Что такое Fiber Channel: преимущества и разбор топологий

Содержание Что такое Fibre Channel Ключевые компоненты FC История Fibre Channel Объяснение FC Преимущества сетей FC Актуальные стандарты Fiber Channel на момент 2024 года FC 8G FC 16G FC 32G FC 64G FC 128G Популярные топологии FC Коммутаторы FC Адаптеры FC Сводная таблица рекомендуемых адаптеров для построения FC сетей Где применяется FC в 2024 году Что такое Fibre Channel Fibre Channel (FC) – способ передачи данных по сети, предназначенная для подключения серверных узлов к специализированным сетям хранения данных. Она применяется в серверных комнатах, ЦОД оперирующих скоростями до 64Gb/s на канал.  Технология была создана для преодоления лимитов интерфейсов HIPPI и SCSI. На волне роста требований к скорости СХД протокол FC активно развивается. Использование FC особо востребовано при подключении серверов к дискам, СХД, а также связующим контроллерам. Благодаря FC, удается высокоэффективно управлять большими объемами корпоративных данных. Эксплуатация FC обеспечивает передачу данных в несколько раз быстрее сетей Ethernet за счет внутренних оптимизаций. Интерфейс FC был разработан для СХД. Дальность коммутации, обеспечиваемая FC может быть до нескольких километров, если подключение выполняется с помощью оптоволоконного кабеля. Также FC может работать на обыкновенных телефонных и коаксиальных кабелях. Но в случае подключения свыше 30 метров медные кабели не используются. На момент 2024 года FC с вероятностью 99% коммутируется при помощи оптоволокна. Адаптер Emulex - производительное решение для работы с сетями FC Функционально FC больше напоминает Ethernet, особенно при перенаправлении потоков данных. Зачастую неопытные пользователи путают сети Ethernet с FC, которая объединила в себе многофункциональность сетевых интерфейсов и эффективность SCSI шин. Фабрики FC могут работать в разнообразных топологиях. Поскольку данные FC во много раз оперативнее SCSI, FC удалось надежно закрепился в соединениях между сегментами кластеров и отдельными серверами. Однако FC способна осуществлять передачу SCSI, применяя протокол FCP. FCP это специализированное решение для повышения совместимости между Ethernet, SCSI и FC. Fiber Channel способен повысить эффективность применения Flash памяти в производительных средах, которые используют протокол NVMe-oF. Ключевые компоненты FC Базовые элементы FC подразделяются на следующие категории: HBA-адаптеры. Адаптеры хост шины FC представляют собой карты, которые обеспечивают подключения server к коммутаторам и устройствам хранения данных. Адаптеры работают по такой же схеме, как, собственно, и Ethernet. По принципу “offloading” они снимают нагрузку с серверного оборудования от функций обработки сетевого трафика, тем самым давая возможность повысить его эффективность в части ключевых задач. Адаптеры с объединенным функционалом фабрики FC и протокола Ethernet имеют - CNA(конвергентный сетевой адаптер). Коммутаторы. Устройства-свитчи обеспечивают связь между участниками FC сети. Они назначают адреса пакетов и осуществляют их пересылку. Коммутаторы FC, являясь ключевыми элементами SAN, могут связывать порты FC или CNA адаптеров и модулей ХД. ПО. Работа конфигураций FC зависит еще и от ПО. Стоит отметить, что FC не является потребительской технологией и высока вероятность наличия конфликтов между ПО и FC. Порты. Адаптеры HBA и свитчи FC соединяются между собой соответствующие разъемы - порты SFP. В различных ревизиях FC используются коннекторы - SFP с различной пропускной способностью. Топология Fiber Channel в случае наличия коммутатора История Fibre Channel История Fibre Channel началась более 35 лет назад и только в середине 90-х был утвержден как единый стандарт, призванный заменить стандарт HIPPI. В старом протоколе использовался кабель с продолговатым много контактным разъемом. За нескольких лет была проведена масштабная работа по согласованию взаимодействия изготовителей разных компонентов. В итоге Файбер Ченел превратился из концептуальной в реальную технологию, получившую поддержку в виде инсталляций в вычислительных центрах и научных институтах. Первые макеты построения SAN были представлены миру в 1997 году. А через год FC стали активно применяться на производстве, в коммерческих целях, серверных кластерах. Первоначальной миссией FC являлась масштабируемость и возможность увеличения дальности коммутации. Причем изначально перед создателями не было цели повышения пропускной способности. Когда сети FC стали активно закрепляться и конкурировать на рынке, основным соперником стал проприетарный стандарт SSA от IBM. В итоге длительной борьбы рынок завоевал FC за счет простоты исполнения и высокой масштабируемости. IBM SSA контроллеры активно конкурировали с FC сетями. Источник: FLAGSHIP Интересно, что изначально Fiber Channel использовал свой проприетарный стандарт подключения HDD - Fibre Channel 40pin SCA(SCA-2). Преимуществом этого разъема была одновременная передача данных и питание накопителя с возможностью горячей замены. Жесткий диск Fujitsu на интерфейсе SCA 40Pin для работы в сетях FC. Источник: Wikimedia Позднее акцент развития переместился на возможность подключения накопителей SCSI, которые обеспечивают более высокую скорость при подключении ряда устройств. Благодаря такому решению, FC значительно обогнал конкурентов. Помимо этого, была добавлена поддержка протоколов (включая IP и ATM) с SCSI. Вместе со скоростными значениями одними из важных плюсов FC являются гибкость топологии и возможность работы на огромных расстояниях. Концепция построения топологии сети основывается на тех же принципах, что и обычные сети, то есть на базе свитчей и концентраторов, помогающих предотвратить падение скорости при росте НОД. FC – технология взаимодействия между системами, которая объединяет в себе возможности сетевого обмена данными, а также высокоскоростного ввода-вывода. На сегодняшний день FC развивается семимильными шагами и пережил уже не одну редакцию. Объяснение FC FC – технология сетевого соединения, используемая для подключения FC устройств. Она работает на на скоростях до 64 Гбит/с и предоставляет возможность агрегировать несколько линий для увеличения пропускной способности. Сейчас в номенклатуре используется обозначение «GFC» вместо «Gbps» и указывается номер поколения - 64GFC говорит о скоростях до 64 гигабит в секунду. Ранее FC применялась для суперкомпьютеров, а сегодня стала востребованным типом подключения к хранилищам SAN. В современных ЦОД применение FC связано с постоянно растущими объемами информации, связанными с повсеместным внедрением систем видеонаблюдения, аналитики данных. FC используется для обеспечения соединения между СХД и серверами. Применяя различные варианты топологий FC является крайне гибким и эфективным решением для построения дисковой инфраструктуры. Адаптеры Qlogic на протоколе 16GFC подходят для коммутаций большинства SAN хранилищ Благодаря надежности FC предпочтителен для работы в сетях SAN. Однако для внедрения этой технологии нужны FC свитчи и HBA FC адаптеры, а также определенные знания и навыки. Помимо этого, предприятиям при использовании FC SAN необходимы две сети: сеть Ethernet для связи серверов и клиентов, а также сеть FC для трафика СХД. Преимущества сетей FC Благодаря использованию архитектуры FC можно получить целый ряд неоспоримых плюсов: Увеличенная дальность передачи данных. Применение оптоволоконных соединений практически снимает все ограничения по дальности передачи данных; Улучшенная масштабируемость. FC легко расширяется при помощи коммутаторов; Решение проблем с безопасностью. FC не связан с сетью интернет, это означает что он защищен от внешних хакерских атак. Сегодня когда в ДЦ в изобилии представлены различные варианты сетей: Ethernet, Fiber Channel и Infiniband, на рынке появляются технологии призванные упростить взаимодействие этих протоколов между друг другом. FCoE - Fibre Channel over Ethernet. Позволяет соединить TCP/IP и FC при помощи инкапсуляции кадров Fiber Channel в Jumbo-кадры Ethernet. Адаптеры с поддержкой этой технологии представлены компаниями Qlogic и Mellanox. СХД Infortrend в форм факторе 2U с поддержкой технологии NVMe-oF и 32 Гбит/с x 4 FC подключением. Источник: Infortrend Актуальные стандарты Fiber Channel на момент 2024 года. Наименование стандарта Линейное кодирование Пропускная способность(Мб/с) 8GFC(gen 4) 8b10b 800 16GFC(gen 5) 64b66b 1600 32GFC(gen 6) 256b257b 3200 64GFC(gen 7) 256b257b 6400 128GFC(gen 8) 256b257b 12800 FC 8G Сверх распространенный  и коммерчески успешный стандарт Fiber Channel утвержденный в далеком 2005 году, но имеющий широкое применение даже на момент 2024 года. Для своего времени он имел высокую скорость и обратную совместимость с устаревшими версиями FC. 8GFC адаптер Qlogic QLE2562. Примечательно, что контроллер поставляется без радиатора с завода. Это говорит о его принадлежности к корпоративным системам с мощной вентиляцией FC 16G Стандарт, представленный в 2011 году в качестве логического продолжения 8GFC. Обновленные адаптеры, СХД и коммутаторы наилучшим образом работали с SAS / SATA SSD, которые доставляли большие трудности для 8GFC. 16GFC контроллер Emulex LPe16002 FC 32G В 2016 году был утвержден стандарт 32GFC, инициатором к росту пропускной способности стало обилие SAS 12Gb/s накопителей на рынке. В это же время на рынок начали поступать NVMe накопители. Для обеспечения поддержки pci накопителей был создан стандарт NVMe-oF. 32GFC контроллер Emulex LPe32002 c поддержкой технологии NVMe over Fabrics FC 64G Начиная с 2020 года продвинутые системы хранения данных эксплуатируют 64GFC стандарт. Многочисленные PCI-E 4.0 накопители и внедрение SAS 24Gb/s побуждают FC к развитию. Модельный ряд Marvell Qlogic в протоколе передачи данных 64GFC. Источник: Marvell  FC 128G В 2024 году планируется выпуск обновленной спецификации FC с расширенной пропускной способностью, этот стандарт должен закрыть постоянно растущие потребности корпоративных клиентов еще на несколько лет. Популярные топологии FC FC подразумевает три топологии: «Точка-Точка». Пожалуй, одна из самых простейших топологий. Модули подключаются напрямую. Одно оптоволокно связывает передатчик на одном модуле с приемником на другом, а второе – в обратном порядке, то есть приемник с передатчиком. {фото 11 - Топология “Точка-Точка” в FC} Управляемая петля (УП). Является наиболее сложной топологией, где все сегменты сети объединены в “петлю”. Устройства получают FC адреса, после чего могут участвовать в передачи данных. К серьезным недостаткам такой топологии можно отнести невозможность изменения структуры сети без остановки работы. {фото 12 - Топология “управляемая петля” в FC} Коммутируемая связная архитектура. Через свитчи взаимодействуют все модули. Подключение новых модулей не оказывает влияния на ПД между уже включенными модулями, так как на базе свитчей можно выстраивать многокомпонентные сети. Все участники топологии работают одновременно, что повышает их эффективность. Фабрику можно расширять путем интеграции новых коммутаторов, без прерывания передачи данных в уже существующих сегментах FC сети. {фото 13 - Топология “Коммутируемая связная архитектура” в FC} Коммутаторы FC Коммутаторы (switch или «свитч») FC требуются для построения гибких и масштабных FC топологий. Свитчи FC являются значительно более дорогими устройствами, чем, например, концентраторы. Коммутаторы FC могут быть оборудованы большим числом портов, а сами порты могут работать на разных версиях FC, тем самым коммутатор FC является ключом к масштабируемости инфраструктуры. FC Коммутатор Huawei OceanStor SNS2000 имеет 24 порта 16GFC Свитчи FC производятся компаниями Huawei, Brocade, IBM и т.д. Стоит отметить, что продукты от бренда Brocade являются лидерами отрасли. Адаптеры FC Под адаптером понимают устройство, которое обеспечивает быструю ПД по каналам FC. Для эффективной работы сети он выдает высокую ПС с низкой задержкой. Данный модуль отличается повышенной надежностью и оптимально подходит для построения современных сетевых инфраструктур. Адаптер FC способен развертывать аппаратную базу для поддержки таких столь популярных решений, как облачные среды и виртуализация. Использование адаптеров FC позволяет значительно повысить эффективность работы приложений. Это неотъемлемый элемент при развертывании виртуализированных решений в современных ЦОД. Такие устройства помогают решать важнейшие задачи, которые стоят перед компанией. Они совместимы с разными ОС и оборудованием, поэтому помогают эффективно наращивать возможности инфраструктуры. Адаптеры FC выпускаются производителями Qlogic, IBM, Infortrend, LR-LINK, HP и пр. При помощи таких модулей можно обеспечивать соединение техники с сетевой инфраструктурой. Интерфейс FC обеспечивает значительный прирост скорости ПД, за счет чего увеличивается быстродействие всей инфраструктуры при работе с облачными платформами, виртуализацией и прочими особо требовательными нагрузками. Четырехпортовый адаптер 8GFC Qlogic QLE2564 основанный на двух чипах Сводная таблица рекомендуемых адаптеров для построения FC сетей: Стандарт FC Примеры контроллеров 8GFC Qlogic QLE2560, Qlogic QLE2562, Qlogic QLE2564, Emulex LPe12002 16GFC Qlogic QLE2672, Emulex LPe16002, Emulex LPe31002 32GFC Emulex LPe32002, Qlogic QLE2772 64GFC Emulex LPe36002-M64, Qlogic QLE2872-SR-SP Где применяется FC в 2024 году При создании СХД не обойтись без FC. Использование преимуществ FC, как высокоскоростной сети, позволяет кардинально поменять сетевую архитектуру предприятия. Данная технология практически не имеет аналогов в мире благодаря малой задержке, высокой скорости ПД и расширяемости. За последние годы сфера применения FC перешла в сегмент высокоэффективных систем. В инфраструктуру FC были инвестированы огромные средства, в основном, в ЦОД, которые будут функционировать еще много лет. Конечно, сфера использования FC вовсе не ограничивается серверными системами организаций. Одно из самых передовых направлений применения – работа с цифровым кино. Так сложилось, что компании, которые работали с видео- и киноматериалом были самыми первыми пользователями внешних СХД. Этому есть простое объяснение. Ведь видео- и киноматериал требует больших объемов дисковой памяти.  На сегодняшний день есть немало организаций, которые используют десятки СХД. Дисковые полки HP 3PAR активно применяют Fibre Channel