CHƢƠNG 2 CÔNG NGHỆ MẠNG LƢU TRỮ SAN
2.2. Mạng lƣu trữ FC SAN
2.2.3. Ứng dụng của công nghệ Fibre Channel trong FC SAN
Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ FC áp dụng cho FC SAN: - Truyền thông theo cấu trúc kênh (Channel).
Có hai cấu trúc truyền thông dữ liệu cơ bản giữa các bộ vi xử lý, giữa bộ xử lý với thiết bị ngoại vi, đó là cấu trúc kênh (channel) và mạng (network).
Cấu trúc kênh cung cấp giao thức đơn giản với một kết nối điểm-điểm trực tiếp hoặc chuyển mạch giữa các thiết bị truyền thông. Đặc trƣng của kênh vào/ra (I/O) là di chuyển dữ liệu từ điểm cuối của liên kết tới điểm cuối khác với độ trễ tối thiểu. Hơn nữa, cấu trúc kênh vào/ra đặc trƣng là phần cứng chủ yếu, dữ liệu chuyển đổi đƣợc điều khiển hoàn toàn trên phần cứng với phần mềm xử lý ban đầu (overhead) rất ít, kết quả là truyền nhanh và ít lỗi, kể cả với tệp truyền có dung lƣợng lớn. Cấu trúc mạng là sự tập hợp các nút phân
tán (máy trạm, máy chủ file, các thiết bị ngoại vi) cùng với giao thức kết nối giữa các nút mạng. Hiện nay, phần lớn mạng đang sử dụng là kết nối mạng. Để chuyển gói tin trong môi trƣờng mạng, cấu trúc mạng thƣờng có thời gian xử lý ban đầu tƣơng đối cao bởi xử lý ban đầu (overhead) với phần mềm là chủ yếu và độ tin cậy không cao, do đó khi nhiều ngƣời sử dụng trong mạng thì thời gian truyền và độ tin cậy của gói tin giảm xuống.
FC sử dụng cấu trúc kênh để truyền dữ liệu qua chuyển mạch hay qua kết nối trực tiếp điểm-điểm để duy trì đƣợc các đặc tính truyền kênh với tốc độ cao và xử lý ban đầu nhỏ, kênh truyền đƣợc thiết lập khi kết nối giữa thiết
bị nguồn và đích cho đến khi quá trình truyền kết thúc.
FC có thể truyền dữ liệu qua cáp quang và cáp đồng. Cáp quang là phƣơng tiện truyền dữ liệu tối ƣu qua mạng bởi độ tin cậy. Cáp quang không có những vấn đề về suy hao, nhiễu nhƣ cáp đồng, đồng thời cáp quang đảm bảo an ninh hơn bởi khả năng đấu trộm hay đấu xen vào đƣờng truyền (cross- talk) không xẩy ra.
- Kết cấu mạng (Fabric).
Mạng lƣu trữ sử dụng công nghệ Fibre Channel tạo ra một phƣơng thức tổ chức kết nối hoạt động thông minh tới các thiết bị gọi là kết cấu fabric. Kết cấu fabric gồm một hoặc nhiều SAN Switch kết nối song song với nhau (các switch nối song song gọi là liên kết liên chuyển mạch ISL-inter switch links). Các thiết bị lƣu trữ, máy chủ kết nối với nhau qua kết cấu fabric theo mô hình kết cấu chuyển mạch (Switched Fabric) có thể đƣợc coi nhƣ là những kết nối đơn điểm-điểm. Khi đó, cổng nút mạng N_Port của các thiết bị lƣu trữ hay máy chủ đơn giản phải làm là quản lý kết nối đơn điểm-điểm với cổng của kết cấu F_Port. Kết nối giữa máy chủ và thiết bị lƣu trữ sẽ là 2 kết nối đơn điểm- điểm (máy chủ-fabric-thiết bị lƣu trữ). Vì vậy, mạng lƣu trữ SAN có thể coi là mô hình ghép nối mạng điểm-điểm có mô hình Star (các nút mạng nối với đầu nối trung tâm). Fabric với mô hình kết nối điểm điểm, kết hợp với tốc độ truyền cao cho phép mạng lƣu trữ SAN hoạt động rất linh hoạt, hiệu suất truyền đạt 100%. Thành phần của kết cấu gồm: SAN switch, router, cáp...
Kết cấu kết hợp với một số tiện ích đã tạo một phƣơng thức tổ chức kết nối hoạt động thông minh. Một số tiện ích [1, 4]:
+Tính toán đường-Path Determination.
Các switch nối song song (ISL) sử dụng giao thức tìm đƣờng dẫn động (FSPF) cho phép tính toán đƣờng dẫn tối ƣu giữa các switch trong fabric, sau đó lập bảng định tuyến kết nối. Switched Fabric so sánh các đƣờng kết nối giữa hai thiết bị dựa trên thuật toán Cost metric. Cost của một đƣờng bằng tổng của tất cả các Cost của các ISL đã qua. Tối ƣu đƣờng dẫn đồng nghĩa với
tính Cost thấp nhất, ISL với tốc độ cao hơn sẽ có Cost thấp hơn.
Ví dụ. Sơ đồ hình 2.10 có hai đƣờng (path) từ máy chủ đến thiết bị lƣu trữ: Path 1 nối trực tiếp từ domain 1 (port 15) đến domain 3 (port 7), - Path 2 nối từ domain 1 (port 12) đến domain 2 (port 3); rồi từ domain 2 (port 13) đến domain 3 (port 0). Mặc dù cả hai path1 và path 2 đều hợp lệ, path 1 có cost metric là 1000, còn path 2 là 2000. Nhƣ vậy switch sẽ chọn path 1.
Hình 2.10. Ví dụ về tính toán đƣờng từ máy chủ đến thiết bị lƣu trữ
+ Cân bằng tải (Load Balancing).
Trong SAN, các máy chủ và thiết bị lƣu trữ có thể bị hiện tƣợng thắt cổ chai. Có phƣơng án để giải quyết vấn đề thắt cổ chai và các vấn đề về hiệu suất là cân bằng tải. Cân bằng tải cho phép các thiết bị lƣu trữ và máy chủ tiếp tục cung cấp dịch vụ trong trƣờng hợp một máy chủ hay thiết bị phải đáp ứng quá nhiều yêu cầu. Máy chủ sử dụng nhiều card HBA để cân bằng tải truyền I/O đến thiết bị lƣu trữ.
+ Phân vùng (Zoning).
Hình 2.12. Ví dụ về phân vùng trên Switch
Phân vùng là phân chia kết cấu fabric thành những tập hợp nhỏ hơn cho mục đích hạn chế nhiễu và tăng độ an ninh nhƣ bảo vệ các thiết bị khỏi các truy xuất không hợp lệ. Tất cả các thiết bị kết nối đến fabric có thể đƣợc cấu hình thuộc về một hay nhiều zone, chỉ có các thiết bị trong cùng zone mới có thể nhìn thấy nhau. Một số kiểu phân vùng giới hạn tên dịch vụ của thiết bị, ngăn cản máy chủ tìm kiếm trong kết cấu để nhận ra thiết bị nếu không đƣợc phép. Nhiều kiểu phân vùng khác hạn chế truyền thông hiện tại qua kết cấu.
Ví dụ, trong hình 2.12, Vùng A thiết lập cho máy chủ Server1 kết nối với Subsystem1 có thể là 1 ổ đĩa logic trong tủ lƣu trữ, Vùng B cho máy chủ Server2 kết nối với Subsystem3 có thể là 1 ổ đĩa logic khác trong tủ lƣu trữ.
- Tổ chức hệ thống dãy đĩa (Disk Array):
Hệ thống dãy đĩa là thiết bị gồm một số ổ đĩa vật lý kết hợp thành dãy hay mảng (Array). Hệ thống dãy đĩa thƣờng có khối điều khiển trung tâm để quản lý tất cả vào/ra (I/O). Tuỳ theo chức năng sử dụng cụ thể mà khối điều khiển trung tâm có thể quản lý những ổ đĩa rời phù hợp cho SAN, hệ thống dãy đĩa có thể là JBOD hoặc RAID.
Hệ thống dãy đĩa RAID (Redundant Array of Independent Drive) gồm có bộ điều khiển RAID controller, kênh bus bên trong, các ổ đĩa. Cấu trúc FC- AL đƣợc sử dụng bên trong RAID cho phép tổ chức các ổ đĩa nhƣ là các nút
mạng trong mạch bus nối theo vòng tròn và trao đổi với nhau.
Các thành phần phần cứng của dãy đĩa thƣờng đƣợc thiết kế dự phòng với các ổ đĩa (hot swap) và có khả năng thay thế nóng các ổ đĩa hỏng với ổ đĩa dự phòng. Bộ điều khiển trung tâm thƣờng đƣợc trang bị 2 modul controller cho dự phòng và có thể sử dụng các ổ đĩa riêng lẻ nhƣ phƣơng cách đạt đạt hiệu suất cao, hệ thống hoạt động ổn định và tính sẵn sàng rất cao.
Hình 2.13. Mảng đĩa FC xác định chuẩn mới cho hiệu suất
Một số đặc điểm thuận lợi của công nghệ FC áp dụng cho FC SAN: - Hiệu suất cao.
+ Khoảng cách kết nối. Công nghệ FC cho phép truyền thông với
khoảng cách xa tuỳ thuộc loại cáp, cáp đồng với 30m, cáp quang đa mode với 500m, cáp quang đơn mode với 10km.
+ Tốc độ truyền thông. Công nghệ FC cung cấp giải pháp gigabit với
băng thông tốc độ cao, tốc độ phổ biến: 2Gb/s, 4Gb/s, 10Gb/s.
+ Hiệu suất truyền. Công nghệ FC với kết cấu kênh truyền đơn giản tạo các kết nối điểm-điểm trực tiếp hoặc chuyển mạch giữa các thiết bị nên hiệu suất truyền đạt 100%.
- Hiệu năng truyền thông cao.
+ Độ tin cậy. Giao thức FC sử dụng các phƣơng pháp nhƣ: kiểm soát lƣu lƣợng, xác nhận truyền, cơ chế phát hiện lỗi và xử lý lỗi, nên đã đảm bảo tính nguyên vẹn của dữ liệu trong quá trình trao đổi thông tin. Ngoài ra, giao thức FC có đặc trƣng kênh truyền với điều khiển chủ yếu trên phần cứng và phần mềm xử lý ban đầu rất nhỏ, giao thức đơn giản nên truyền nhanh, ít lỗi, độ trễ
tối thiểu, vì vậy, công nghệ này đạt độ tin cậy cao.
+ Tính ổn định. Công nghệ FC sử dụng nhiều mô hình kết nối topo khác nhau, phổ biến trong SAN là mô hình Switch Fabric tạo ra các kết nối điểm- điểm với độ trễ tối thiểu.
+ Khả năng kết nối linh hoạt. FC cung cấp các kết nối linh hoạt với hiệu
năng phù hợp. SAN có thể mở rộng từ 02 đến 14 triệu cổng (port) trong một hệ thống bằng nhiều kiểu kết nối (topo) khác nhau. Các công nghệ chuyển mạch phù hợp, vòng lặp chia sẻ, điểm-điểm chuyên dụng đáp ứng các yêu cầu ứng dụng, tích hợp hàng trăm máy chủ.
Ngoài ra, kết cấu fabric cho phép tạo một phƣơng thức tổ chức kết nối hoạt động thông minh, hỗ trợ đa cấu trúc ghép nối với qui mô băng thông toàn bộ hệ thống lên tới tetrabit. Kết cấu kết hợp với một số tiện ích nhƣ phân vùng, cân bằng tải và tính toán đa đƣờng đã cho phép kết cấu tạo một phƣơng thức tổ chức kết nối hoạt động thông minh với các đƣờng kết nối mềm dẻo nên khắc phục đƣợc các lỗi về tắc nghẽn hoặc thắt cổ chai trong truyền thông, nâng cao hiệu suất truyền và tính ổn định hay tính sẵn sàng của hệ thống.
- Giải pháp an toàn cho dữ liệu và hệ thống. Công nghệ FC cho phép
mạng lƣu trữ áp dụng các giải pháp: sao lƣu dữ liệu với tốc độ cao ra tủ đĩa, tape…; Giải pháp RAID và công nghệ FC cho phép thiết kế các mạng dãy đĩa với các nút mạng là các ổ đĩa rời lẻ, dự phòng các ổ đĩa để thay thế nóng khi ổ đĩa bị hỏng mà không làm gián đoạn hệ thống lƣu trữ hoạt động.
- Khả năng tích hợp. Công nghệ Fibre Channel là một kết nối truyền nối tiếp cho phép sử dụng cáp và bộ kết nối đơn giản, định tuyến thông tin qua bộ chuyển mạch mạng. Giao thức FC hỗ trợ cho các giao thức riêng của nó cũng nhƣ các giao thức mức cao khác, do đó, công nghệ FC cho phép tích hợp các thiết bị truyền thông nhƣ trạm làm việc, trung tâm xử lý, máy chủ, hệ thống lƣu trữ và các thiết bị ngoại vi khác sử dụng các giao thức nhƣ SCSI và IP.
2.2.4. Đặc điểm của mạng lưu trữ FC SAN [2,6]
nhƣ tính mềm dẻo, sẵn sàng, khả năng mở rộng, khả năng kết hợp nhiều giao thức với tốc độ cao qua khoảng cách dài mà FC đã trở thành một chuẩn công nghệ đƣợc công nhận bởi các nhà sản xuất ở khắp nơi trong ngành IT.
Tuy nhiên FC cũng có hạn chế về chi phí đầu tƣ thiết bị cao và hạn chế về qui mô mạng diện rộng (khoảng cách, phạm vi mạng…).
Để mở rộng qui mô mạng nhƣ mạng LAN,WAN, công nghệ FC sử dụng các thiết bị cơ sở hạ tầng bao gồm hub, switch, bridge và router đóng vai trò chuyển tiếp hoặc định hƣớng dữ liệu đi trên mạng LAN. Ví dụ, thông qua liên kết ISL giữa các chuyển mạch để nối các FC SAN qua liên mạng LAN. Ngoài ra, công nghệ FC tích hợp công nghệ truyền khoảng cách xa với các công nghệ truyền dẫn cáp (bảng 2.9) hoặc tích hợp công nghệ truyền khoảng cách xa. Ví dụ, kết nối các FC SAN cục bộ với mạng đồng bộ quang SONET
(Synchronous Optical Network) thông qua SONET Gateway. Mỗi FC- SONET Gateway gói những khung FC vào gói tin SONET sau đó truyền qua mạng. Sau khi nhận gói tin, FC-SONET gateway khác tách khung FC ra khỏi gói tin và truyền tiếp tới nút mạng FC đích. SONET cung cấp giao diện WAM OC3 là 155Mb/s, OC12-622Mb/s, OC48-2.5Gb/s.
Hình 2.14. Ví dụ về mở rộng SAN
Truyền dẫn Khoảng cách Tốc độ 1 Truyền dẫn cáp quang:
- Bộ thu phát sóng dài trải ra khoảng cách liên kết
150m 4Gb/s 300m 2 Gb/s
500m 1 Gb/s - Một số bộ thu phát sóng dài quang có thể
truyền khoảng cách xa
100km 1Gb/s 10km 4Gb/s, 10Gb/s 35km 2Gb/s - WDM (Wavelength division multiplex):
mở rộng khoảng cách giữa hai switch.
4Gb/s, 2Gb/s, 1Gb/s 2 Mở rộng kết cấu với FC switch
- Mở rộng liên kết kết cấu sử dụng bộ thu phát sóng dài hoặc WDM
2.5km 4Gb/s 5 km 2Gb/s 10 km 1Gb/s
Bảng 2.9
Phƣơng hƣớng phát triển tiếp theo của công nghệ FC là tiếp tục phát triển các phƣơng tiện thiết thực, giá thành phù hợp, đồng thời cho phép truyền tải tin cậy, nhanh chóng một khối lƣợng lớn dữ liệu với tốc độ hàng gigabit.
Đặc điểm ứng dụng:
Mạng lƣu trữ FC SAN sử dụng công nghệ FC rất phù hợp cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực: lƣu trữ hiệu suất cao, cơ sở dữ liệu và kho dữ liệu lớn, hệ thống sao lƣu và phục hồi dữ liệu, hệ thống liên kết các khu làm việc, mạng thông tin audio/video số …, mô hình trung tâm dữ liệu (Data centre) là kiểu mẫu thực tế. Ngoài ra, FC đặc biệt thích hợp với các ứng dụng cần tới tốc độ và độ trễ nhỏ ví dụ nhƣ ứng dụng xử lý giao dịch trong ngành ngân hàng, tài chính, thƣơng mại.
Mạng FC SAN rất phù hợp cho các trung tâm dữ liệu với qui mô mạng lớn, lƣợng dữ liệu nhiều, đáp ứng yêu cầu khai thác cao. Tại Việt Nam trong thời điểm hiện nay, nhu cầu lớn nhất chủ yếu cho các trung tâm thông tin, tổ chức, doanh nghiệp đang là xây dựng những mạng SAN quy mô nhỏ và vừa. Nguyên nhân do thị trƣờng Việt Nam còn ít những mạng có qui mô lớn, chi phí cao. Tuy vậy, Việt Nam không nằm ngoài diễn biến chung của tốc độ tăng trƣởng dữ liệu nhanh, trong những năm tới, chắc chắn tất cả các xu hƣớng FC SAN sẽ ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi tại Việt Nam, mang lại hiệu quả cao hơn cho hoạt động của các tổ chức, nhất là các trung tâm thông tin.