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"Fibre Channel" V1.8 (c) Stor IT Back 2017

Fibre Channel Protokoll für das Storage Area Network

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 die Entwicklung von Fibre Channel gestellt? In der Entwicklungszeit vor Fibre Channel und SAS war das parallele SCSI die gebräuchlichste Übertragungsart für Daten. Die Geschwindigkeit bei FC sollte deutlich übertroffen werden und auch eine hohe Reserve für Verbesserungen bieten. Beim parallelen SCSI war das technisch Machbare mit 320 MB/s erreicht. Also musste es ein serielles Protokoll werden und es sollten sich größere Entfernungen als mit SCSI überbrücke lassen. Wichtig war weiter auch eine möglichst geringe Zahl von Übertragungsfehlern, da die Korrekturen immer zu Verzögerungen führen. Und Verzögerungen sind im Speicherbereich niemals gut, also musste auch die Latenzzeit gering gehalten werden. Eine wichtige 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 möglichst entfernen. Ein großer Nachteil von SCSI war auch die fehlende Hot Plug Fähigkeit. Systeme müssen vor der Verkabelung ausgeschaltet werden, dies wäre für Fibre Channel undenkbar. Hot Plug wurde also zu einem Hauptbestandteil der Entwicklung.

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

Geschwindigkeit  Kurzform
1.600,0 MB/s 1600
800,0 MB/s 800
400,0 MB/s 400
200,0 MB/s 200
100,0 MB/s 100

Medium bei Fibre Channel

Medium Kurzform Erweiterung Nutzung
Single-Mode Fibre 9 μm SM OS1 große Entfernungen
Multi-Mode Fibre 50 μm M5 OM2 kurze Entfernungen (alt)
Multi-Mode Fibre 50 μm M5 OM3 längere Entfernungen (neu)
Multi-Mode Fibre 50 μm M5 OM4 längere Entfernungen (neuer)
Multi-Mode Fibre 62,5 μm M6 OM1 kurze Entfernungen (veraltet)
Twisted Pair Cable TP innerhalb Gehäuse

Übertragungstyp

Übertragungstyp Kurzform
Longwave Laser LL
Shortwave Laser w SL
Shortwave Laser n SN
Longwave Lightemitting Diode LE
Electrical EL

Entfernungen

Entfernung Kurzform
Long L
Intermediate I
Short S

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
Exchange
Sequenz
Frame


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 Übertragungscharakteristika 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

Diese Funktion stellt Dienste wie zum Beispiel Multicast-Sendungen zur Verfügung. Bei dieser Funktion werden Datenpakete an mehr als einen Empfänger zugestellt. Damit können Datenreplizierungen direkt über Fibre Channel realisiert werden, ohne das ein Paket wirklich zweimal verschickt werden muss. Als weiteres gibt es den Dienst Striping, hier werden Daten abwechselnd über verschiedene Ports bzw. verschiedene Wege verschickt. Dies erhöht den Durchsatz.
Beide angeführten Dienste werden aber auch unabhängig vom FC 3 Service angeboten. So lässt sich mit dem Multipathing Round Robin auch ein Striping bzw. das Nutzen von verschiedenen Wegen realisieren.

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.

Ist Fibre Channel kompliziert einzurichten?

Fibre Channel ist mehr oder weniger auf Plug and Play konzipiert worden. Was bedeutet das? Wenn Sie einen Fibre Channel HBA mit einem Fibre Channel Storage verbinden, dann sehen sich beide Schnittstellen über Fibre Channel, tauschen Informationen aus und gleich sich ab. Das geht automatisch, ohne einen manuellen Eingriff des Administrators. Danach muss aber manuell eingegriffen werden, da jetzt eine LUN oder ein Laufwerk für den HBA freigegeben werden muss. Dies ist aber eine meist einfache Zuordnung in der GUI des Storage-Systems. Dort wird einfach die WWN des Fibre Channel HBAs einer LUN zugeordnet. Danach kann der HBA (bzw. das Betriebssystem) auf diese LUN zugreifen.
Ist das jetzt kompliziert? Vergleich wir das Mal mit einer ähnlichen Technologie, dem iSCSI. Die physikalische Verkabelung ist gleich. Jetzt muss aber für jeden Port eine IP-Adresse definiert werden, also zwei unterschiedliche Netze für die beiden Verbindungen einer redundanten Lösung. Bei vielen Verbindungen kann das schnell zu Fehlern führen. Doppelte IP Adresse, falsches Subnetting oder einfach ein Dreher in der Verkabelung, schon findet keine Verbindung statt. Dann erfolgt noch die Freigabe zwischen HBA über die IQN zu der LUN im Storage. Da die IQN leicht zu manipulieren ist, sollte man dort auch noch eine Chap Authentifizierung einsetzen, also User und Passwort für die Verbindung. Danach kann die LUN genutzt werden. Da Ethernet und TCP/IP aber nicht für Storage entwickelt wurde, müssen meist noch Parameter angepasst werden, im einfachsten Fall die MTU auf 9000.
Die IP-Adressen, Netzwerke und Netzmasken braucht Fibre Channel nicht (= hat es nicht). Diese Fehlermöglichkeiten fallen also weg, Fibre Channel ist da deutlich schneller und einfacher aufzusetzen und damit auch stabiler in der Produktion.
Aber was ist mit der Fehlersuche? Bei iSCSI kann man mit einem Ping testen, ob die Verbindungen da sind, bei Fibre Channel gibt es keinen Ping... Bei Fibre Channel braucht man die Information über den FC-Login, ist der Login OK, dann ist die Verbindung in Ordnung. Zu sehen ist der Login in der GUI des Storage-Systems oder im Log des Treibers des HBA. Normalerweise reicht bei Fibre Channel schon der Blick auf die LEDs der jeweiligen Ports. Mehr Informationen zur Analyse liefert ein Fibre Channel Switch. Dieser zeigt auch zum Beispiel Fehlerzähler an, die auf defekte Leitungen hindeuten können. Alles in allem ist Fibre Channel einfach zu installieren und sehr stabil.

Einstieg in Fibre Channel

Wir bieten verschiedene Schulungen und Workshops zum Thema Fibre Channel an. Diese starten mit Storage und Backup - ein herstellerneutraler Überblick als Einstieg und zum Vergleich der Technologien. Der Aufbau von Fibre Channel Netzwerken wird in der Schulung SAN - Technologie, Aufbau und Betrieb in der Theorie erklärt, aber auch der Vergleich zu iSCSI wird gezogen. Ein Workshop speziell für Entscheider und alle, die einen Einstieg finden wollen. Für alle aus der Praxis bieten wir den Workshop Praxis-Workshop Storage Area Network (SAN) mit Fibre Channel und iSCSI an, dort wird ein komplettes redundantes Fibre Channel SAN aufgebaut und Installation und Konfiguration in der Praxis gezeigt.


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Storage (SAN, NAS, iSCSI)
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Storage- und Servervirtualisierung
Praxis-Schulungen
individuell / auch Inhouse
 
 
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