Fibre Channel по IP

FCIP позволяет соединить разнесенные сети хранения SAN.

Cтоимость хранения данных постоянно снижается, однако затраты на администрирование устройств хранения по-прежнему растут. Помочь в этой ситуации может централизованное управление вместе с эффективным хранением данных и производительной стратегией их защиты. Кроме того, предприятия рассчитывают на то, что принадлежащая им информация будет всегда доступна из любого места, даже если она хранится в различных системах. В этой связи обычно вспоминают о сетях IP: они недороги, масштабируемы и вездесущи. Интеграция инфраструктур локальных и глобальных сетей, а также сетей хранения данных в сеть IP в идеальном случае ведет к формированию единой производительной конвергентной сети. Успех подобного проекта во многом зависит от учета некоторых важных моментов.

На сетевом уровне хранилище IP чаще всего использует уже имеющуюся инфраструктуру коммутаторов/маршрутизаторов IP. Решения на базе IP поддерживают, к примеру, классические приложения хранения: резервное копирование на ленту, миграцию данных и удаленное зеркалирование дисков. Однако для подключения инфраструктур SAN к среде IP требуется нечто большее, поскольку сети хранения базируются на технологии Fibre Channel, при этом максимальная дальность составляет до 10 км. И тогда в игру вступает Fibre Channel поверх IP (Fibre Channel over IP, FCIP).

FIBRE CHANNEL ПО IP

У пользователей все чаще возникает потребность соединить различные сети SAN через сети IP для объединения ресурсов хранения на больших расстояниях и более эффективного их использования. Для успешной интеграции сети хранения Fibre Channel с магистралью IP необходимо учитывать ряд моментов.

В точке перехода между сетью хранения Fibre Channel и сетью IP работает «пограничное устройство», потому что FCIP использует технологии туннелирования. В этих устройствах FCIP упаковывает кадры Fibre Channel в пакеты IP и отображает домены на IP-адреса. FCIP поддерживает существующее программное и аппаратное обеспечение для SAN и одновременно позволяет получать доступ к данным в удаленной сети хранения по магистрали сети IP без внесения изменений в инфраструктуру Fibre Channel, серверы или устройства хранения. С помощью FCIP практически без дополнительных проводов сеть хранения на базе Fibre Channel может быть интегрирована в среду IP. Вопрос, однако, в том, как сделать так, чтобы внедрение IP обеспечило быстрое производительное решение хранения с гарантией высокой готовности и целостности данных независимо от расстояния.

ЗАДЕРЖКИ И ПОТЕРИ ПАКЕТОВ

Дальние расстояния, как правило, вызывают задержки, и эти обстоятельства необходимо обязательно принимать во внимание. Задержки замедляют поток данных и отрицательно отражаются на времени реакции при вводе/выводе. Кроме того, они могут привести к падению эффективности использования пропускной способности. Поэтому эффективные архитектуры хранения данных на базе IP обладают функциями для обеспечения необходимой целостности данных, производительностью сети, скоростью передачи и масштабируемостью даже на больших расстояниях.

При этом стоит учитывать особые требования в области хранения: таким приложениям, как электронная почта и просмотр Web, вполне хватает уже имеющихся сетей IP. Эти службы нередко работают с ограниченными, часто прерываемыми и короткими сеансами передачи данных, поэтому они сравнительно нечувствительны к заторам, потере пакетов, задержкам или другим проблемам, связанным с передачей по IP. Трафик хранения данных, напротив, по большей части состоит из крупных плотно упакованных блоков данных, передача которых происходит в продолжение достаточно длительного интервала времени. Как следствие, он более уязвим к различного рода несоответствиям в сети, заметно снижающим пропускную способность. Для приложений, наподобие баз данных с оперативной обработкой транзакций (On-line Transaction Processing, OLTP), обычные для сетей IP задержки и их вариации (различие во времени поступления пакетов) оказываются чрезмерными. Эффективная работа таких приложений зависит от времени реакции: оно не должно превышать определенных абсолютных значений. Потерю пакетов приложение должно «заметить» самостоятельно и инициировать новую передачу — часто крупных блоков данных, а не маленьких пакетов. Однако система исправления ошибок сервером приложений на уровне блоков очень неэффективна и оборачивается повторной передачей больших объемов данных.

КОНТРМЕРЫ

Но потеря пакетов в сетях IP несмотря на все упомянутые проблемы не ограничивает возможность их использования для передачи данных хранения. Благодаря функциям исправления ошибок и повторной передачи на уровне пакетов IP высокопроизводительные решения FCIP позволяют обойтись без вторичной отправки слишком большого объема данных и добиться максимально быстрой их пересылки. Адаптивные функции восстановления помогают удерживать производительность системы на сравнительно высоком уровне — в особенности когда данные приходится транспортировать через глобальные сети. Для приложений хранения данных необходима такая производительность, когда уровень потери пакетов составляет менее 1% от общего передаваемого объема (см. Рисунок 1).

Если говорить более детально, то эффективная передача данных из хранилищ по сетям IP возможна при наличии следующих функций:

• циклических проверках избыточности (Cyclical Redundancy Check, CRC). Для обеспечения целостности данных решение FCIP может взять на себя решение части задач на сетевом уровне, что заметно разгружает приложение на хосте;
• согласовании сжатия и полезной нагрузки. Кадры Fibre Channel (2 Кбайт) и пакеты IP (максимум 1,5 Кбайт) вмещают разные объемы данных, из-за чего комбинированная передача может оказаться неэффективной. Решение с промежуточным хранением данных позволяет устранить проблему несоответствия кадров Fibre Channel и пакетов IP;
• организации потоков данных и инкрементальном управлении с буферным кредитом. Они позволяют обеспечить максимально возможную пропускную способность.

Управление потоком данных в Fibre Channel основано на системе сквозного буферного кредита, и коммутаторы Fibre Channel осуществляют передачу данных с учетом свободной буферной памяти в адаптерах главной шины (Host Bus Adapter, HBA). Таким образом коммутаторы регулируют объем передаваемых между ними данных. Прежде всего коммутатор оговаривает с вновь появившимся устройством размер выделяемого кредита. Один кредит означает, что устройство может, например, отправить кадр данных, прежде чем получит ответ в виде сообщения о готовности получателя. Для передачи следующего кадра с данными необходимо выделить дополнительную буферную память. Иначе говоря, объем буферной памяти определяет, сколько буферных кредитов может быть гарантировано устройством и какой объем данных может находиться в процессе передачи до получения подтверждения.

Рисунок 2. Емкость подключаемых через Fibre Channel накопителей постоянно растет.

Ограниченность скорости света в кабеле Fibre Channel приводит к задержке величиной 5 нс на 1 м. Для преодоления кабеля длиной 10 км ответному сигналу — подтверждению готовности получателя — требуется 100 мкс (без учета времени обработки сигнала). Если «отправитель» сможет передавать кадр лишь каждые 100 мкс, то пропускная способность будет использоваться не полностью: передача кадра объемом 2 Кбайт по соединению 1 Гбит/с длится всего 20 мкс. Поэтому системы могут предоставить большее количество кредитов до получения подтверждения. Современные реализации решений хранения данных на базе Fibre Channel обычно предоставляют кредит, не превышающий 16 буферов, между тем некоторые недавно появившиеся компоненты SAN поддерживают более высокие уровни кредитования.

При передаче на дальние расстояния может возникнуть так называемая ситуация «кредитного голода». Это означает, что многие пакеты данных находятся на пути к буферной памяти, а коммутатор Fibre Channel не располагает достаточным количеством кредитов. В таком случае, независимо от свободной пропускной способности, любой дополнительный трафик данных прекращается до освобождения кредитов. Производительные решения FCIP устраняют эту проблему благодаря собственной системе управления выделением буферных кредитов.

Инкрементальное управление сеансами необходимо, поскольку управление сеансами для FCIP не зависит от аппаратного обеспечения. Однако функционирование коммутаторов Fibre Channel основано на том, что пакеты отсылаются и получаются в одинаковой последовательности, в противном случае работа системы нарушится. FCIP действует в рамках одного сеанса («точка—точка»), поэтому данные следуют тем путем, который им предлагают маршрутизаторы второго/третьего уровня. Система же управления сеансами управляет восстановлением после ошибок на сетевом уровне, заново упорядочивает пакеты и запрашивает новую передачу.

Балансировка нагрузки IP улучшает масштабируемость пропускной способности в сетях IP и повышает производительность. Для этого ответственные за сети могут, к примеру, виртуализовать физические интерфейсы и направлять трафик через несколько виртуальных каналов IP.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, недостаточно просто внедрить продукты для сетей хранения данных на базе IP в виде полностью сквозного решения. Подобный подход позволяет добиться впечатляющей производительности в локальных сетях вследствие несущественных потерь пакетов и малого времени задержки, но не в состоянии решить проблемы глобальных сетей. Некоторые из этих продуктов работают даже с протоколом UDP, где не предусмотрены механизмы защиты от ошибок при передаче. Таким образом, ряд операций восстановления должен выполняться источником данных, что еще больше снижает производительность и надежность. По этой причине предпочтительнее использовать «интеллектуальные» продукты, поскольку они способны самостоятельно решать проблемы передачи сохраняемых данных в сетях IP.

? AWi Verlag