"Fibre Channel" V1.5 (c) Stor IT Back 2011

Einführung zum Fibre Channel Protokoll

Die technische Grundlage für jedes Fibre Channel SAN (Storage Area Network) ist der "Fibre Channel-Protokoll-Standard", richtig bezeichnet als "Fibre Channel Physical and Signaling Interface". Fibre Channel ist kein Kabel-Typ, es ist nicht zu verwechseln mit Fiber (=Glasfaser). Das Fibre Channel Protokoll kann auch über Kupferleitung mit elektrischen Signalen übertragen werden. Trotzdem hat sich der Begriff Fibre Channel auch für (LWL-) Kabel, Geräte und Verbindungen eingebürgert.
Welche Anforderungen werden bzw. wurden an Fibre Channel gestellt? In der Entwicklungszeit war das parallele SCSI die gebräuchlichste Übertragungsart für Daten. Die Geschwindigkeit sollte deutlich übertroffen werden und auch eine hohe Reserve für Verbesserungen bieten. Also musste es ein serielles Protokoll werden und es sollten sich weitere Entfernungen als mit SCSI überbrücke lassen. Wichtig war weiter auch eine möglichst geringe Zahl von Übertragungsfehlern, da die Korrekturen immer zu Verzögerungen führen. Und Verzögerung sind im Speicherbereich nicht gut, also musste auch die Latenzzeit gering gehalten werden. Eine wichtig Anforderung war auch die Entlastung der Server-CPU, das FC-Protokoll sollte möglichst in eigener Hardware (den Host-Bus-Adaptern) laufen. Also die Vorteile von SCSI weiter ausbauen und alle Begrenzungen möglist umgehen.

Schauen wir uns hier jetzt die Theorie zum Fibre Channel an. Das Fibre Channel (Protokoll) ist nach einem Schichtenmodell aufgebaut, ähnlich dem OSI-Modell. Es gibt die Schichten FC 0 bis FC 4.

FC 0 Physikalische Schicht

Dies ist die unterste Schicht und bezeichnet die physikalischen Schnittstellen. Dies sind Geschwindigkeit, Medium (Kabel und Stecker), Übertragungstyp und Entfernung. Mit den Kurzformen dieser Schnittstellenbezeichnungen werden physikalische Verbindungen beschrieben.

Geschwindigkeit bei Fibre Channel

Medium bei Fibre Channel

Übertragungstyp

Entfernungen

Anmerkung: Die Längenbegrenzungen der einzelnen Medien bei unterschiedlichen Übertragungsraten finden Sie beim Thema SAN.

Jede mögliche physikalische Übertragung kann jetzt beschrieben werden:

800-M5-SL-S

Dies ist eine 50 µm multi-mode Fibre Verbindung mit Shortwave Laser und 800 MB/s Übertragungsrate.

Zum größten Teil werden optische Verbindungen verwendet, sie ermöglichen größere Übertragungsentfernungen. Jedoch sind sie gegenüber mechanischen Einflüssen nicht so widerstandsfähig wie die elektrischen Verbindungen. Ein Einklemmen in der Tür quittieren optische Kabel meist mit Ausfall oder Störungen.
Jede Fibre Channel Verbindung besteht immer aus 2 Wegen, einmal die Read- und zum anderen die Write-Leitung. Die Daten werden also "full duplex" Übertragen. Damit ist dann immer die theoretisch doppelte Übertragungsrate möglich. Wichtig ist gerade bei "Verlegekabeln" zwischen Räumen oder Gebäuden, dass pro Verbindung immer zwei Fasern benötigt werden. Die IT rechnet meist in Verbindungen, die Installateure aber in Fasern. Dies kann schnell zu einem Mangel an Fasern führen.

Knoten und Ports

In der Fibre Channel Terminologie wird ein Gerät als Konten bezeichnet. Dies kann zum Beispiel ein Host-Bus-Adapter in einem Server sein. Dieser Host-Bus-Adapter besitzt einen Port oder auch mehrere. Wie auch im LAN-Bereich besitzt jeder Knoten einen eindeutigen Namen, die WWN (World Wide Name). Da ein Knoten mehrere Ports besitzen kann, hat dieser auch einen eindeutigen Namen, die WWPN (World Wide Port Name). Diese Name setzen sich aus 64-Bit-Schlüssel zusammen, allerdings werden diese WW(P)N's nicht zur Datenübertragung verwendet. Unterschieden werden auch noch die Grundfunktionen der einzelnen Ports. Sie werden je nach ihren Möglichkeiten bezeichnet.

Bezeichnung	Port-Typ	Funktion
E_Port	Expansion_Port	Port eines Switches, an dem ein anderer Switch angeschlossen wird
TE_Port	Truncing-Expansion_Port	zusammengefasste Ports eines Switches, an dem ein anderer Switch angeschlossen wird
F_Port	Fabric_Port	Port eines Switches, an dem ein Knoten via Point to Point angeschossen ist
FL_Port	Fabric_Loop_Port	Port eines Switches, an dem Knoten via Fibre Channel Arbitrated Loop angeschossen werden
G_Port	Generic_Port	entweder E_Port oder N_Port
N_Port	Node_Port	Port, an dem ein Knoten via Point to Point (z.B. an einen Switch) angeschlossen wird
NL_Port	Node_Loop_Port	Port eines Knotens in einer Fibre Channel Arbitrated Loop
TL_Port	Translation_Port	Port zur Kommunikation zwischen Switch und Private Loop (veraltet)
U_Port	Universal_Port	Port, an dem alle anderen Porttypen angeschlossen werden können

FC 1 Verschlüsselungsverfahren

Die Verschlüsselung von Daten verbessert die Sicherheit eines seriellen Übertragungsvorganges. Immer 8 Bit werden vor dem Versand in 10 Bit-Werte verschlüsselt, die Methode wird danach 8b/10b-Verschlüsselung genannt. Weiterhin versucht diese Verschlüsselung immer ein Gleichgewicht zwischen Einsen und Nullen zu halten. Ein Unterschied in diesen Werten in einem übertragenen Wort wird durch die Kontrollfunktion "Disparity Character" angegeben. Diese und andere Verfahren ermöglichen eine große Sicherheit der Übertragung bei sehr geringem Overhead. Der Nutzdateninhalt bei einer Übertragung ist sehr hoch und damit können über Fibre Channel, bei gleicher Geschwindigkeit, mehr Daten übertragen werden als bei Ethernet. Dies beantwortet auch die Frage, warum ein neues Übertragungsmedium entwickelt wurde und nicht einfach ein SAN mit Ethernet und TCP/IP aufgebaut wurde.
Die 10 Gbit/s bzw. 20 Gbit/s Inter-Switch-Links arbeiten nach der 64b/66b Codierung, es werden als 64 Bit in 66 Bit "verpackt". Dieses geänderte Verfahren hat man auch für die 16 Gbit/s Version verabschiedet. Es soll aber trotzdem mit den 8 bzw. 4 Gbit/s Fibre Channel kompatibel sein.

Weiterhin wird in FC 1 das "Link Control Protocol" definiert. Es sind die Steuersignale der Übertragung, für Initialisierung und Verwaltung des Links. Die sogenannten Ordered Sets beginnen immer mit der gleichen speziellen Bitfolge, die sonst in der Übertragung von Daten nicht vorkommt. Das K28.5 Zeichen signalisiert also immer ein Steuerpaket und ist damit für alle Komponenten sehr einfach zu entdecken.

FC 2 Management und Informationsstruktur

Diese Schicht steuert die Struktur und Definition der Informationen und ist damit die umfangreichste Schicht. Sie ist in vier Klassen aufgeteilt

Login Session

Bevor Nutzdaten zwischen zwei Geräten ausgetauscht werden können, müssen diese beiden Ports erst einmal Informationen über ihren Status austauschen. Ist dieser Login erfolgreich, so bleibt eine Kommunikation bis zu einem Logout bzw. Abbruch der Verbindung möglich. Natürlich kann ein Gerät auch Sessions mit verschiedenen anderen Knoten zur gleichen Zeit aufrechterhalten. Nach diesem Login sind also Adressen der Knoten und Ports und die Übertragungscharakeristika ausgetauscht. Zur Verwaltung der Adressen in einem Fabric, es sind bis zu 15,6 Millionen Geräte denkbar, nutzt der Switch einen "Simple Name Server", eine Datenbank, in der alle Informationen gespeichert werden.

Exchange

Bei jeder Datenübertragung zwischen zwei Ports wird auch ein Exchange gestartet, um die Operation zu steuern und zu kontrollieren. Für jedes Übertragungsprotokoll sind spezielle Exchanges, auch "Information Units" genannt, vorhanden. Ein Port kann mehrere Exchanges zur gleichen Zeit nutzen, damit wird die Auslastung effizienter.

Sequenz

Durch die Übertragung sehr großer Datenmengen muss die optimale Größe von Datenpaketen angepasst werden. Jedoch ist diese Menge auf 2.148 Byte pro Paket geschränkt. Es lassen sich bis zu 65.536 dieser Pakete (Frames) zu einer Sequenz zusammenfassen. Diese Frames innerhalb einer Sequenz werden nicht unbedingt in der richtigen Reihenfolge übertragen, sie enthalten relative Adressen zur Encodierung.

Frames

Frames sind eine Untereinheit der Sequenz. Die Nutzdaten werden in Frames verpackt, mit einem Start- und Stop-Delimiter, einem Header und einer Checksumme (CRC) versehen und können dann verschickt werden. Durch die Optimierung erreicht man ein Verhältnis von Nutzdaten zu Protokoll-Overhead von bis zu 98%.
Das CRC Verfahren im Frame erkennt alle Fehler, wenn das Transportmedium die vorgegebene Fehlerrate einhält. Wird ein Fehler erkannt, so wird nicht nur das betroffene Frame erneut gesendet, sondern die ganze Sequenz mit den enthaltenen Frames. Damit muss der einzelne fehlerhafte Frame nicht umständlich an die richtige Reihenfolge in der Sequenz einsortiert werden.

FC 3 Common Services

Es gibt zurzeit noch keine Definitionen für diese Funktion. Gedacht sind Datenverschlüsselung, Datenkomprimierung, Striping und Multipathing. Soweit heute schon verfügbare Funktionen werden unabhängig von dieser Schicht bereitgestellt.

FC 4 Protokoll Mapping

Diese Schicht beschreibt wie die "Upper Level Protokolle", wie z.B. SCSI oder Ficon Fibre Channel nutzen können. Dies ist ein Übersetzer, welcher aber auch spezielle Funktionen steuern kann. So muss zum Beispiel das "half duplex" Protokoll SCSI auf das "full-duplex" Verfahren von Fibre Channel umgesetzt werden. Auch können "Classes of Service" für einzelne Gruppen festgelegt werden.
In der Praxis übernimmt die FC 4 Schicht die Übersetzung von SCSI auf FCP. Damit wurde bei der Entwicklung von Fibre Channel der "Konnektor" zur alten SCSI Welt hergestellt. Das Betriebssystem erkennt also die Fibre Channel Devices als normale SCSI Geräte und kann mit dem schon vorhandenen und bewährten SCSI-Subsystem arbeiten. Es sind wesentlich weniger Anpassungen in den Betriebssystemen notwendig gewesen. Sicherlich auch ein Erfolgsbaustein für die schnelle und unkomplizierte Integration von Fibre Channel.

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