培训-China-VO.ppt

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资源描述

1、信息存储与管理,国家天文台(科技处)信息与计算中心,存储局域网络,主讲人:储王伟,第六讲,前言,我们正经历着爆炸式的信息膨胀,低廉而高性能的信息管理解决方案成为一种挑战。一个高效的信息管理解决方案必须能够:及时提供信息给用户;信息基础设施与业务流程集成;灵活易变的存储体系结构。直连存储DAS是一种孤立的存储环境,上面的信息很难管理和分享,为了将信息组织起来,存储局域网(Storage Area Network,SAN)应运而生。这一讲的主要概念有:SAN的组件,光纤通道(FC)结构,光纤通道协议栈,光纤通道端口,光纤通道寻址,分区和光纤通道拓扑,SAN的实现及其演化,存储区域网(Storage

2、 Area Network,SAN)通过光纤通道交换机连接服务器(或者称为主机)和存储器并传输数据。SAN实现了存储整合,允许多个服务器共享存储设备。它允许用户连接分散在不同地方的服务器和存储器。,SAN的实现及其演化二,SAN概念:SAN包括通信架构的物理设备,主机和存储阵列之间的通信机制。它还提供管理接口负责维护设备之间的连接、管理存储阵列及主机。 SAN演变:在早期的实现版本中,SAN只是简单的主机组,相关的存储设备通过集线器连接,称为光纤通道仲裁环(Fibre Channel Arbitrated Loop,FC-AL)。 因为集线器只能提供有限的互联功能和带宽,其局限性使其让位于高性

3、能的FC交换机。 SAN的fabric交换拓扑提升了互联功能和性能,使SAN拥有更好的可扩展性。 FC-AL因其局限性被取代,但它仍然被作为磁盘驱动器接口使用。,光纤通道FC,FC结构是一种高速网络技术,是SAN的基本组成元素。FC结构的构成,一般用于SAN前端的连接是光纤线缆,用于SAN后端磁盘连接的是串行铜缆。FC网络技术的重要特征就是其更高的传输速度,最初实现的100MB/s的吞吐率就远远大于DAS环境中Ultra SCSI的20MB/s的速度。在全双工模式下,可达200MB/s的吞吐率,最新的8GFC,甚至可达1600MB/s的吞吐率。FC结构是高可扩展的,理论上一个FC网络可以容纳1

4、500万个节点。,SAN组件1:布线,SAN的实现使用光纤进行布线。铜缆可以用于短距离的后端连接,因为它在30米距离内才能提供更好的信噪比。光纤线缆用光信号来携带数据。光纤分为两种: 多模和单模。,多模光纤和单模光纤,多模光纤(MultiMode Fiber,MMF)线缆可携带多个光束,以不同的折射角度同时在线缆核心内传输。 在MMF传输中,多条光束在线缆里穿越,容易发生色散和碰撞。这些碰撞会导致信号在长距离传输后强度减弱-这也被称作模间色散(Modal Dispersion)。 由于模间色散效应,MMF线缆通常被用作距离在500米以内的传输。单模光纤(Single-Mode Fiber,SM

5、F)携带单个激光束,在线缆芯线中央穿越。在SMF传输中,单条光束在光纤的线芯正中直线穿越。 极细的线缆线芯和单束光波,都减少了模间色散。 在所有类型的光纤线缆中,单模光纤提供了最小的信号衰减和最大的传输距离(长达10千米)。单模光纤被用于长距离的线缆传输。,SAN组件2:连接器,SC连接器(Standard Connector)和LC连接器(Lucent Connector)是两种常用的光纤连接器。SC的数据传输率为1Gbit/s,LC的数据传输率为4Gbit/s。ST连接器(Straight Tip)是一个有插栓和插孔的光纤连接器,可以锁住一个半螺旋锁扣。在早期的FC部署时,光纤主要使用ST

6、连接器。这种连接器常用于光纤通道接插面板。小型封装可热插拔式收发器(Small Form-factor Pluggable,SFP)是一种用于光通信的光收发器。标准的SFT+收发器支持的数据传输率达到10Gbit/s,SAN组件3:互联设备,集线器、交换机、和控制器是常用于SAN的互连设备。1集线器:是用于FC-AL的互连设备。集线器将节点连接成一个逻辑环或者一个星型的物理拓扑。所有节点都必须共享带宽,因为数据会流经所有的连接点。由于廉价而性能较高的交换机的出现,集线器不再被用于SAN中。2交换机:比集线器更加智能,将数据从一个物理端口直接发送到另一个端口。所以,节点不再共享带宽,而是每个节点

7、都有一个专用的通信路径,从而实现了带宽的聚合。3控制器:比交换机更大,主要部署在数据中心。控制器的功能与FC交换机相似,但是控制器有更多端口并有更强的容错能力。,SAN组件4:存储阵列、管理软件,存储阵列: 智能存储阵列已在第4讲描述过,此处省略。SAN管理软件: 管理主机、互连设备以及存储阵列之间的接口。它提供了SAN环境的一个可视化视图,并且可以在一个中心控制台进行多种资源的集中管理。 它提供了关键的管理功能,包括存储设备、交换机和服务器的映射,以及监控和发现新设备时通知机制,还包括对SAN进行逻辑划分,称为分区(zoning)。另外,这些软件还提供管理传统SAN组件的能力,例如HBA、存

8、储部件和互连设备等。,SAN组件5:节点端口,在光纤通道中,设备诸如主机、存储阵列都被称作节点。每个节点就是其他一个或多个节点的信息源或目标。每个节点需要一个或多个端口来提供物理接口,用于与其他节点进行通信。这些端口是主机总线适配器和存储器前端适配器的一个集成部件。每个端口都是全双工传输模式,拥有一个发送(Transmit,Tx)链路和一个接收(Receive,Rx)链路。,SAN交换机端口分类,交换机上的端口类型包括以下几种。N端口(N_port):一种fabric上的末端端口。这种端口也被称作节点端口(node port)。这通常是一种主机端口(HBA)或一个存储阵列端口,连接到交换fab

9、ric上的交换机。NL端口(NL_port):一种支持仲裁环拓扑的节点端口。这种端口也被称作节点环端口(node loop port)。E端口(E_port):一种FC端口,可以用于两个FC交换机之间的连接。这种端口也被称作扩展端口(expansion port)。在fabric里,一个FC交换机上的E端口通过一条链路连接到另一个FC交换机的E端口,也被称作内部交换链路(Inter-Switch Link,ISL)。ISL被用作传输主机到存储器的数据,同时也包括fabric的管理流量,从一个交换机传输到另一个交换机。ISL也是SAN连接的可扩展机制的一部分。,SAN交换机端口分类2,F端口(F

10、_port):一种交换机上的端口,用于连接N端口。它也被称为fabric端口,但不能用于FC-AL中。FL端口(FL_port):一种fabric端口,可以用于FC-AL。这种端口连接到FC-AL环上的NL端口。一个FL端口也可以连接一个环到交换fabric的交换机上。于是,所有在环上的NL端口都可以用于FC-SW中。这种配置也被称为公共环(public loop)。另一方面,一个没有任何交换机的仲裁环就被称作私有环(private loop)。一个私有环包含NL端口,但不包含FL端口。G端口(G_port):一个通用端口,可以作为E端口或F端口来用,并且可以在初始化时自动决定其功能。,FC简

11、单连接方式,2光纤通道仲裁环FC-AL:FC-AL拥有令牌环拓扑和星型物理拓扑的特性。在FC-AL里,每个设备都与其他设备争用信道以进行I/O操作。在环上的设备必须被仲裁才能获得环的控制权。在某个给定的时间点,只有一个设备可以在环上进行I/O操作。,FC-AL,1点对点:最简单的两个设备之间相连,互连能力有限。,FC-AL仲裁机制,1当一个节点尝试传输数据时,该节点会发送一个仲裁帧(arbitration Frame,ARB)给环上的每个节点。如果两个节点同时尝试获得环控制权,具有最高优先级的那个节点就被允许与其他节点通信。优先级是由仲裁环物理地址(Arbitrated Loop Physic

12、al Address,AL-PA)和环ID决定的。 2当发起方节点接收到自己发送的ARB请求时,它就获得了环的控制权。该发起方就开始与目标方节点建立虚链接并传输数据。,FC网络连接方式:FC-SW,3光纤通道交换fabric(FC-SW):,不像FC-AL那样,一个FC-SW提供互连设备、专用带宽以及可扩展性。在一个交换网里增加或移除设备极少引起网络服务中断,它不会影响其他节点正在传输的数据流量。 FC-SW也被称作fabric连接。一个fabric是一个逻辑空间,所有节点都可以在其中互相通信。这个虚拟空间可以通过一个交换机或一个交换机网络来构建。,每个在fabric中的交换机包含一个唯一的域

13、标识符,同时也是fabric寻址机制的一部分。在FC-SW中,节点并不共享一个环;相反,数据是通过一个专用的路径在节点间进行传输。每个fabric上的端口都有一个唯一的24比特的光纤通道地址用于通信。,FC SAN的发展,光纤通道协议栈,FC-4高层协议FC-4是最高层的FCP协议栈协议。这一层定义了应用程序接口和高层协议(Upper Layer Protocols,ULP)映射到低层FC协议层的方式。FC标准定义了几种可以在FC-4层操作的协议(如图6-7所示)。其中一些协议包括SCSI、HIPPI组帧协议、企业存储连接(Enterprise Storage Connectivity,ESC

14、ON)、ATM和IP等。FC-2传输层FC-2传输层包含有效载荷、源地址和目的地址以及链路控制信息等。FC-2层提供了光纤通道编址、结构和数据组织形式(帧、序列和交换)。它也定义了fabric服务、服务类、流量控制以及路由等。FC-1传输协议这一层定义了传输协议,包括串行编码和解码规则,以及所使用的特殊字符和差错控制等。在发起节点,一个8比特的字符被编码成10比特的传输字符。这些10比特字符然后被发送到接收节点。在接收节点,这个10比特的字符被转到FC-1层,解码为原来的8比特字符。FC-0物理接口FC-0是FCP协议栈的最底层。这一层定义了物理接口、媒介和原始比特的传输规则。FC-0指定了包

15、括线缆、连接器以及不同数据率下的光学和电器等参数。FC传输协议可用在电器媒介和光学媒介上。,分区,分区是一种FC交换机的功能,它使得节点在一个fabric里可以被逻辑上分为不同的组,并且在组间进行互相通信。当一个设备(主机或存储器)登录到fabric上时,它就会通过一个名字服务器进行注册。当一个端口登录到fabric上时,它会经历一个设备发现过程,而其他设备是已在名字服务器上注册过的。分区功能的作用就是控制着这个过程。一个分区集是一组分区,一个分区就是一组成员。一个成员可能在多个分区里面。但每次只有一个分区可以处于活动状态。,FC拓扑一:核心-边缘Fabric,在核心-边缘fabric拓扑中有

16、两种类型的交换机层。边缘层通常包括交换机,提供一种廉价的添加更多主机到fabric中的方案。在边缘的这一层是从核心层扇出的。在边缘的节点可以互相进行通信。 核心-边缘fabric拓扑增加了SAN里的连接性,同时保证了总体的端口利用率。如果需要扩展,一个额外的边缘交换机可以连接到核心。这种拓扑可以有不同的变种。在一个单核心拓扑里面,所有主机都连接到边缘层,所有存储器都连接到核心层,核心-边缘Fabric的优点和局限性,优点: 核心-边缘fabric提供了单跳的存储访问,遍及系统中的所有存储器。因为流量是以一种确定的模式传输(从边缘到核心),核心-边缘拓扑提供了更简单的ISL负载计算和流量模式。因

17、为每个层上的交换机都用于存储器或主机,所以它们很容易定位哪些资源更接近它们的处理能力,使其更容易建立一套规则用于增减或分配资源。 局限性: 核心-边缘fabric可能会导致一些性能相关的问题,因为扩展一个核心-边缘拓扑包括增加fabric中的ISL(交换机间链接)数量。随着更多的边缘交换机添加进来,fabric中的域数目也会增加。一个最好的通用实践是保持主机到存储器的跳数不改变,在核心-边缘拓扑中这个跳数为1。跳数代表了一个数据帧要穿越的设备的总数。通常一个大的跳数意味着数据从源传输到目的需要更大的传输延迟。,Fc拓扑二:Mesh拓扑,在一个Mesh拓扑中,每个交换机通过ISL直接连接到其他交

18、换机上。这种拓扑促使SAN的连接能力变得更强。当网络端口数量增加时,可以接入并互相通信的节点数量也会随之增加。 全Mesh中,所有交换机都在同一个拓扑中互相连接。全Mesh拓扑比较适用于涉及的交换机数很小的情况。在一个全Mesh拓扑中,主机到存储器的流量最多只需要一个ISL或者一跳。 部分Mesh拓扑中,流量到达其目的地可能需要经过几跳或几个ISL。主机和存储器可以位于fabric的任何位置,而且存储器也可以局限在某一台导向器或交换机上,这对于两种Mesh来说都是一样的。,本讲小结,SAN的概念,SAN组件包括光纤,连接器,交换器,端口,和管理软件,以及存储阵列和服务器。SAN的实现主要靠光纤通道,介绍了FC端口,FC协议栈,FC连接方式,分区,FC连接拓扑 尽管SAN消除了“存储孤岛”,但它们的初期实现却在企业内造成了“SAN 孤岛”,iSCSI和FCIP技术推动了SAN通过IP技术进行聚合。,樊东卫 网络连接存储,下周更精彩,第七讲,第八讲,何勃亮 IP SAN,

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