет для себя определенное количество буферов у другого порта. Это количество называется резервированием буфера. Отправитель может отправлять количество кадров, не превышающее это значение. Получатель отправляет кадр АСК (позитивное подтверждение) для каждого успешно полученного и обработанного кадра, а отправитель при получении кадра АСК может увеличить значение резервирования (credit count) на единицу для каждого полученного кадра АСК. Получатель может подтвердить успешное получение нескольких кадров или даже целой последовательности и получатель должен будет, не ожидая подтверждения для каждого кадра в отдельности, увеличить количество кадров, которое можно отправлять.
Управление потоком по схеме «буфер-буфер» выполняется между двумя соседними узлами, которые представляют собой промежуточные узлы или находятся между конечным и промежуточным узлом. Таким образом, управление потоком от буфера к буферу выполняется между портами типа N или между портом F и портом N. Как уже отмечалось, порты обменивают-г ся данными, указывающими на количество буферов, зарезервированных для каждого узла. Эти значения могут отличаться, например один порт может выделить два буфера, а второй — четыре буфера. Получение кадра подтверждается кадром Receiver Ready, а не кадром АСК как в управлении потоком «точка-точка».
6.3.6 Протоколы FC-2
В стандартах Fibre Channel определены протоколы для управления передачей данных и линией связи. Кроме того, описаны дополнительные стандарты для поддержки протоколов более высокого уровня, применяемых на уровне FG-4. Эти протоколы описаны ниже.
■ Протокол Fabric Login, который определяет обмен параметрами между портом и коммутатором связной архитектуры.
■ Протокол Port Login, требующий, чтобы независимо от топологии («точка-точка», кольцо с разделением доступа или коммутируемая связная архитектура) два порта проводили взаимную регистрацию перед подключением друг к другу. Взаимная регистрация выполняется с помощью специального кадра PL0GI. С помощью протокола Port Login обеспечивается использование двух важных функций.
• Возможность получения информации о порте N, на котором выполняется регистрация. К такой информации относится описание классов обслуживания, поддерживаемых портом N.
• Инициализация буфера резервирования для управления потоком «точка-точка». Обратите внимание, что в контексте прямого подключения управление потоком «точка-точка» ничем не отличается от управления потоком «буфер-буфер».
■ Протокол Data Transfer, определяющий, как данные протокола верхнего уровня (уровня FC-4) передаются с помощью схем управления потоком.
■ Протокол Arbitrated Loop, который определяет методы инициализации и управления кольцом.
6.3.7 Классы обслуживания FC-2
Интерфейс Fibre Channel проектировался для обеспечения различных способов передачи данных. Ряд служб отличается такими характеристиками:
■ тип сервисного подключения, т.е. аналогично TCP или без установки подключения, как в UDP;
■ поддержка многоабонентской доставки (multicast);
■ поддержка уведомления о доставке или невыполненной доставке;
■ поддержка гарантированной доставки кадров в том же порядке, в котором они были отправлены;
■ тип предоставляемых служб, например резервирование пропускной способности для соединения, если служба ориентирована на соединение;
■ тип механизмов управления потоком данных.
Для предоставления широкого диапазона вариантов передачи данных, определено неколько классов обслуживания.
■ Тип Class 1 определяет выделенное подключение, подобное подключению TCP/IP. Как и в TCP, Class 1 гарантирует, что кадры доставляются в той же последовательности, в которой они были отправлены. Тип Class 1 используется при передаче больших объемов данных, когда время, потраченное на установку соединения, на порядок меньше времени, необходимого для передачи данных.
■ Тип Class 2 определяет обслуживание без подключения (по аналогии с дейтаграммами), при котором кадры потенциально могут быть доставлены не в той последовательности, в которой они отправлялись (что подразумевает смену последовательности кадров протоколом более высокого уровня). Как и в случае использования сетевых протоколов, обслуживание Class 2 имеет смысл тогда, когда объем передаваемых данных достаточно мал и накладные расходы на установку соединения сравнимы с расходами на передачу самих данных. Получатель кадра Class 2 должен отправить подтверждение при получении кадра.
■ Тип Class 3 также подразумевает обслуживание без установки подключения. Основное отличие от Class 2 состоит в том, что подтверждать успешное получение кадра нет необходимости. Это сравнимо с дейтаграммами IP, метод использования которых иногда в шутку называется «отправь и молись».
■ Тип Class 4, который также называется Intermix, является необязательным классом обслуживания. Класс гарантирует определенную пропускную способность кадрам Class 1, а оставшаяся пропускная способность используется для кадров Class 2 и Class 3;
■ Тип Class 6 представляет собой однонаправленное, ориентированное на подключение обслуживание с предоставлением возможности многоабонентской доставки (Class 5 зарезервирован).
В таблице собрана вся информация о классах обслуживания Fibre
Channel.
Обратите внимание, что большинство поставщиков поддерживают классы 1, 2 и 3. В то же время некоторые поставщики поддерживают только классы, не ориентированные на соединение (Class 2 и Class 3).
Fundamentals of Fibre Channel
Fibre Channel is a high-speed network technology used to connect server to data storage area network. It handles high performance of disk storage for applications on many corporate networks. It supports data backup and replication.
Fibre Channel is needed, as it is very flexible and enables the transfer of data at a faster speed.
The topologies, that bring about the flexibility in the fibre channel are –
- Point to point topology.
- Fibre channel arbitrated loop.
- Switched fabric topology.
NOTE –
Topology refers to the physical/logical arrangement of nodes or other devices in a network.
Basic port details, to know to understand the mentioned topologies –
| Port | Type | Associated Topology |
| N_port | Node | Point to point or Fabric. |
| NL_port | Node | Node connected to an arbitrated loop. |
| F_port | Fabric | Fabric port. |
| FL_port | Fabric | Fabric connected to an arbitrated loop. |
| L_port | Loop | Hub port on an arbitrated loop. |
| L_C_F | Loop | Link Control Facility [L_C_F] is a hardware facility that binds to each end of the link and governs transmission and reception of information. |
| E_port | Node | This inter-switch expansion port is used to connect to an E_port of another switch to build a larger fabric. |
| FC_switch | Switch | A network switch that interconnects servers and storage ports. |
Point to point topology :
- A single link connects two ports in this topology.
- This topology is inexpensive but it doesn’t require a hub.
- To create point to point configuration, you can provide multiple ‘N’ ports on each node.
- Each point to point connection provides the full bandwidth supported by ‘N’ ports. Depending on the type of the link (multi-mode or single-mode fiber), the two nodes can be separated by up to 500m ( multi-mode fiber ) or 10km (single-mode fiber).
Fibre channel arbitrated loop topology [FC-AL] :
- It is a high-speed fibre channel [FC] topology in which fibre channel ports/hubs use arbitration to establish a point-to-point circuit and prevent multiple ports/hubs from sending frames at the same time.
- Here devices are connected in a one-way ring. So, when ports/hubs in a loop topology have information to transmit, they must send out an arbitration signal to decide, which port/hub can use the channel. The port in control of the channel then sends an ‘open’ arbitrated signal to the destination port and transmits its information. Since all the ports in the loop are connected, every port will see and pass along the data, but ignore the data unless it is addressed to that particular port.
- FC-AL can join up to 126 ports on one controller.
- It is still used internally in many fibre channel switches but rarely to connect hosts to storage these days.
- FC- hubs provide bypass circuits that prevent the loop from breaking if one device fails or is removed.
NOTE –
A bypass circuit bypasses high-frequency components of power supply.
Fiber channel что это
Иначе говоря, сначала не было и речи, чтобы разделить такие, казалось бы, неразрывно связанные блоки, как собственно сервер (процессор, чипсет, память и вся соответствующая серверная обвязка) и его дисковый массив. Понимание оправданности разделения этих объектов на мейнстрим-уровне пришло позже, когда объемы данных возросли в геометрической прогрессии и продолжают расти. В принципе, размещение дискового массива внутри сервера вполне оправдано в некоторых ситуациях и сегодня, однако отрицать устойчивую тенденцию четкого разделения этих узлов было бы неправильно.
Для понимания необходимости подхода «разделяй и властвуй» приведем простой пример. Два независимых сервера объединены в локальной сети с несколькими выделенными устройствами хранения данных. Естественно, серверы способны обращаться к любым устройствам, но один из них в данный момент обрабатывает множество клиентских запросов, второму «дышится» несколько легче. В таком случае очередной запрос клиента к первому серверу вполне может быть перенаправлен на второй с аналогичным программным обеспечением, последний, в свою очередь, проведет необходимые операции с данными, размещенными на выделенном сетевом хранилище. Налицо оптимизация процесса.
При очевидных преимуществах данного подхода (в первую очередь, независимость работы сетевого хранилища данных от работы серверов) напрашиваются и вопросы. Ясно, что выделенное сетевое хранилище не может быть организовано простым набором дисков в массив. Требуется некий управляющий блок для оптимизации работы такого устройства — по сути, разновидность компьютера со специализированной операционной системой. А также, что не менее важно, развитые и гибкие методы подключения сетевого хранилища в сеть, ведь может возникнуть ситуация, когда при отличной производительности дисковой подсистемы хранилища доставку данных будет тормозить имеющийся транспорт. В таком случае метод коммутации может стать бутылочным горлышком всей затеи и способен свести на нет преимущества новой организации информационной системы, включающей сетевые хранилища данных.
Проблема очевидна, поэтому сегодня существует несколько вариантов ее решения. Точнее, суть вариантов одна но реализации разные. В рамках данной статьи мы рассмотрим наиболее популярные решения, широко применяющиеся для построения сетей устройств хранения SAN (Storage Area Network): Fibre Channel, Ethernet и InfiniBand.
Fibre Channel
Когда в 1988 году американский национальный институт по стандартизации зарегистрировал рабочую группу по разработке «практичного, недорогого и вместе с тем расширяемого метода для высокоскоростного обмена данными между ЭВМ, суперкомпьютерами, рабочими станциями, персональными компьютерами, накопителями и устройствами отображения», мало кто из сторонних наблюдателей верил в успех — слишком уж глобальна и вызывающе звучала постановка задачи. Новый интерфейс, уходящий корнями в мир UNIX, суперкомпьютеров и мейнфреймов, было решено назвать Fiber Channel, но через некоторое время создатели интерфейса вспомнили, что английское слово «fiber» часто ассоциируется с оптоволоконными линиями, поэтому оно было заменено на «fibre». Агрегатная пропускная способность топологий Fibre Channel может достигать порядка Тбит/с. В число предлагаемых сегодня на рынке устройств с поддержкой Fibre Channel входят коммутаторы, концентраторы, подсистемы хранения информации, устройства памяти и адаптеры.
Одним из важных преимуществ Fibre Channel является потенциальная возможность разместить отдельные узлы на большом расстоянии — до 10 км. Из-за строго ограниченной скорости распространения сигнала в носителе удаление узлов друг от друга в любом случае определяет некий лимит на время установления связи на логическом уровне. В случае, когда узлы разнесены на максимально допустимые для Fibre Channel 10 км, на передачу сигнала «туда-обратно» потребуется примерно 60 мкс, прежде чем узлы смогут установить связь и приступить к обмену данными.
Как и большинство стандартов коммутации, Fibre Channel определяет несколько физических и логических уровней. Наиболее низкий в общей иерархии Fibre Channel — физический уровень FC-0. На нем определяются физические характеристики двунаправленного последовательного соединения между точками-портами. В качестве среды распространения сигнала может быть применена классическая витая пара, коаксиальный кабель, а также оптоволоконный проводник. Иначе говоря, FC-0 регламентирует метод передачи полученных с более высокого иерархического уровня двоичных последовательностей данных. Нужно заметить, что именно уровень FC-0 позволяет варьировать скорость обмена данными в диапазоне 250 Мбит/с — 8 Гбит/с, не затрагивая более высокие уровни стандарта Fibre Channel.
Уровень FC-1 определяет протокол передачи и описывает, каким образом представить данные для электрических сигналов уровня FC-0; выполняет задачу соединения между двумя портами и декларирует метод исправления ошибок передачи, если таковые возникнут. На уровне FC-0 с использованием кодирования 8-битные отрезки данных принимают вид 10-битных последовательностей, сбалансированных по количеству нулей и единиц. Каждый байт, подлежащий передаче, преобразуется в четыре возможных комбинации для 10-битного вида, после чего из четырех комбинаций выбираются две наиболее сбалансированные. Существует два правила — не более четырех нулей или единиц подряд и не менее четырех нулей и единиц в 10-битном наборе. Таким образом, из двух 10-битных отрезков FC-0 осуществляет передачу того, первый символ которого отличается от последнего символа предыдущего — алгоритм кодирования выполняет функцию фильтра, значительно облегчая работу приемника. В итоге вероятность возникновения ошибки на переданный бит крайне мала.
Уровень FC-2 называется сигнальным и определяет иерархию посылок для установления связей между работающими через Fibre Channel приложениями. Объекты этого уровня — слова, кадры, пакеты и обмены. Минимальной единицей передачи выглядит слово, но обмен данными между узлами требует упаковки слов в контейнер-кадр. Один или несколько последовательных кадров составляют пакет, который представляет собой однонаправленную посылку от передатчика к приемнику.
Уровень FC-3 необходим для описания общих процедур при наличии двух или более портов в хосте. Последний уровень отображения протоколов FC-4 также является сугубо аппаратным и выполняет задачи преобразования различных протоколов в сигнальные и обратно.
Ethernet
Существует целый ряд рыночных факторов, которые, по утверждению отраслевых аналитиков, будут способствовать выходу технологии 10-Gigabit Ethernet на первый план. Традиционным стало появление своеобразного альянса компаний-разработчиков, задача которого — продвижение новой сетевой технологии. Не стала исключением и 10-Gigabit Ethernet (официальное наименование стандарта). 10-Gigabit Ethernet Alliance (10 GEA) — организация, в которую входят такие гиганты индустрии, как 3Com, Cisco, Nortel, Intel, Sun, и множество других (всего около восьмидесяти) компаний, была основана еще в 1999 году. Именно этот год принято считать отправной точкой развития десятигигабитного Ethernet.
Если в предшествующих версиях Fast Ethernet или Gigabit Ethernet разработчики позаимствовали отдельные элементы других технологий (FDDI и Fibre Channel соответственно), то спецификации нового стандарта создавались практически с нуля. Кроме того, 10-Gigabit Ethernet ориентирован на крупные транспортные и магистральные сети, например масштаба города, в то время как даже Gigabit Ethernet разрабатывался исключительно для применения в локальных сетях. Стандарт 10-Gigabit Ethernet предусматривает передачу информационного потока на скорости до 10 Гбит/с по одно- и многомодовому оптическому кабелю. В зависимости от среды передачи расстояние может составлять от 65 м до 40 км.
Основная задача проекта «10-Gigabit Ethernet» — расширить возможности протоколов семейства 802.3 для достижения пиковой скорости обмена данными с сохранением совместимости с уже инсталлированной сетевой инфраструктурой.
10-Gigabit Ethernet не является революционной вехой в развитии проводных вычислительных сетей, это всего лишь следующий логический этап после Gigabit Ethernet. Как утверждают разработчики 10-Gigabit Ethernet (или же, в официальных терминах, IEEE 802.3a,e), во главу угла было поставлено соблюдение таких традиций и свойств классического Ethernet «в чистом виде», как эффективность и простота внедрения.
Если логически 10-Gigabit Ethernet — продолжение Fast Ethetnet и Gigabit Ethernet, то на физическом уровне имеются весьма существенные различия. Сети 10-Gigabit Ethernet подразумевают использование оптоволоконных каналов связи, а также только полнодуплексного режима обмена данными, это означает, что необходимость в специальных протоколах обнаружения коллизий автоматически отпадает.
Согласно модели Open Systems Interconnection (OSI) международной организации по стандартам, Ethernet представляет собой протокол второго уровня (Layer 2). 10-Gigabit Ethernet, в свою очередь, использует протокол управления доступом к носителю Media Access Control (MAC) стандарта IEEE 802.3, формат кадра IEEE 802.3, а также минимальный и максимальный размер кадра стандарта IEEE 802.3 — это к вопросу о совместимости.
Предыдущие «вехи» в развитии Ethernet — 1000BASE-X и 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) — полностью соответствовали модели Ethernet. Новая технология стала преемником Ethernet в плане расстояния и скорости в связи с использованием волоконных каналов связи и полнодуплексного режима обмена данными. Необходимость в протоколе обнаружения коллизий CSMA/CD ( имевшему смысл применительно к более старым Ethernet-технологиям, в которых предусматривалась возможность использования полудуплексного режима обмена данными) отпала. Во остальном 10-Gigabit Ethernet полностью соответствует канонической модели Ethernet.
Согласно модели Ethernet, физическое устройство (PHYsical layer device, далее PHY), соответствующее первому уровню OSI, соединяет оптоволоконный или медный носитель с уровнем MAC, что соответствует второму уровню OSI. Архитектура Ethernet подразумевает дальнейшее деление объектов PHY на устройства, зависимые от физического носителя (Physical Media Dependent, PMD), и устройства подуровня физического кодирования (Physical Coding Sublayer, PCS). Для примера: оптические приемо-передатчики (трансиверы) — это устройства PMD.
Спецификация стандарта IEEE 802.3a, e определяет два типа устройств PHY — LAN PHY и WAN PHY. WAN PHY обладает расширенным набором возможностей в дополнение к функциям LAN PHY. Грубо говоря, WAN PHY — это PHY, включающий в состав простой недорогой фреймер SONET/SDH, который работает с пропускной способностью, совместимой с полезной пропускной способностью STS-192c/VC-4-64c. WAN PHY — это не интерфейс SONET/SDH, а асинхронный Ethernet-интерфейс.
На стадии проектирования сетей существует возможность выбора из достаточно большого количества стандартов. Имеется широкий круг интерфейсов, технологий, носителей для создания сетевых соединений — Ethernet (100, 1000, 10 000 Мбит/с), OC-12 (622 Мбит/с) и OC-48 (2,488 Гбит/с), SONET (Synchronous Optical Network — синхронная оптическая сеть) или подобная SDH-сеть (Synchronous Digital Hierarchy — синхронная цифровая иерархия), IEEE 802.17 (Resilient Packet Ring).
Как и технология Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet подразумевает поддержку одно- и многомодовых оптоволоконных кабелей. Для одномодового волокна новая технология предоставляет увеличенную «дальнобойность» связи — до 40 км, в отличие от 5 км для Gigabit Ethernet. В любом случае, даже величина 40 км значительно меньше потенциальной дальности распространения сигнала в оптоволоконном кабеле без необходимости регенерации — такой показатель наилучших кабелей составляет несколько тысяч километров.
InfiniBand
О том, что технология InfiniBand окончательно утвердилась, косвенно может свидетельствовать факт недавно появившейся официальной поддержки InfiniBand в ядре Linux — а эта операционная система занимает далеко не последнее место на рынке серверов и сетевых хранилищ данных. Однако показательно и то, что в 2002 году компания Microsoft объявила о прекращении дальнейших работ по развитию InfiniBand и приняла решение сфокусировать усилия на гигабитном Ethernet. Проведенный Microsoft опрос партнеров показал, что они заинтересованы в более традиционных решениях, а не в революционных. Многие предпочитают Gigabit Ethernet, так как он отличается от Ethernet только на физическом уровне и может использовать существующую сетевую инфраструктуру, в отличие от InfiniBand, хотя тот и позволяет достигнуть скоростей в несколько раз (а в перспективе и в десятки раз) больших.
Осенью 2000 года организация InfiniBand Trade Association, объединяющая свыше 220 компаний, объявила о выпуске InfiniBand Version 1.0 — первой версии нового скоростного интерфейса. Стандарт описывает архитектуру и спецификации на передачу данных между процессорами и интеллектуальными устройствами ввода/вывода. По сути, InfiniBand призван заменить в серверах шину PCI, обещая более распределенную структуру и большие пропускную способность и гибкость. Главными особенностями данной архитектуры можно назвать последовательный обмен данными, канальную технологию ввода/вывода и матричную топологию. Архитектура InfiniBand должна обеспечить два важных условия конкурентоспособности: возможность увеличения пропускной способности и сокращение времени отклика на обращения. Если подытожить эти сведения, InfiniBand — комбинация сети устройств памяти SAN, коммуникационной сети и шины ввода/вывода.
Сеть InfiniBand представляет собой коммутируемую инфраструктуру с виртуальными каналами связи типа «точка-точка». При этом, ввиду ее изначальной однородности, отсутствуют разделяемые шины и очевидные проблемы с их масштабируемостью. Для повышения отказоустойчивости в сети InfiniBand можно организовать альтернативные пути передачи данных, а подразумеваемые многочисленные подсети InfiniBand объединяются друг с другом с помощью маршрутизаторов. Каждое подключенное к сети устройство имеет канальный адаптер, конечную точку его соединения с коммутатором. Это может быть целевой канальный адаптер (Target Channel Adapter — TCA), предназначенный для устройств, предоставляющих сетевые услуги, или канальный адаптер хост-узла (Host Channel Adapter — HCA), которым предполагается оснащать вычислительные узлы, взаимодействующие с устройствами, поддерживающими InfiniBand.
Адаптеры TCA обеспечивают прямое подключение периферийных устройств к коммутаторам InfiniBand. Это могут быть RAID-массивы, вспомогательные средства резервного копирования, объемные хранилища дата-центров и концентраторы ввода/вывода. Последние оснащены коммутаторами InfiniBand и предназначены для подключения к сети других систем и устройств. В простейшей системе InfiniBand соответствующая технология используется в качестве замены внутренней шины ввода/вывода. При этом адаптер HCA подключается непосредственно к коммутатору, расположенному в шасси концентратора ввода/вывода. Архитектура InfiniBand обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с конкурирующими технологиями — спецификация InfiniBand определяет скорости передачи до 10 Гбит/с и выше.