Интерфейсы корпоративных систем хранения данных

Окончание. Начало см. PC Week/RE, №48/ 2000, с. 14

Интерфейс Fibre Channel

Кроме параллельных интерфейсов SPI, в стандарте SCSI-3 описаны еще и два последовательных интерфейса - Fibre Channel и SSA (Serial Storage Architecture), различающиеся лишь реализацией архитектурных моделей. Кстати, если вспомнить о мэйнфреймах, то там практически с момента их появления использовался разработанный корпорацией IBM (www.ibm.com) стандарт на последовательную передачу данных под названием ESCON (Enterprise Systems Connection). А вот для суперкомпьютеров Cray первоначально был разработан параллельный интерфейс HIPPI (High Performance Parallel Interface). Тем не менее большинство экспертов в настоящее время сходятся во мнении, что для передачи данных на большие расстояния преимущества последовательного интерфейса, к тому же работающего на высокой скорости, просто очевидны.

Корпорация IDC оценивает рынок Fibre Channel к 2002 г. в 15 млрд. долл., причем использовать эту технологию будет половина внешних систем хранения данных. Дело в том, что она идеально подходит для стратегии централизованной системы хранения данных SAN (Storage Area Network), когда дисковые и ленточные накопители находятся в своей отдельной сети, которая территориально может быть довольно далеко удалена от основных серверов компании.

Гигагерцевый адаптер Adaptec Fibre Card 9119G

Когда появились первые сети, призванные объединить компьютеры для совместной работы, оказалось, что лучше всего приблизить ресурсы к рабочим группам. Таким образом, в попытке свести к минимуму сетевую нагрузку накопители информации были равномерно разделены между множеством серверов и настольных компьютеров. В сети одновременно существуют два канала передачи данных: сама сеть, по которой идет обмен между клиентами и серверами, и канал, обеспечивающий обмен данными между системной шиной компьютера и собственно устройством хранения. Это может быть канал между контроллером и жестким диском или между RAID-контроллером и внешним дисковым массивом.

Такое разделение каналов во многом объясняется различными требованиями к пересылке данных. В сети на первое место встает доставка нужной информации одному клиенту из множества возможных, для чего необходимо создать определенные и весьма сложные механизмы адресации. Кроме того, сетевой канал предполагает значительные расстояния, поэтому здесь предпочтительна передача данных по последовательному соединению. А вот канал хранения выполняет весьма простую задачу, предоставляя возможность обмена с заранее известным накопителем данных. Единственное, что от него требуется, - делать это максимально быстро. Расстояния здесь, как правило, небольшие.

Однако современные сети сталкиваются с необходимостью обработки все больших и больших объемов данных. Высокоскоростные мультимедиа-приложения, обработка изображений нуждаются в более быстром вводе-выводе, чем когда-либо раньше. Организации вынуждены хранить все большие объемы данных в режиме online, что требует большей емкости внешней памяти. Ввиду необходимости страхового копирования больших объемов данных устройства вторичной памяти приходится относить на все большие расстояния от серверов обработки. В ряде случаев оказывается, что объединить ресурсы серверов и накопителей в единый пул для центра обработки информации с помощью Fibre Channel можно гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного набора - сеть Ethernet плюс интерфейс SCSI.

Институт ANSI зарегистрировал рабочую группу по разработке метода для высокоскоростного обмена данными между ЭВМ, суперкомпьютерами, рабочими станциями, персональными компьютерами, накопителями и устройствами отображения еще в 1988 г. В 1992-м три крупнейшие компьютерные компании - IBM, Sun (www.sun.com) и Hewlett-Packard (www.hp.com) организовали инициативную группу FCSI (Fibre Channel Sytems Initiative), перед которой была поставлена задача разработки метода быстрой передачи цифровых данных. Группой был создан ряд предварительных спецификаций - профилей. Поскольку физической средой для обмена информацией должны были стать волоконно-оптические кабели, то и в названии технологии фигурировало слово fiber. Однако несколько лет спустя в соответствующие рекомендации была добавлена возможность использовать и медные провода. Тогда комитет ISO (International Standard Organization) предложил заменить английское написание fiber французским fibre, чтобы как-то уменьшить ассоциацию с волоконно-оптической средой, при этом практически сохранив первоначальный вариант. Когда предварительная работа по профилям была завершена, дальнейший труд по поддержке и развитию новой технологии взяла на себя ассоциация разработчиков волоконно-оптического канала FCA (Fibre Channel Association), вошедшая в комитет ANSI. Помимо FCA была создана также независимая рабочая группа FCLC (Fibre Channel Loop Community), которая начала заниматься продвижением одного из вариантов технологии Fibre Channel - FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop). В настоящее время всю координационную работу по продвижению технологии Fibre Channel взяла на себя ассоциация FCIA (Fibre Channel Industry Association, www.fibrechannel.org). В 1994 г. стандарт FC-PH (физическое соединение и протокол передачи данных) был одобрен комитетом T11 ANSI и получил обозначение X3.203-1994.

Технология Fibre Channel обладает рядом преимуществ, которые делают этот стандарт удобным при организации обмена данными в группах компьютеров, а также при использовании в качестве интерфейса устройств массовой памяти, в локальных сетях и при выборе средств доступа к глобальным сетям. Одно из основных ее достоинств состоит в высокой скорости передачи данных.

FC-AL - это лишь одна из трех возможных топологий Fibre Channel, которая, в частности, используется для систем хранения данных. Кроме нее возможны топологии “точка - точка” (point-to-point) и звездообразная, построенная на основе коммутаторов и концентраторов (crosspoint switched). Сеть на базе коммутаторов, соединяющих множество узлов, в терминологии Fibre Channel называется fabric.

В “петлю” FC-AL можно включить до 126 устройств с возможностью “горячей” замены. При использовании коаксиального кабеля расстояние между ними достигает 30 м, в случае же волоконно-оптического оно увеличивается до 10 км. В основу технологии положена методика простого перемещения данных из буфера передатчика в буфер приемника с полным контролем этой и только этой операции. Для FC-AL совершенно неважно, как обрабатываются данные индивидуальными протоколами до и после помещения в буфер, вследствие чего тип передаваемых данных (команды, пакеты или кадры) не играет никакой роли.

Архитектурная модель Fibre Channel в деталях описывает параметры соединений и протоколы обмена между отдельными узлами. Эта модель может быть представлена в виде пяти функциональных уровней, которые определяют физический интерфейс, протокол передачи, сигнальный протокол, общие процедуры и протокол отображения. Нумерация идет от самого низкого аппаратного уровня FC-0, отвечающего за параметры физического соединения, до верхнего программного FC-4, взаимодействующего с приложениями более высокого уровня. Протокол отображения обеспечивает связь с интерфейсами ввода-вывода (SCSI, IPI, HIPPI, ESCON) и сетевыми протоколами (802.2, IP). Все поддерживаемые протоколы в данном случае могут быть использованы одновременно. Например, интерфейс FC-AL, работающий с IP- и SCSI-протоколами пригоден как для обмена “система - система”, так и для обмена “система - периферия”. Это исключает потребность в дополнительных контроллерах ввода-вывода, существенно уменьшает сложность кабельной системы, ну и, разумеется, общую стоимость.

Поскольку Fibre Channel - низкоуровневый протокол, не содержащий в своем составе команд ввода-вывода, то связь с внешними устройствами и компьютерами обеспечивается протоколами более высокого уровня, такими, как SCSI и IP (Internet Protocol), для которых FC-PH является транспортом. Сетевые протоколы и протоколы ввода-вывода (например, команды SCSI) преобразуются в кадры протокола FC-PH и доставляются адресату. Любое устройство (компьютер, сервер, принтер, накопитель и т. д.), имеющее возможность обмена данными по технологии Fibre Channel, называется N-портом (Node port) или просто узлом. Таким образом, основное назначение Fibre Channel состоит в манипуляции различными протоколами высокого уровня с использованием различных сред передачи и уже существующих кабельных систем.

Высокая надежность обмена посредством Fibre Channel обусловлена двухпортовой архитектурой дисковых устройств, циклическим контролем передаваемой информации и заменой устройств в “горячем” режиме. Протокол поддерживает практически любые применяемые сегодня кабельные системы. Однако наибольшее распространение получили только два носителя - оптика и витая пара. Оптические каналы используются для соединения устройств сети Fibre Channel, а витая пара - для соединения отдельных компонентов в устройстве (например, отдельных дисков в дисковой подсистеме).

Стандарт предусматривает несколько полос пропускания и поддерживает скорость обмена при односторонней передаче 200 Мб/с. Стоит отметить, что рабочая группа 10 GFC (10 Gigabit Fibre Channel) ассоциации FCIA уже завершила работу над одноименным стандартом, которая была начата летом 1999 г. под руководством комитета T11 ANSI. По мнению экспертов, новая спецификация обеспечит увеличение скорости передачи почти в 12 раз. Появление новых устройств планируется на 2002 г. Отметим, что оборудование для Fibre Channel может быть условно разбито на четыре основные категории: адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, - причем последние широкого распространения пока не получили.

Решения на базе Fibre Channel обычно предназначены для организаций, которым необходимо поддерживать большие объемы информации в режиме online, ускорить операции обмена с первичной (жесткие диски) и вторичной (стримеры) внешней памятью для сетей с интенсивным обменом данных, удаление внешней памяти от серверов на бо/льшие расстояния, чем это допускается в стандарте SCSI. Типичными областями применения решений Fibre Channel являются базы и банки данных, системы анализа и поддержки принятия решений, основанные на больших объемах данных, системы хранения и обработки мультимедийной информации для телевидения, киностудий, а также системы, где диски из соображений безопасности должны быть удалены на значительные расстояния от серверов.