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NPV技术白皮书
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FC SAN（Storage Area Networks，存储区域网络）由FC交换机、服务器和存储设备组成。FC交换机互联在一起形成的网络称为Fabric，根据FC交换机在Fabric中部署的位置不同，分为核心交换机和边缘交换机。服务器和存储设备统称为N节点，通过边缘交换机接入到Fabric中。
在FC SAN中，服务器和存储设备通过FC_ID相互访问，FC_ID由FC（Fibre Channel，光纤通道）协议自动生成和分配。FC_ID的结构图2所示。FC_ID的长度为24比特，分为三个字段：Domain_ID、Area_ID和Port_ID，每个字段的长度均为8比特。
· Domain_ID：域ID，用来标识一台FC交换机，取值范围是1～239。一台FC交换机以及其连接的所有N_Port构成一个域。
· Area_ID：一台节点设备上的一个或多个N_Port可以被划分为一个Area，用Area_ID标识。
· Port_ID：一个Port_ID代表一个N_Port。
在Fabric中，每台FC交换机（包括核心交换机和边缘交换机）都会分配一个独立的Domain_ID。边缘交换机再基于本机的Domain_ID为其连接的N节点分配FC_ID。
Domain_ID仅有8位，理论上可以有256个Domain_ID，除了知名Domain_ID和保留Domain_ID外，实际上协议规定可用的Domain_ID仅有239个。
由于Fabric中每台FC交换机都要有一个独立的Domain_ID，而可用Domain_ID的数目仅有239个，那么整个Fabric中FC交换机的数目也仅能有239个。因此，FC SAN的规模受到了Domain_ID的限制，从而影响了网络的部署和扩展性。
NPV交换机可以扩展FC SAN的规模，且不需要占用Domain_ID资源，因此，在FC SAN中得到广泛应用。NPV交换机部署在Fabric边缘，位于N节点和核心交换机之间，实现N节点和核心交换机之间的请求代理和数据转发。
图3 NPV交换机组网图
NPV（N_Port Virtualization，N端口虚拟化）交换机上支持两种端口模式：NP模式和F模式。F端口用于连接N节点，也称为下行口，NP端口用于连接核心交换机，也称为上行口。
图4 NPV交换机端口模式
在NPV交换机上，可以配置多个下行F端口映射到一个上行NP端口上，实现FLOGI请求的代理和数据转发。
对于N节点而言，NPV交换机与FC交换机在功能上没有区别，N节点可以向其发送FLOGI报文申请FC_ID并请求加入到Fabric中，可以请求获取名字服务信息。
对于FC交换机而言，NPV交换机虚拟成一台支持NPIV特性的N节点，NPV交换机可以在同一条FC链路上虚拟多个VN节点，向FC交换机申请多个FC_ID并请求加入到Fabric中。
NPV交换机不占用独立的Domain_ID，通过将FLOGI请求代理到FC交换机上实现FC_ID的分配。减小了FC SAN运行的复杂度，扩展了FC交换机的接入能力。
NPV交换机上可以同时支持FCoE功能，可以通过以太网接口连接具有FCoE功能的节点设备，也可以通过上行的以太网接口扩展FCF组成的存储网络。
N端口在同一条物理链路上虚拟多个VN节点，申请多个FC_ID，虚拟多个N端口实体加入到Fabric中的技术称为NPIV（N Port Identifier Virtualization，N端口标识虚拟化）技术。NPIV技术在网络虚拟化中有着广泛的应用。例如一台服务器上运行着不同的应用服务程序，可以在一块物理HBA卡上为每个应用服务程序虚拟一个VN端口，申请不同的FC_ID使用。
图5 NPIV应用
NPV交换机需要在NP端口上支持NPIV，为每个下行F端口连接的N节点在NP端口上创建一个虚拟的VN端口，实现FLOGI请求的代理功能。
NPV交换机在启动以后，首先要加入到Fabric中，然后才能执行后续的FLOGI代理和数据转发。如图6所示。
图6 NPV交换机运行机制
(1) NPV交换机首先通过NP端口向FC交换机进行FLOGI，加入到Fabric中。NP端口通过FLOGI申请到的FC_ID用于NP端口与Fabric中的其他设备通信使用。
(2) NP端口成功加入到Fabric中后，便可以代理下游接口的FLOGI请求，交互过程如下：
a. N节点发送FLOGI请求申请FC_ID并请求加入到Fabric中。
b. NPV交换机从下行F端口收到N节点发送的FLOGI请求后，在NP端口上虚拟一个VN节点模拟下游的N节点，VN节点的相关信息从FLOGI请求报文中获取，然后，NP端口向FC交换机发送FDISC请求。
c. FC交换机收到FDISC请求后，为其分配FC_ID，并记录N节点信息加入到Fabric中，回复FDISC LS_ACC报文。
d. NPV交换机收到FDISC LS_ACC报文，记录FC交换机为VN端口分配的FC_ID，并回复FLOGI LS_ACC给下游的N节点，将FC_ID携带到LS_ACC中。
e. N节点收到FLOGI LS_ACC后，获取FC_ID，加入到Fabric成功。
(3) 下游N节点成功加入到Fabric中后，需要发送一系列的协议报文从Fabric中获取信息，发送协议报文与其他N节点协商，发送数据报文给其他N节点。NPV交换机收到这些协议报文或数据报文都直接从上行NP端口转发给FC交换机，不做任何代理转换。从上行NP端口收到的协议报文或数据报文，根据目的FC_ID转发给相应的下行F端口。
NPV设备不仅实现了下行口到上行口的代理功能，还支持上行口到下行口映射的负载均衡。NPV上支持两种负载均衡模式：手动负载均衡和自动负载均衡。
缺省情况下，当有新的上行口生效时，NPV交换机并不会自动对已有的上下行口映射进行重新映射，以达到负载均衡。因为重新映射时，NPV交换机将对下行口进行链路初始化，会破坏已经稳定的上下行口的映射关系，以及要求和下行口相连的节点设备重新进行注册，这样会导致流量中断。
当有新的上行口生效时，如果用户希望重新进行上下行口映射，以达到更好的负载均衡效果，可以通过命令行立即触发一次重新映射，此时会对部分下行口进行链路初始化。
部分进行链路初始化的下行口选择步骤如下：
(1) NPV交换机计算出上行口负载平均值，上行口负载平均值=所有下行口数/所有上行口数。
(2) NPV交换机遍历出超过该负载平均值的上行口。
(3) 这些上行口若存在自动映射的下行口，则NPV交换机会按先后自动映射顺序将先自动映射的下行口进行链路初始化。需要进行链路初始化的下行口数=该上行口的所有下行口数-上行口负载平均值，从而使得上行口的下行口数量不超过上行口负载平均值。
(4) 这些上行口若不存在自动映射的下行口，则NPV交换机不会对这些上行口的下行口进行链路初始化。
自动负载均衡与手动负载均衡对下行口重新映射的策略是相同的。开启自动负载均衡后，当系统检测到up的上行口时，会自动创建一个延迟定时器，待定时器超时后，系统将自动进行一次负载均衡。如果在定时器超时前又有新的上行口up，则重置该定时器。
可以通过配置自动负载均衡的延迟时间来缓冲上行口的up、down而引起震荡，以减少对自动负载均衡的影响。
如图7所示，通过NPV交换机将FC节点设备接入到FC存储网络中。在这种组网环境中，上下行口均为FC接口。这种组网用于FC网络扩容，可以减少Domain_ID占用。
图7 FC节点设备通过NPV接入FC网络组网图
如图8所示，通过NPV交换机将FCoE节点设备接入到FC存储网络中。在这种组网环境中，上行口为FC接口，下行口为以太网接口。这种组网，在减少Domain_ID占用的同时，还可以在不更换FC核心交换机的情况下，将FCoE服务器或存储设备接入到FC网络中，实现FC技术到FCoE技术的平滑迁移。
图8 FCoE节点设备通过NPV接入FC网络组网图
如图9所示，通过NPV交换机将FCoE节点设备接入到FCoE存储网络中。在这种组网环境中，上下行口均为以太网接口。这种组网用于FCoE网络扩容，可以减少Domain_ID占用。
图9 FCoE节点设备通过NPV接入FCoE网络组网图
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