FCoE技术白皮书-6W100

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FCoE技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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概述

采用FC SAN技术的数据中心一般包括独立的LANLocal Area Network,局域网)网络和SANStorage Area Networks,存储区域网络)网络。LAN网络应用于传统的以太网/IP业务,SAN网络应用于网络存储。

数据中心服务器既要通过LAN网络提供IP业务的服务,又要通过SAN网络实现存储设备的访问。传统的网络架构中,服务器分别安装独立的以太网卡和FC网卡,以太网卡通过以太网交换机接入IP网络,FC网卡通过FC交换机接入存储网络。由于分别搭建两个网络,使用两套接入网卡,以及相应的线缆,设备投资及维护管理成本非常高。

FCoE技术的目标是整合以太网和FC存储网络,减少数据中心的网卡,交换设备以及线缆的使用数量,降低成本。

FCoEFibre Channel over Ethernet,基于以太网的光纤通道)是将FCFibre Channel,光纤通道)协议承载在以太网上的一种协议。在FCoE解决方案中,服务器只使用支持FCoE协议的以太网卡即可,而支持FCoE协议的FCFFCoE ForwarderFCoE转发器)交换机可以同时承担传统以太网交换机和FC交换机的角色,实现I/O整合(I/O Consolidation),使网卡、交换机和连接线缆的数量大为减少,同时减轻网络运行的维护工作量,降低总体成本

图1 FCoE实现I/O整合示意图

 

1所示,在传统组网中,服务器分别通过以太网接口和FC接口接入到LAN网络和SAN网络。而在FCoE组网中,服务器可以通过支持FCoE协议的以太网卡连接到支持FCoE协议的存储交换机FCF交换机上(服务器和FCF交换机之间的链路可以同时收发以太网报文和FC报文),然后FCF交换机通过以太网接口接入到LAN网络,通过FC接口接入到SAN网络中。

FCoE技术实现

2.1  概念介绍

1. FCF

支持FCFCoE协议的交换机,称为FCF交换机。

2. ENode

支持FCoE协议的节点设备(服务器或存储设备)称为ENode

3. FCM

FCoE协议的主要目的是将FC报文进入以太网时,将FC报文封装成以太网报文;在FC报文传出以太网时,将以太网报文解封装成FC报文继续转发,这个封装/解封装的过程称为FCMFC MappingFC封装)。

4. FPMA

FCM进行报文封装时,ENode设备MAC地址使用FPMAFabric Provided MAC AddressFabric提供的MAC地址)方式获得。

图2 FPMA地址映射示意图

 

它是根据FC-MAPENode接口FC_ID映射得到,映射方法为FC-MAP为高24位,FC_ID为低24位。其中,FC-MAP的作用就是用来生成FPMA地址,可以通过命令行进行配置,取值范围为0x0EFC000x0EFCFF,默认值为0x0EFC00FC_IDENode进行FLOGIFabric Login)注册时,FC交换机分配的。

5. VFC

FC协议中,两台FC交换机之间通过点对点的链路连接,而在以太网中,两台FCF交换机可以通过广播链路连接到一起。即,在FC网络和以太网中,连接FC逻辑实体的网络拓扑不同。这就要求在FCF交换机之间建立点对点的虚链路以保证FC协议运行的拓扑不变。VFC链路即为两个FCoE通信实体之间的虚拟FC链路。VFC接口即为两个FCoE通信实体上的虚拟FC接口。

6. FIP

FIPFCoE Initialization ProtocolFCoE初始化协议)用来完成VFC虚链路的建立和维护过程。

7. DCE

DCEData Center Ethernet,数据中心以太网)也称为增强以太网,其增加了基于优先级的流控、带宽管理等特性,以保证FC报文在以太网上可以实现无损传输。

8. DCBX

DCBXData Center Bridging Exchange Protocol数据中心桥能力交换协议)用来在DCE设备之间交换DCE特性的能力以及配置参数。

9. PFC

PFCPriority-based Flow Control,基于优先级的流控)用来在以太网中为FCoE流量和其他流量划分优先级,对FCoE流量实行流控,保证不丢包,其他流量不进行流控。

10. ETS

ETSEnhanced Transmission Selection增强带宽选择)是基于轮转算法的带宽调度,用以保证FCoE流量和其他流量在共享以太网链路上的带宽分配。

2.2  运行机制

2.2.1  FIP协商

FIP协议在FCFENode之间建立VFC链路,VFC链路建立以后,FC协议可以基于VFC链路运行。

FIP报文分为发现请求(FIP Discovery Solicitation)、发现通告(FIP Discovery Advertisements)、虚链路实例化请求(Virtual Link Instantiation Request)、虚链路实例化应答(Virtual Link Instantiation Reply)、保活报文(FIP Keep Alive)、清除虚链路报文(FIP Clear Virtual Links)、VLAN发现请求(FIP VLAN Request)、VLAN通告(FIP VLAN Notification)等报文。

3所示,描述的是一个典型的通过FIP协议在ENodeFCF交换机间建立虚链路的过程。

图3 FIP虚链路建立示意图

 

1. VLAN发现

ENode通过VLAN发现报文从FCF交换机获取运行FCoE协议的VLAN(简称FCoE VLAN)。除了VLAN发现协议以外的所有FIP协议都只在FCoE VLAN内执行。

ENode在一个可以使用的VLAN(如缺省VLAN)上发送目的MAC地址为ALL-FCF-MACs组播地址的“VLAN发现请求”报文,此VLAN内的FCF交换机收到并处理此报文,在该VLAN内回应“VLAN通告”报文,并在报文中列出本机上配置的所有FCoE VLAN列表。

2. FCF发现

FCF交换机在所有运行FCoE VLAN内定期发送目的MAC地址为All-ENode-MACs组播地址的非请求发现通告报文,使得当前VLAN内的所有ENode发现自己。在发现通告报文中会携带以下参数:

·     FCF优先级:用于ENode选择FCF建立VFC连接。

·     保活定时器值:用于ENode周期发送VFC链路保活报文。

·     FC-MAP:用户ENode生成FPMA地址。

·     FCFMAC地址:用于ENodeFCM过程中封装/解封装报文使用。

ENode也可以主动在FCoE VLAN内发送目的MAC地址为All-FCF-MACs组播地址的发现请求报文来发现网络中的所有FCF交换机。FCF交换机在收到ENode的发现请求报文时需要回复请求的发现通告报文给ENode

ENode通过收到的发现通告报文获取网络中所有的FCF交换机信息,如果存在多个FCF交换机,可根据发现通告报文中携带的优先级,选择高优先级的FCF交换机建立VFC连接。

3. VFC链路建立

ENode向选中的FCF交换机发送FIP FLOGI报文或FIP FDISC报文建立VFC链路。FCF交换机收到ENode发送的FIP FLOGIFIP FDISC报文后,回应FIP ACC报文为ENode分配FC_IDENode获取到FC_ID的同时,与FC-MAP组合到一起,生成FPMA地址。

FCF交换机之间的VFC链路建立通过FIP ELP报文完成,双方通过FIP ELP报文和FIP ACC报文协商参数,协商通过后,VFC链路建立。

4. VFC链路维持

VFC链路建立后,ENode周期发送保活报文,FCF交换机仍然周期发送非请求发现通告报文。与ENode连接的FCF交换机上通过监听保活报文来进行VFC链路的维持,与FCF交换机连接的ENode/FCF交换机上通过监听FCF交换机发送的非请求发现通告报文来进行VFC链路的维持。

2.2.2  FCoE转发

VFC链路建立后,ENodeFCF交换机可以基于VFC接口收发报文。

1. FCoE报文封装

FCoE报文以太头封装格式如4所示。

图4 FCoE报文以太头封装格式

 

FCF交换机发送报文时,封装报文源MAC地址为本交换机FCF MAC,目的MAC地址为ENode FPMA地址或对端FCF MACENode发送报文时,封装报文源MAC地址为自己的FPMA地址,目的MAC地址为对端FCF MAC

PriorityFCoE报文优先级,默认为3,可配置。

VLAN ID标识当前承载FCoE流量的VLAN

2. FCoE报文转发

图5 FCoE报文转发示意图

 

FCoE报文经过FCF转发,会逐跳地进行报文以太头的解封装和封装,每一跳封装的报文头信息如5所示。

协议可以保证同一个VSAN内的报文都在同一个VLAN内传输,即VLAN xx保持不变。

ENodeMAC地址使用FC-MAPFC_ID拼装而成。FC-MAP为高24MAC地址,设备FC_ID为低24MAC地址。

FCF交换机始终使用本机FCF-MAC发送或接收报文。

2.2.3  DCE无损传输

DCE特性用来保证FCoE报文在以太网中无损传输,主要由DCBXPFCETS实现。

·     FCF交换机通过PFCFCoE流量划分优先级。当FCoE流量超过带宽上限时,FCF交换机会发送pause帧通知上游设备,停止发送FCoE数据。如果流量恢复,不再拥塞时,FCF交换机会通知上游,可以继续发送数据。从而实现FCoE数据的无损传输

·     FCF交换机通过ETS为不同优先级的流量预留用户指定的带宽,例如50%。如果其他流量很小,FCoE流量可以超过50%的上限,甚至使用100%带宽;如果其他数据流量也很大,FCoE至少可以保证50%的带宽使用。

·     FCF交换机通过DCBXFCoE能力、FCoE报文使用的优先级发布给ENodeENode发送FCoE报文时,就会使用该优先级封装FCoE报文。

典型组网应用

6所示,服务器通过支持FCoE功能的网卡和FCF交换机相连,而FCF交换机分别通过以太网交换机和FCF交换机接入到LAN网络和SAN网络,SAN网络中可以接入FCoE存储设备,也可以接入FC存储设备。

图6 FCoE典型组网图

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