Стандарты san
Не стоит рассматривать сети хранения данных в привязке к конкретному набору стандартов. SAN – это подход к доступу и управлению жизненным циклом информации с использованием выделенной сети. При этом, в качестве протоколов передачи данных могут выступать различные стандарты, например Fibre Channel (FC-SAN) или iSCSI (IP-SAN)[4] (Рис. 4), а в качестве среды передачи – медные или оптические кабели.
Рис. 4. Различные виды SAN
Кроме того, существует классификация типов сетевого доступа к данным по тому, где происходит преобразование блоков данных в структуры файловых систем (Рис. 5):
В системах с блочным доступом за файловые системы отвечает ОС сервера;
В NAS системах (Network Attached Storage) доступ к сетевым файловым системам (NFS, CIFS) обеспечивают контроллеры устройств хранения.
Рис. 5. Сравнение SAN и NAS
Обзор протоколов san
Протоколы применяются на всех уровнях обмена данными, начиная от физической среды и кабелей и заканчивая уровнем приложений. При «общении» двух устройств задействуются протоколы разных уровней. Данный раздел посвящен описанию протоколов, применяемых сегодня в индустрии хранения данных. Основной акцент делается на сетевом уровне модели OSI-RM и меньше внимания уделяется протоколам уровня приложений.
4.1 SCSI
Протокол Small Computer Systems Interconnect (SCSI) является основной технологией для построения современных инфраструктур хранения. Первоначально он был разработан как протокол для прямого подключения устройств хранения DAS с короткой шиной, напрямую связывающей контроллер SCSI с одним и только одним хостом. Дальнейшие усовершенствования SCSI улучшали показатели протокола, однако у стандарта все же оставались ограничения, присущие DAS. Современные решения SAN инкапсулируют протокол SCSI в другой транспорт, обычно Fibre Channel. Такое отображение позволяет использовать стандартизацию SCSI (как официальные стандарты, так и стандарты де-факто для их применения на практике), поэтому вендоры, разрабатывающие решения для подключения к SAN хостов и устройств хранения, ведут проектирование и тестирование на основе стандартов SCSI. Это также снижает риск внедрения таких протоколов SAN, как Fibre Channel, ведь основные протоколы сети тщательно протестированы и обладают высокой стабильностью, поскольку протокол FC в значительной степени унаследовал коды от протоколов SCSI, которые успешно используются на практике уже несколько десятилетий.
4.2 Fibre Channel
Основной протокол, используемый сегодня для SAN - Fibre Channel. Это единственный протокол, каждый уровень которого спроектирован в расчете на сети хранения, поэтому FC чаще всего используется в SAN как наиболее технологически совершенный.
4.2.1 Стек протоколов Fibre Channel
Fibre Channel состоит из набора протоколов, начиная от физического уровня и заканчивая уровнем приложений. Графическое представление стека содержится на рисунке 6. Этот набор протоколов появился в 1994 году и быстро стал стандартом, с которым сравнивали другие протоколы SAN. Fibre Channel используется на практике более пятнадцати лет и успешно применяется для критически важных приложений – на его долю приходится более 90% всех инсталляций SAN. Доля всех остальных технологий SAN, включая SAN на основе стандарта IP, не настолько велика. Сначала подсистемы Fibre Channel работали на скорости 250 Mb/s, но современные сети FC могут использовать скорости 1 Gb/s, 2 Gb/s, 4 Gb/s, 8 Gb/s или 10 Gb/s.
Кроме определения поведения продуктов и сервисов Fibre Channel, стандарты FC определяют инкапсуляцию протоколов высокого уровня (например, SCSI или IP) для их передачи по FC сетям и инкапсуляцию Fibre Channel для передачи по другим протоколам, таким как ATM, SONET/SDH или IP.
Рис. 6. Стек протоколов FC
На рисунке 7 наглядно показано, как поток данных идет по уровням Fibre Channel между приложениями на хосте и энергонезависимыми носителями (non-volatile media) в RAID-массиве.
Рис. 7. Поток данных по стеку протоколов FC
В этом примере приложение на хосте генерирует блок данных, который записывается на массив. Оно «говорит» об этом операционной системе (ОС), которая в свою очередь передает эту информацию драйверу адаптера (Host Bus Adapter, HBA). Обычно драйвер получает указатель на область памяти, куда записаны данные, а не сами данные (это улучшает эффективность). Драйвер HBA «говорит» аппаратуре HBA где взять данные и куда их записать, в результате перемещение данных между памятью и сетью выполняет только HBA без использования ресурсов центрального процессора. HBA считывает блок данных из ОЗУ основной системы, инкапсулирует данные через уровни FC и пересылает в сеть поток пакетов. На другом конце сети RAID-массив выполняет аналогичные операции для записи данных на нужный диск (или набор дисков). Стоит отметить, что тот же HBA, который в данном примере передает SCSI по Fibre Channel, может передавать IP по FC на уровне FC-4. При этом трафики IP и SCSI будут обрабатываться параллельно. Важным моментом при рассмотрении механизма взаимодействия устройств SAN является то, что передача достаточно большого количества данных через Fibre Channel HBA практически не загружает центральный процессор, т.к. все накладные расходы берет на себя оптический адаптер.
В большинстве приложений SAN использует «родной» Fibre Channel для передачи SCSI (FCP), что позволяет получить очень эффективный стек протоколов. Однако на практике мощность лазера сильно ограничивает расстояния, на которые можно разносить устройства. Расстояния можно увеличить с использованием мультиплексоров, а также шлюзов протоколов ATM, SONET/SDH, FCIP или iFCP.
4.2.2. xWDM
В случае если расстояние между объектами превышает возможности FC оборудования, связь между объектами можно обеспечить, используя технологии спектрального мультиплексирования – CWDM (Coarse Wawelength – Division Multiplexing) или DWDM (Dense WDM). Технология спектрального мультиплексирования (WDM) предназначена для передачи данных, поступающих в единую транспортную магистраль от различных источников на разной скорости и с использованием разных протоколов (Fibre Channel, Ethernet и т.д.). При помощи мультиплексирования в едином световом потоке, пересылаемом по оптическому волокну, можно объединить свыше восьмидесяти информационных каналов с разной длиной волны. На приемной стороне осуществляются демультиплексирование каналов и выделение информационных сигналов с преобразованием их к исходному виду.
4.2.3 ATM и SONET/SDH
Выше уже упоминалось, что протокол Fibre Channel может передавать трафик различных протоколов (например, SCSI или IP) и в свою очередь его можно инкапсулировать в другие протоколы. Например, можно передавать пакеты Fibre Channel через сети ATM или SONET/SDH. Это используется, когда нужно обеспечить высокую производительность и надежность в кампусных сетях, MAN или WAN, где нельзя использовать «родной» Fibre Channel.
ATM расшифровывается как Asynchronous Transfer Mode. Это транспорт на основе коммутации ячеек, который используется в небольших крупных сетях от LAN до WAN. ATM передает короткие блоки данных фиксированной длины. Когда большие блоки данных, например, пакеты FC, передаются по сети ATM, они разбиваются на ячейки и на выходе из сети снова собираются.
SONET расшифровывается как Synchronous Optical Networks. В Европе и Азии эта технология называется Synchronous Digital Hierarchy (SDH), поэтому для ее обозначения часто используется сокращение SONET/SDH. Этот протокол вносит минимальную задержку, способен поддерживать полную полосу пропускания FC, отличается высокой надежностью и может работать на достаточно большом расстоянии.
У решений ATM и SONET/SDH производительность и надежность лучше, чем у решений IP SAN, которые рассматриваются далее в главе, но и стоят они дороже.
4.2.4. Fibre Channel over IP
Наименее революционным из трех названых выше является протокол Fibre Channel over IP. Он не вносит практически никаких изменений в структуру SAN и в организацию самых систем хранения данных. Главная идея этого протокола — реализация возможности объединения географически отдаленных сетей хранения данных [4].
Вот так выглядит стек протокола FCIP (Рис. 8):
Рис.
8. Нижние уровни протокола FCIP
FCIP помогает эффективно решить задачу территориального распределения, и объединения SAN на больших расстояниях. Его основными преимуществами является то, что этот протокол полностью прозрачен для существующих FC SAN сетей и ориентирован на использование инфраструктуры современных MAN/WAN сетей. Таким образом, для обеспечения новой функциональности пользователям, которые ищут возможности связать между собою географически отдаленные FC SAN, будет нужен всего лишь FCIP шлюз и подключение к MAN/WAN сети. Географически распределенная SAN, построенная с помощью FCIP, воспринимается SAN устройствами как обычная FC сеть, а для MAN/WAN сети, к которой она подключенная, она представляет обычный IP трафик.
Draft стандарт рабочей группы IETF IPS — FCIP определяет:
правила инкапсуляции FC кадров для передачи через TCP/IP;
правила использования инкапсуляции для создания виртуальной связи между FC устройствами и элементами FC сети;
окружение TCP/IP для поддержки создания виртуальной связи и обеспечение тунелирования FC трафика через IP сеть, включая безопасность, целостность данных и вопрос скорости передачи данных.
Среди прикладных задач, которые можно качественно решить с использованием FCIP протокола: удаленное резервирование, восстановление данных и общий доступ к данным. При использовании высокоскоростных MAN/WAN коммуникаций можно также с успехом применять: синхронное дублирование данных и общий распределенный доступ к системам хранения данных.
4.2.5. iFCP
Internet Fibre Channel Protocol — это протокол, который обеспечивает передачу FC трафика поверх TCP/IP транспорта между шлюзами iFCP. В этом протоколе, транспортный уровень FC замещается транспортом IP сети, трафик между FC устройствами маршрутизируется и коммутируется средствами TCP/IP. Протокол iFCP предоставляет возможность подключать существующие FC системы хранения данных к IP сети с поддержкой сетевых сервисов, которые нужны этим устройствам.
Стек протокола iFCP имеет такой вид:
Рис.
9. Нижние уровни протокола iFCP
iFCP, согласно спецификации:
накладывает кадры FC для их транспортирования на предварительно определенное TCP соединение;
FC сервисы передачи сообщений и маршрутизации перекрываются в шлюзовом устройстве iFCP, таким образом, сетевые структуры и компоненты FC не сливаются в общую FC SAN, а управляются средствами TCP/IP;
динамично создает IP туннели для FC кадров.
Важной особенностью iFCP является то, что этот протокол обеспечивает FC device-to-device связь (связь между устройствами) через IP сеть, которая является значительно более гибкой схемой, если сравнивать ее со связью SAN-to-SAN. Так, например, если iFCP имеет TCP связь между парами портов N_Port двух FC устройств, такая связь может иметь свой собственный уровень QoS, который будет отличаться от уровня QoS другой пары FC устройств.