Fibre Channel als Basis für Storage-Area-Networks

27.11.2002
Die Durchsetzung von sogenannten Storage Area Networks (SANS) am Markt wurde von Fachleuten seit langem prognostiziert. Doch erst die Zunahme des Datenverkehrs und -volumens in Intranets und die verstärkte Nutzung von E-Commerce Anwendungen machten eine Vernetzung der Speicherkomponenten in einer "any-to-any"-Konfiguration notwendig.
Glasfaserkabel

Hierbei nutzen die SAN-Lösungen die bewährte Fibre-Channel Technik und die aus der LAN Welt bekannten Hub-, Switch- und Bridge-Komponenten. Welche Funktionen sich hinter einem SAN-Konzept verbergen und wie sich dessen Mechanismen in die Praxis umsetzen lassen, schildert der Autor, der freie Fachjournalist Matthias Hein im nachfolgenden Beitrag.

Mit LAN- und Intranet-Techniken fließen heute Daten problemlos zwischen unterschiedlichen Servern und Server-Farmen. Die Standardisierung der Übertragungskomponenten hatte eine weltweiten Boom in Entwicklung und Produktion zur Folge. Der Handel mit LAN-Produkten wurde zum Massenmarkt und die Vernetzungskosten reduzierten sich proportional zu den verkauften Stückzahlen.

Mit LAN- und Intranet-Techniken fließen heute Daten problemlos zwischen unterschiedlichen Servern und Server-Farmen. Die Standardisierung der Übertragungskomponenten hatte eine weltweiten Boom in Entwicklung und Produktion zur Folge. Der Handel mit LAN-Produkten wurde zum Massenmarkt und die Vernetzungskosten reduzierten sich proportional zu den verkauften Stückzahlen.

In der Vergangenheit wurden Speichermedien, wie externe Laufwerke oder Bandkomponenten, einfach über eine SCSI Schnittstelle an die venetzten Unix- und NT-Rechner angeschlossen. Obwohl der SCSI-Standard inzwischen von allen Herstellern unterstützt wird, stößt diese Technik in der Praxis sowohl bei der Adressierung, als auch bei der Bandweite und den maximalen Kabeldistanzen an ihre Grenzen. Außerdem müssen Systemadministratoren die SCSI-Ressourcen im Netz separat verwalten.

Dabei war in den vergangenen Jahren eine Reihe von Weiterentwicklungen von Hochleistungsrechnern zu beobachten. Neben Performance-Verbesserungen in Datennetzen überschwemmten auch neue datenintensive Multimedia-Applikationen den Markt.

Doch obwohl die Entwickler den Datendurchsatz erhöht hatten, haben sie es versäumt, Komponenten im Speicherbereich, Displays und andere periphere Geräte dementsprechend zu verbessern. Die Verbindungen zwischen Computern und 1/0Komponenten erfüllen inzwischen nicht mehr die Geschwindigkeits- und Performance-Anforderungen der Industrie. Als Lösung kam hier der kostengünstige "Fibre Channel" (FC) unter der Federführung des "American National Standard Instituts" (ANSI) gerade recht. Inzwischen wird der Zusammenschluß mehrerer FC-Komponenten in einem Netz als Storage Area Network (SAN) bezeichnet.

DIE BASIS: FIBRE CHANNEL

In der Datenkommunikation unterscheidet man zwei verschiedene Verbindungstypen: Channels und Netze. Der Channel stellt eine direkte oder geswitchte Punkt-zuPunkt Verbindung zwischen Kommunikationsteilnehmern her. In der Regel ist ein Channel aus reinen Hardware-Komponenten aufgebaut, dafür transportiert er die Daten mit einer extrem hohen Geschwindigkeit und einem geringen Protokoll-Overhead. Das Netz hingegen besteht aus einem losen Zusammenschluß verteilt installierter Knoten, die mit Hilfe eines speziellen Protokolls die Daten untereinander austauschen können.

Durch die hierfür verwendeten höheren Protokolle entsteht aber ein relativ hoher Protokoll-Overhead. Aus diesem Grund sind Netze in der Praxis langsamer als Channels. Sie bieten jedoch den Vorteil, daß über derartige Verbindungen eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben und Funktionen realisierbar ist. Auch dem Aufbau von unterschiedlichen Verkehrsbeziehungen sind kaum Grenzen gesetzt. Dagegen garantiert ein Channel nur Verbindungen zwischen wenigen festgelegten Komponenten.

Die Fibre-Channel Technologie kombiniert nun beide Mechanismen. Damit ist der Aufbau einer aktiven intelligenten Interconnection-Komponente möglich. An diesen - auch "Fabric" genannten - Fibre-Channel Switch können anschließend die jeweiligen Geräte angeschlossen werden. Die Aufgabe eines Fibre-Channel Ports besteht darin, die einfache Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen einem angeschlossenen Endgerät und der "Fabric" aufrechtzuerhalten.

Der Fibre Channel stellt somit eine serielle High-Performance Verbindung zur Verfügung, die sowohl die FC-Protokolle als auch Vermittlung in höheren Schichten, wie FDDI, SCSI, HIPPI und IPI, unterstützt. Mit Hilfe des Fibre Channels können große Datenmengen relativ schnell, nämlich mit bis zu mehreren Gigabits pro Sekunde, über die jeweiligen Verbindungen übertragen werden. Durch die Berücksichtigung des FC-Standards beim Design eines LAN-Switehes, kann diese Technologie sogar in ein lokales Netz integriert werden.

Schemazeichnung: FIBRE-CHANNEL ARCHITEKTUR

FIBRE-CHANNEL ARCHITEKTUR

Der FC-Switch baut zwischen den angeschlossenen Komponenten zwei unidirektionale Glasfaserverbindungen auf. Dabei wird der Endgeräte-Port ("N-Port") mit dem Port der "Fabric" ("F-Port") verbunden. Das FC-System beruht darauf, daß die Ports zweier FC-Komponenten untereinander eine direkte feste Verbindung aufbauen. Eine -,Fabric" kann als Circuit-Switch, aber auch als aktiver Hub oder als Loop zum Einsatz gelangen. Fibre Channel unterstützt unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten. Sie reichen von 133 MBit/s, über 266 und 530 MBit/s bis zu 1 Gbps, je nach Art der verwendeten optischen und elektrischen Übertragungsmedien. Diese bestimmen auch die maximale Länge einer FC-Verbindung. So können beispielsweise über Monomode-Glasfasern mit langweiligen Laserdioden Daten mit 1 Gbps über eine Distanz von zehn Kilometern übertragen werden.

BUNTE PROTOKOLL-VIELFALT

Die Informationen über das Medium selbst sind beim Fibre-Channel in den Protokollen enthalten, die ebenfalls übertragen werden. Es handelt sich hierbei um Angaben für die höheren Schichten oder um die Statusinformationen, die zum Managen des Fibre Channels selbst notwendig sind. Die Übermittlung von Verbindungsfehlern besorgen die sogenannten "Sequence"-Protokolle.

Mit Hilfe der "Fabric-Login"-Protokolle tauscht ein N-Port mit der jeweiligen "Fabric" Dienstparameter aus. Denn bevor der eigentliche Datentransfer zwischen zwei N-Ports stattfindet, tauschen die beiden an der Verbindung beteiligten Ports mit Hilfe des "N-Port-Login"-Protokolls ihre jeweiligen Dienstparameter untereinander aus. Um Daten einer höheren Schicht über den Fibre Channel übermitteln zu können, werden die Datentransferprotokolle verwendet. Diese wiederum benutzen die Flow-Control-Mechanismen der unteren Schichten des Fibre Channels. Zum Abbau der Verbindung zwischen zwei N-Ports wird das schließlich das "N-Port-Logout"-Protokoll verwendet.

QUALITÄTSSICHERUNG DURCH VERSCHIEDENE DIENSTKLASSEN

Um eine effiziente Ubertragung der unterschiedlichen Datentypen über eine FC-Verbindung zu garantieren, sind im Fibre-Channel Standard drei, beziehungsweise vier Dienstklassen definiert. Diese werden - abhängig von den verwendeten Applikationen und von der Paketlänge der Übertragungsdauer - von dem jeweiligen Fabric-Login-Protokoll ausgewählt.

Als Klasse 1 gilt derjenige FC-Dienst, der eine dedizierte Verbindung zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt. Derartige Dienst garantieren ein Maximum an verfügbarer Bandbreite zwischen zwei N-Ports. Die "Fabric" garantiert die korrekte Übertragung der Pakete in der ursprünglichen Reihenfolge. Alle so übermittelten Pakete werden vom Empfänger durch ein Acknowledgment-Signal (ACK) bestätigt. Die Dienstklasse 1 sorgt dafür, daß alle Datenpakete in der gleichen Reihenfolge beim Empfänger ankommen, wie sie vom Sender abgeschickt wurden.

Nur einen verbindungslosen Datendienst offeriert hingegen die FC-Dienstklasse 2. Da kann es schon vorkommen, daß die verfügbare Bandbreite zwischen mehreren Sendern mittels des Multiplexmechanismus geteilt wird. Die Fabric kann auch nicht mehr die Übertragung der Pakete in der ursprünglichen Reihenfolge garantieren. Alle mit Dienstklasse 2 übermittelten Pakete werden vom Empfänger ebenfalls durch Acknowledgment-Zeichen bestätigt. Kann der Empfänger keine Pakete mehr annehmen, sendet er ein Busy-Paket und informiert den Sender über seine temporäre Überlast.

Die Dienste der Klasse-3 entsprechen im wesentlichen denen der Klasse 2. Einziger Unterschied: die fehlende Empfangsbestätigung. Der FC-Mechanismus arbeitet selbst lediglich auf Pufferebene. Diese Art des Datentransfers wird auch als Datagrammübertragung bezeichnet. Sie bietet den schnellsten Datentransfer zwischen zwei FC-Komponenten und wird daher gern zur Übermittlung von zeitkritischer Daten verwendet.

INTELLIGENTE VERKEHRSLENKUNG

Der Fibre-Channel Standard bietet noch einen optionalen Service, den Intermix-Modus. Mit seiner Hilfe wird die Serviceklasse 1 erweitert. Den Klasse-1-Paketen wird dabei eine bestimmte Bandbreite garantiert. Steht genügend zusätzliche Bandbreite zur Verfügung, können Pakete der Klassen 2 und 3 dieser Verbindung parallel zugeleitet werden.

BEWÄHRTE WERKZEUGE WEITERHIN VERWENDBAR

Zum Management eines mittels Fibre Channels realisierten SANs steht dem Systemadministrator das aus der Datentechnik bekannte Simple Network Management Protocol (SNMP) zur Verfügung. Dieses basiert auf dem TCP/IP Protokollstack und bietet die wesentlichen Alarm und Managementfunktionen, die in einem Storage Area Network benötigt werden.

Mit freundlicher Genemigung durch den Author Matthias Hein


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