Fibre Channel over Ethernet

Fibre Channel over Ethernet Ethernet là một chuẩn cho mạng LAN được sử dụng rộng rãi khắp toàn cầu. Kiến trúc và đặc tính của nó đã được phát triễn toàn diện và được mô tả trong IEEE 802.3 . Cùng với sự phát triễn của Ethernet, chuẩn Fibre Channel cũng khá phổ biến trong các trung tâm lưu trữ dữ liệu, các data center. Việc kết hợn Fibre Channel và Ethernet để cho ra đời chuẩn Fibre Channel over Ethernet FCoE đã đem lại nhiều lợi ích to lớn. Trong đề tài này,chúng ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm cơ bản của FCoE, cũng như vì sao nó lại đem lại nhiều lợi ích như thế.

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Khoa Điện Tử Viễn Thông

Fibre Channel over Ethernet

Giảng viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Việt Hà

Ths Trần Thị Thảo Nguyên

Giới Thiệu Chung

Ethernet là một chuẩn cho mạng LAN được sử dụng rộng rãi khắp toàn cầu Kiến trúc và đặc tính của nó đã được phát triễn toàn diện và được mô tả trong IEEE 802.3 Cùng với sự phát triễn của Ethernet, chuẩn Fibre Channel cũng khá phổ biến trong các trung tâm lưu trữ dữ liệu, các data center Việc kết hợn Fibre Channel và Ethernet để cho

ra đời chuẩn Fibre Channel over Ethernet- FCoE đã đem lại nhiều lợi ích to lớn Trong đề tài này,chúng ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm cơ bản của FCoE, cũng như vì sao nó lại đem lại nhiều lợi ích như thế

Nhóm thực hiện

1

2

3

4

Nguyễn Tấn Phát

Lê Hồng Phúc

Trần Minh Đức

Võ Tấn Tài

0920081

0920088

0920026

0920218

Mục Lục

I Storage Area Network 3

1 Quá trình phát triển công nghệ lưu trữ. 3

2 Mạng lưu trữ riêng biệt(SAN- Storage Area Network). 4

2.1 Giới thiệu .4

2.2 Phân chia logic mạng SAN .4

2.3 Lợi ích từ mạng riêng biệt(SAN) .5

3 Chuẩn Fibre channel cho SAN 6

3.1 Khái niệm fibre channel .6

3.2 Các lớp trong fibre channel .6

3.3 Topology FC SAN .7

3.4 Ưu và nhược điểm của fibre channel .9

II Ethernet 9

1 Giới thiệu Ethernet: 9

2 Các chế độ giao tiếp: 9

3 Ethernet trong mô hình OSI: 10

1.1 Ethernet frame: 11

3.2 Lợi ích của công nghệ Ethernet: 12

III Fibre Channel Over Ethernet 12

1 Sự ra đời của FCoE 12

2 Vai trò của FCoE trong Data center 13

3 Fibre Channel over Ethernet là gì 14

3.1 Encapsulation- Đóng gói 14

3.2 Frame Format- Định dạng Frame 15

3.3 Lossless (Không tổn hao): 16

3.4 Ánh xạ địa chỉ giửa FC và FCoE- Mapping 17

3.5 Ví dụ về mạng FCoE 18

4 Kết Luận 19

I Storage Area Network

1 Quá trình phát triển công nghệ lưu trữ

Hình 1: Các bước phát triển của công nghệ lưu trữ (từ trái qua phải)

Xét tổng quan về phương diện kết nối, điểm khởi đầu của quá trình phát triển công nghệ lưu trữ là khi các máy tính và máy chủ nhỏ được trang bị các ổ đĩa trong của riêng chúng Với cách lưu trữ này, dung lượng lưu trữ không được lớn, thường chỉ có khả năng đáp ứng nhu cầu của người sử dụng đầu cuối Khả năng mở rộng dung lượng, công nghệ bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu (cụ thể là công nghệ RAID: Redundant Array of Independent Disks, cho phép phục hồi nguyên vẹn dữ liệu khi ổ đĩa cứng bị hỏng) còn rất hạn chế

Bước phát triển tiếp theo là khi máy tính/máy chủ có kết nối riêng đến thiết bị lưu trữ bên ngoài của mình (có thể là đĩa cứng hoặc băng từ) qua đường kết nối hoạt động theo giao thức SCSI (Small Coumpter System Interface) Mỗi máy tính/máy chủ chỉ có quyền kiểm soát, quản trị thiết bị lưu trữ ngoài của chính mình Với cách kết nối và quản

lý cục bộ như vậy, rất khó có thể xây dựng được những hệ thống dữ liệu có dung lương cao, chưa nói đến việc không có được khả năng quản trị tập trung từ xa

Một hướng phát triển khác là khi thiết bị lưu trữ được thiết kế để dữ liệu trên đó có thể được truy nhập qua mạng LAN thông thường Điển hình là các thiết bị NAS (Network Attached Storage) chứa dữ liệu tập trung và cho phép chia sẻ dữ liệu ở mức file Mặc dù đã phần nào giải quyết được vấn đề dung lượng và quản lý tập trung, nhưng việc truyền tải dữ liệu giữa thiết bị có nhu cầu sử dụng và thiết bị lưu trữ xảy ra trên hạ tầng mạng LAN thông thường, dùng giao thức mạng TCP/IP, gây hạn chế tốc độ truyền tải, dẫn đến hiệu năng hoạt động của cả hệ thống không được cao

Những nhược điểm về tốc độ về hiệu năng được đẩy lùi trong bước phát triển tiếp theo với sự xuất hiện của công nghệ thiết lập mạng lưu trữ riêng biệt SAN (Storage Area Network) Mặc dù có thể tận dụng hạ tầng mạng IP để truyền tải luồng dữ liệu của mạng lưu trữ, điển hình là sự phát triển của các giao thức như iSCSI (Internet SCSI), FCIP

(Fibre Channel over IP), iFCP (Internet Fibre Channel Protocol), nhưng những giao thức này chưa thật sự có được sự triển khai rộng rãi trong thực tế Do đó, bài viết sẽ tập trung vào xu hướng công nghệ phổ biến nhất là mạng SAN sử dụng công nghệ quang FC (Fibre Channel), thường được nhắc đến với tên gọi FC SAN

2 Mạng lưu trữ riêng biệt(SAN- Storage Area Network)

2.1 Giới thiệu

Có thê hiểu SAN như một phương pháp truy cập dữ liệu ứng dụng trên nền tảng mạng mà quá trình truyền dữ liệu trên mạng tương tự như quá trình truyền dữ liệu từ các thiết bị quen thuộc trên máy chủ như Disks Drivers như ATA, SCSI

SAN là hệ thống mạng lưu trữ, thường được sử dụng ở những nơi lưu trữ nhiều dữ liệu như ngân hàng, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, các dữ liệu này cần độ an toàn, dự phòng rất cao và có thể truy xuất nhanh SAN giúp việc sử dụng tài nguyên lưu trữ hiệu quả hơn, dễ dàng hơn trong công việc quản trị, quản lý tập trung các thao tác tăng độ an toàn, sao lưu, khôi phục khi có sự cố

2.2 Phân chia logic mạng SAN

Hình 2: Phân chia lớp trong mạng SAN

Một mạng SAN theo cách phân chia logic thành 3 lớp: Host layer, Fabric layer và Storage layer Host layer chứa các máy chủ chạy các ứng dụng có sử dụng dữ liệu được

lưu trữ trong mạng SAN Fabric layer chứa các bộ chuyển mạch SAN switch Storage layer chứa các thiết bị lưu trữ như tủ đĩa ngoài và thiết bị băng từ

Mạng SAN có quy mô càng lớn thì số lượng các thiết bị và kết nối (máy chủ, switch, tủ đĩa, thiết bị băng từ) sẽ càng nhiều Mặc dù vậy, cấu trúc logic tổng quan 3 lớp (host layer, fabric layer, storage layer) như trong Hình 3 là không thay đổi

2.3 Lợi ích từ mạng riêng biệt(SAN)

Tăng hiệu năng hoạt động: Hiệu năng của hệ thống lưu trữ, và theo đó là của cả hệ

thống IT được tăng lên đáng kể Một mặt, tốc độ truyền tải trong mạng SAN với sự sử dụng công nghệ quang đạt đến tốc độ 4Gbps, giảm thời gian truy cập dữ liệu trong các quá trình sử dụng, sao lưu, phục hồi Mặt khác, với mạng lưu trữ riêng SAN, luồng dữ liệu trong mạng LAN thông thường dùng giao thức mạng TCP/IP không còn cần phải chia sẻ đường truyền có dung lượng giới hạn với luồng dữ liệu của hệ thống lưu trữ, sao lưu Sự tách rời riêng biệt này tối ưu hoá hoạt động của cả 2 mạng LAN và SAN

Tăng tính linh hoạt của hệ thống lưu trữ: Sử dụng mạng SAN đem lại tính linh

hoạt cao cho hệ thống lưu trữ Các giao thức và công nghệ chuẩn dùng trong mạng SAN cho phép sử dụng nhiều chủng loại thiết bị lưu trữ của các nhà sản xuất khác nhau, khi họ cùng tuân thủ các chuẩn công nghiệp Dung luợng lưu trữ trong mạng SAN có thể được

sử dụng bởi nhiều máy chủ, nhiều ứng dụng khác nhau Dung lương lưu trữ của cả mạng SAN có thể được mở rộng, nâng cấp dễ dàng Hơn thế nữa, mạng SAN mở ra khả năng hợp nhất tài nguyên lưu trữ, nâng cao hiệu suất sử dụng của hệ thống lưu trữ, cho phép vận hành và quản lý hiệu quả hơn

SANs được thiết kế dễ dàng cho tận dụng các tính năng lưu trữ, cho phép nhiều máy chủ cùng chia sẻ một thiết bị lưu trữ

Một ứng dụng khác của SAN là khả năng cho phép máy tính khởi động trực tiếp từ SAN mà chúng quản lý Điều này cho phép dễ dàng thay các máy chủ bị lỗi khi đang sử dụng và có thể cấu hình lại cho phép thay đổi hay nâng cấp máy chủ một cách dễ dàng và

dữ liệu không hề ảnh hưởng khi máy chủ bị lỗi Và quá trình đó có thể chỉ cần nửa giờ để

có một hệ thống Data Centers Và được thiết kế với tốc độ truyền dữ liệu cực lớn và độ

an toàn của hệ thống được coi là vấn đề hàng đầu

Giảm chi phí sở hữu (Totalcost of Ownership): đối với những DN có nhiều dữ liệu, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng mạng SAN có thể lớn hơn chi phí xây dựng

hệ thống lưu trữ thông thường, nhưng xét về tầm xa thì SAN là sự đầu tư hợp lý có chí phí sở hữu (bao gồm vận hành, quản lý, và bảo quản) không cao Thứ nhất, sử dụng mạng SAN sẽ mở ra khả năng quản lý mềm dẻo, linh hoạt, và đơn giản, do đó giảm thiểu chi

phí quản lý, quản trị Thứ hai, mạng SAN còn hỗ trợ nhiều tính năng thuận lợi khác trong quá trình sử dụng (như hợp nhất lưu trữ, hỗ trợ phục hồi dữ liệu nhanh chóng sau sự cố, thảm hoạ ), làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống, xứng đáng với chi phí đầu tư ban đầu

3 Chuẩn Fibre channel cho SAN

3.1 Khái niệm fibre channel

Fibre channel(FC): là một công nghệ mạng có tốc độ cao(thường có tốc độ khoảng

2, 4,8 hoặc 16Gb/s) được sử dụng chủ yếu cho mạng lưu trữ Được phát triển bởi Viện Tiêu Chuẩn Quốc Gia Hoa Kỳ (ANSI) Không giống như tên của nó, tín hiệu thông tin có thể được sử dụng trong cáp đồng xoắn đôi và cả cáp quang

Fibre channel protocol(FCP): là giao thức lớp transport

3.2 Các lớp trong fibre channel

Hình: các lớp trong fibre channel

 FC4: Protocol-mapping layer: các giao thức ứng dụng như SCSI hoặc IP được

đóng gói thành PDU để được phân phối đến lớp FC2

 FC3: Common services layer: Thực hiện các chức năng như mã hóa(encryption)

hoặc thuật toán dư thừa RAID

 FC2: Network layer, bao gồm phần lõi của Fibre channel và định nghĩa ra các

giao thức chính

 FC1: Data link layer, thực hiện chức năng mã hóa đường truyền(line coding) cho

tín hiệu

 FC0: Physical layer, bao gồm cáp, bộ kết nối…

3.3 Topology FC SAN

Topology mạng SAN có thể được thực hiện bằng nhiều cách phụ thuộc vào đặc điểm của các ứng dụng và các yêu cầu:

 Quy mô của mạng lưu trữ: Từ các mạng SAN có quy mô nhỏ bao gồm một chuyển mạch hay một hub đơn lẻ cho tới các mạng SAN lớn với một số lượng lớn các chuyển mạch và các cổng

 Đường truyền dữ liệu và nhu cầu truyền dữ liệu

 Dự phòng dữ liệu từ xa

Các topology mạng SAN có thể được thiết lập bằng hai cách:

a Kiểu tập trung: Các hệ thống lưu trữ được nối tới một chuyển mạch trung tâm

có số lượng cổng lớn trong mạng SAN

b Kiểu mạng: Các chuyển mạch được liên kết với nhau tạo thành một mạng tuyến tính hoặc mạng lưới (mesh) nối các server và thiết bị lưu trữ

Hình 3: topology FC SAN

3.3.1 Point-to-point(FC-P2P)

Gồm 2 thiết bị kết nối trực tiếp lại với nhau, đây là mô hình đơn giản nhất

3.3.2 Arbitrated loop(FC-AL)

Topology Arbitrated Loop bao gồm một hub đường trục và các thiết bị trong mạng được nối với hub tạo thành một mạng hình sao vật lý

Topology Arbitrated loop có nhược điểm là tại một thời điểm chỉ có một thiết bị được truyền dữ liệu trên mạng Khi số lượng thiết bị trên mạng tăng lên sẽ gây ra sự sụt giảm chất lượng mạng Do đó, Topology Arbitrated loop chỉ được sử dụng cho các mạng SAN có quy mô nhỏ và lưu lượng dữ liệu hạn chế

3.3.3 Switched fabric(FC-SW)

Trong Fibre Channel, thuật ngữ “chuyển mạch nối giữa các thiết bị” được gọi là Fabric

Topology SAN Fabric là topology có chỉ tiêu cao nhất và được sử dụng cho các mạng SAN có quy mô và lưu lượng dữ liệu lớn Các fabric rất lớn có thể được xây dựng bằng cách liên kết nhiều chuyển mạch với nhau Do đó, mạng SAN dựa trên fabric có thể được mở rộng bằng cách thêm các chuyển mạch vào mạng

3.4 Ưu và nhược điểm của fibre channel

3.4.1 Ưu điểm

 Băng thông lớn có thể đạt tới 4Gb/s

 Kiến trúc an toàn nhanh chóng với khả năng quản lí dữ liệu toàn cầu

 Tính dự phòng tốt

 Tính bảo mật cao

3.4.2 Nhược điểm

 Chi phí cao chỉ áp dụng tốt cho các công ty lớn

 Đô phức tạp cao

II Ethernet

1 Giới thiệu Ethernet:

Ethernet được phát minh bởi công Ty Xerox PARC vào năm 1973 với tốc độ ban đầu

là 2.94Mbps Năm 1980, chuẩn Ethernet đầu tiên ra đời bởi DIX (là 3 công ty Digital, Intel, Xerox) Năm 1985, IEEE đã chuẩn hóa Ethernet, cho ra đời chuẩn 802.3

Ethernet là phương pháp truy cập mạng máy tính cục bộ (LAN) được sử dụng phố biến nhất Về căn bản, Ethernet là một môi trường mạng LAN có môi trường truyền thông được chia sẻ (shared media LAN), hoạt động dựa trên chức năng của lớp Physical

và lớp Data Link trong mô hình 7 lớp OSI là chủ yếu Mạng Ethernet có thể sử dụng cáp đồng trục (coaxial cable), cáp xoắn đôi (twisted-pair cable), cáp quang (Optical Fiber) hoặc vô tuyến (wireless)

2 Các chế độ giao tiếp:

Simplex: kênh truyền là 1 chiều và thông tin chỉ có thể đi theo 1 hướng Simplex thường dùng trong mạng quảng bá, ở đó máy thu không cần gửi tín hiệu ngược lại máy phát

Half-duplex: kênh truyền là 2 chiều, thông tin ở một thời điểm có thể đi theo hướng lên hoặc hướng xuống Half-duplex thường được áp dụng trong môi trường mạng chia sẻ (shared media) với hubs là trung tâm, sử dụng CSMA/CD (khi thuyết trình nói lại về CSMA/CD, cộng thêm việc, nếu sự truyền bị đụng độ 15 lần liên tiếp thì host sẽ discard gói tin và báo cho người dùng rằng không thể truyền data được nữa) Do sử dụng hubs, nên băng thông sẽ được chia sẻ ra tất cả các host, bất kể host có sử dụng băng thông hay không, dẫn đến tốc độ sẽ chậm Đụng độ sẽ xảy ra khi 2 thiết bị truyền cùng 1 thời điểm,

do đó, càng nhiều thiết bị trong hệ thống mạng thì đụng độ càng xảy ra thường xuyên hơn, dẫn đến chất lượng hệ thống suy giảm

Full-duplex: kênh truyền là 2 chiều, thông tin ở mọi thời điểm có thể đi theo hướng lên và hướng xuống đồng thời Có 2 cặp dây, 1 cặp dây dùng để truyền và 1 cặp dây dùng

để nhận, do đó tránh được đụng độ và tối ưu hóa băng thông Full-duplex sử dụng kèm với switch thay cho hub, và vì switch chỉ cấp băng thông cho host nào cần sử dụng nên sẽ tối ưu được băng thông, tốc độ sẽ nhanh hơn so với khi dùng hubs

3 Ethernet trong mô hình OSI:

Hình 5 Mô hình OSI và TCP/IP

Chức năng của từng lớp trong mô hình OSI:

1) Application: là tầng gần với người sử dụng nhất, cung cấp giao diện người dùng

1 số ứng dụng như là Telnet, FTP, SMTP, HTTP…

2) Presentation: dịch dữ liệu được gửi từ tầng Application sang format chung, nén

dữ liệu, mã hóa và giải mã

3) Session: thiết lập, quản lý và kết thúc các phiên kết nối giữa những ứng dụng từ

các host; có 3 cách kết nối: simplex, half-duplex, full-duplex

4) Transport: kiểm soát độ tin cậy của một kết nối; nhận dữ liệu từ lớp session, cắt

chúng ra thành từng đoạn nhỏ (segment) nếu cần; thêm các port tương ứng với ứng dụng cụ thể, đánh số các segment đó để đầu thu có thể sắp xếp, tái tạo lại thông tin ban đầu

5) Network: dựa vào địa chỉ logic để tìm đường đi đến đích nhanh nhất cho các gói

tin Dữ liệu ở lớp này được gọi là packet Ngoài ra, nếu 2 môi trường truyền là khác nhau (MTU không bằng nhau) thì dữ liệu khi xuống lớp này sẽ được chia nhỏ (fragment) để truyền đi

6) Data link: chuyển dữ liệu tin cậy (frame) qua lớp vật lý, sửa lỗi trên các đường

truyền vật lý, đồng bộ tốc độ giữa bên phát và bên thu

7) Physical: cung cấp phương thức truy cập vào đường truyền vật lý để truyền các

dòng bit, cung cấp các chuẩn về điện áp, dây cáp, đầu nối, tốc độ truyền dẫn, … Theo hình vẽ, ta có thể ánh xạ mô hình OSI sang mô hình TCP/IP tương ứng

Trên thực tế, mô hình TCP/IP ra đời sớm hơn mô hình OSI, và do tính cụ thể và chi tiết, nên trong quá trình học tập và nghiên cứu thì OSI là công cụ đắc lực nhất được sử dụng để tìm hiểu xem dữ liệu được gửi và nhận ra sao trong một mạng máy tính nói chung

1.1 Ethernet frame:

Hình 6 Ethernet frame format

Preamble: dùng để đồng bộ hóa bit

Start of Frame Delimiter: đánh dấu kết thúc của chuỗi bit thông tin đồng bộ

Preamble và Start of Frame Delimiter không được tính vào chiều dài của frame khi

truyền đi

Destination Mac Address: địa chỉ MAC đích, dùng để nhận biết node nào nhận frame Source Mac Address: địa chỉ MAC nguồn, dùng để nhận biết node nào gửi frame

Length of Type: xác định kiểu giao thức được sử dụng ở lớp 3 và kích thước của frame Data and Pad: dữ liệu truyền đi; đồng thời do kích thước tối thiểu của gói tin Ethernet là

64 bytes (kích thước tối đa là 1518 bytes), nên nếu dữ liệu toàn gói tin nhỏ hơn 64 bytes thì Pad sẽ thêm vào các bit cho đủ 64 bytes

FCS: giá trị kiểm tra lỗi