Canal de fibra

Fibre Channel (FC) es un protocolo de transferencia de datos de alta velocidad que proporciona una entrega en orden y sin pérdidas de datos de bloques sin procesar. Fibre Channel se utiliza principalmente para conectar el almacenamiento de datos informáticos a servidores en redes de área de almacenamiento (SAN) en centros de datos comerciales.

Las redes de canal de fibra forman un tejido conmutado porque los conmutadores de una red funcionan al unísono como un gran conmutador. Fibre Channel generalmente se ejecuta en cables de fibra óptica dentro y entre centros de datos, pero también se puede ejecutar en cableado de cobre. Las velocidades de datos admitidas incluyen 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 gigabits por segundo como resultado de las mejoras en las sucesivas generaciones de tecnología. La industria ahora anota esto como Gigabit Fibre Channel (GFC).

Existen varios protocolos de nivel superior para Fibre Channel, incluidos dos para almacenamiento en bloque. El Protocolo de Canal de Fibra (FCP) es un protocolo que transporta comandos SCSI a través de redes de Canal de Fibra. FICON es un protocolo que transporta comandos ESCON, utilizados por las computadoras centrales de IBM, a través de Fibre Channel. Fibre Channel se puede utilizar para transportar datos desde sistemas de almacenamiento que utilizan un medio de almacenamiento de memoria flash de estado sólido mediante el transporte de comandos de protocolo NVMe.

Etimología

Cuando la tecnología se ideó originalmente, funcionaba solo con cables de fibra óptica y, como tal, se llamaba "Fiber Channel". Posteriormente, se añadió a la especificación la capacidad de pasar por encima de cableado de cobre. Para evitar confusiones y crear un nombre único, la industria decidió cambiar la ortografía y usar el inglés británico fibra para el nombre del estándar.

Historia

Fibre Channel está estandarizado en el Comité Técnico T11 del Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información (INCITS), un comité de estándares acreditado por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). Fibre Channel comenzó en 1988, con la aprobación del estándar ANSI en 1994, para fusionar los beneficios de múltiples implementaciones de capa física, incluidas SCSI, HIPPI y ESCON.

Fibre Channel se diseñó como una interfaz serial para superar las limitaciones de las interfaces de cable de cobre de señal paralela de capa física SCSI e HIPPI. Tales interfaces enfrentan el desafío de, entre otras cosas, mantener la coherencia de tiempo de la señal en todos los cables de señal de datos (8, 16 y finalmente 32 para SCSI, 50 para HIPPI) para que un receptor pueda determinar cuándo todos los valores de la señal eléctrica son & #34;bueno" (estable y válido para muestreo de recepción simultánea). Este desafío se vuelve cada vez más difícil en una tecnología de fabricación en masa a medida que aumentan las frecuencias de la señal de datos, y parte de la compensación técnica consiste en reducir cada vez más la longitud del cable paralelo de cobre de conexión compatible. Consulte SCSI paralelo. FC se desarrolló con tecnologías de fibra óptica multimodo de vanguardia que superaron las limitaciones de velocidad del protocolo ESCON. Al atraer a la gran base de unidades de disco SCSI y aprovechar las tecnologías de mainframe, Fibre Channel desarrolló economías de escala para tecnologías avanzadas y las implementaciones se volvieron económicas y generalizadas.

Los productos comerciales se lanzaron mientras el estándar aún estaba en borrador. Cuando se ratificó el estándar, las versiones de menor velocidad ya estaban dejando de usarse. Fibre Channel fue el primer transporte de almacenamiento en serie en alcanzar velocidades de gigabits donde experimentó una amplia adopción, y su éxito creció con cada velocidad sucesiva. Fibre Channel ha duplicado su velocidad cada pocos años desde 1996.

Fibre Channel ha experimentado un desarrollo activo desde sus inicios, con numerosas mejoras de velocidad en una variedad de medios de transporte subyacentes. La siguiente tabla muestra la progresión de las velocidades nativas de Fibre Channel:

Además de una capa física moderna, Fibre Channel también agregó soporte para cualquier cantidad de "capa superior" protocolos, incluidos ATM, IP (IPFC) y FICON, siendo SCSI (FCP) el uso predominante.

Características

Dos características principales de las redes de canal de fibra son la entrega en orden y la entrega sin pérdidas de datos de bloques sin procesar. La entrega sin pérdidas del bloque de datos sin procesar se logra en base a un mecanismo de crédito.

Topologías

Existen tres topologías principales de canal de fibra que describen cómo se conectan varios puertos entre sí. Un puerto en la terminología de canal de fibra es cualquier entidad que se comunica activamente a través de la red, no necesariamente un puerto de hardware. Este puerto generalmente se implementa en un dispositivo como almacenamiento en disco, una conexión de red de adaptador de bus de host (HBA) en un servidor o un conmutador de canal de fibra.

Diagrama de topología de una conexión de punto a punto del Canal Fibre

• Punto a punto (ver FC-FS-3). Dos dispositivos se conectan directamente entre sí usando N_ports. Esta es la topología más simple, con conectividad limitada. El ancho de banda está dedicado.
• Arbitrated loop (ver FC-AL-2). En este diseño, todos los dispositivos están en un bucle o anillo, similar a Token Ring networking. Agregar o quitar un dispositivo del bucle hace que toda la actividad en el bucle sea interrumpida. El fallo de un dispositivo causa una ruptura en el anillo. Existen centros de canal de fibra para conectar varios dispositivos juntos y pueden evitar puertos fallidos. Un bucle también puede ser hecho por cablear cada puerto al siguiente en un anillo.
  • Un bucle mínimo que contiene sólo dos puertos, al parecer similar al punto a punto, difiere considerablemente en términos del protocolo.
  • Sólo un par de puertos pueden comunicarse simultáneamente en un bucle.
  • Velocidad máxima de 8GFC.
  • Arbitrated Loop se ha utilizado rara vez después de 2010 y su apoyo está siendo interrumpido para nuevos interruptores de gen.
• Tela conmutada (ver FC-SW-6). En este diseño, todos los dispositivos están conectados a los conmutadores Fibre Channel, de forma similar a las implementaciones Ethernet modernas. Las ventajas de esta topología sobre punto a punto o círculo arbitrado incluyen:
  • El Tejido puede escalar a decenas de miles de puertos.
  • Los interruptores gestionan el estado del tejido, proporcionando caminos optimizados a través del protocolo de enrutamiento de datos de Sendero Corto (FSPF).
  • El tráfico entre dos puertos fluye a través de los interruptores y no a través de otros puertos como en Arbitrated Loop.
  • El fracaso de un puerto está aislado a un enlace y no debe afectar el funcionamiento de otros puertos.
  • Múltiples pares de puertos pueden comunicarse simultáneamente en un Tejido.

Capas

Fibre Channel no sigue las capas del modelo OSI y se divide en cinco capas:

Fibre Channel es una tecnología con capas que comienza en la capa física y progresa a través de los protocolos a los protocolos de nivel superior como SCSI y SBCCS.

• FC-4 – Capa de protocolo, en la que los protocolos de nivel superior como NVM Express (NVMe), SCSI, IP y FICON se encapsulan en Unidades de Información (UI) para su entrega al FC-2. Los FC-4 actuales incluyen FCP-4, FC-SB-5 y FC-NVMe.
• FC-3 – La capa de servicios comunes, una capa fina que eventualmente podría implementar funciones como encriptación o algoritmos de redundancia RAID; conexiones multiportales;
• FC-2 – Protocolo de señalización, definido por el estándar Fibre Channel Framing and Signaling 4 (FC-FS-5), consta de los protocolos de red de bajo nivel Fibre Channel; conexiones de puerto a puerto;
• FC-1 – Protocolo de transmisión, que implementa la codificación de líneas de señales;
• FC-0 – capa física, incluye cableado, conectores, etc.;

Este diagrama de FC-FS-4 define las capas.

Las capas FC-0 se definen en las interfaces físicas de canal de fibra (FC-PI-6), las capas físicas de canal de fibra.

Los productos Fibre Channel están disponibles a 1, 2, 4, 8, 10, 16 y 32 y 128 Gbit/s; estos tipos de protocolo se denominan en consecuencia 1GFC, 2GFC, 4GFC, 8GFC, 10GFC, 16GFC, 32GFC o 128GFC. El estándar 32GFC fue aprobado por el comité INCITS T11 en 2013, y esos productos estuvieron disponibles en 2016. Los diseños 1GFC, 2GFC, 4GFC, 8GFC usan codificación 8b/10b, mientras que los estándares 10GFC y 16GFC usan codificación 64b/66b. A diferencia de los estándares 10GFC, 16GFC proporciona compatibilidad con versiones anteriores de 4GFC y 8GFC, ya que proporciona exactamente el doble de rendimiento que 8GFC o cuatro veces el de 4GFC.

Puertos

Topologías de FC y tipos de puerto: Este diagrama muestra cómo N_Ports puede conectarse a un tejido o a otro N_Port. Un puerto de bucle (L_Port) se comunica a través de un bucle compartido y rara vez se utiliza más.

Los puertos Fibre Channel vienen en una variedad de configuraciones lógicas. Los tipos de puertos más comunes son:

• N_Port (puerto de Nodo) Un N_Port es típicamente un puerto HBA que se conecta a F_Port de un interruptor u otro N_Port. Nx_Port comunicando a través de un PN_Port que no está operando una máquina de estado de puerto Loop.
• F_Port (puerto Fbric) Un F_Port es un puerto de conmutación conectado a un N_Port.
• E_Port (puerto de expansión) Cambiar el puerto que se adhiere a otro E_Port para crear un Enlace Inter-Switch.

Los protocolos de bucle de canal de fibra crean varios tipos de puertos de bucle:

• L_Port (puerto alto) FC_Port que contiene funciones Arbitrated Loop asociadas con la topología Arbitrada Loop.
• FL_Port (puerto de carga rápido) L_Port que es capaz de realizar la función de un F_Port, unido a través de un enlace a uno o más NL_Ports en una topología Arbitrada de Loop.
• NL_Port (puerto Nodo Loop) PN_Port que está operando una máquina de estado del puerto de Loop.

Si un puerto puede soportar la funcionalidad de bucle y sin bucle, el puerto se conoce como:

• Fx_Port puerto de conmutación capaz de operar como F_Port o FL_Port.
• Nx_Port punto final para la comunicación del marco de Fibre Channel, teniendo un identificador de dirección y Name_Identifier, proporcionando un conjunto independiente de funciones FC-2V a niveles más altos, y teniendo la capacidad de actuar como iniciador, un encuestador, o ambos.

Un puerto tiene una estructura física, así como estructura lógica o virtual. Este diagrama muestra cómo un puerto virtual puede tener múltiples puertos físicos y viceversa.

Los puertos tienen componentes virtuales y componentes físicos y se describen como:

• PN_Port entidad que incluye un Link_Control_Facility y uno o más Nx_Ports.
• VF_Port (Virtual F_Port) instancia del subnivel FC-2V que se conecta a uno o más VN_Ports.
• VN_Port (Virtual N_Port) instancia del subnivel FC-2V. VN_Port se utiliza cuando se desea enfatizar el soporte para múltiples Nx_Ports en un solo Multiplexer (por ejemplo, a través de un solo PN_Port).
• VE_Port (Virtual E_Port) instancia del subnivel FC-2V que se conecta a otro VE_Port o a un B_Port para crear un Enlace Inter-Switch.

Los siguientes tipos de puertos también se utilizan en Fibre Channel:

• A_Port (puerto adyacente) combinación de un PA_Port y un VA_Port operando juntos.
• B_Port (Bridge Port) Puerto de conexión de tejido utilizado para conectar dispositivos de puente con E_Ports en un interruptor.
• D_Port (Puerto Diagnóstico) Un puerto configurado utilizado para realizar pruebas de diagnóstico en un enlace con otro D_Port.
• EX_Port Un tipo de E_Port solía conectarse a un tejido de router FC.
• G_Port (puerto de tela genérico) Cambiar el puerto que puede funcionar como E_Port, A_Port o como F_Port.
• GL_Port (puerto de techo de tela genérico) Cambiar el puerto que puede funcionar como E_Port, A_Port o como Fx_Port.
• PE_Port LCF dentro del tejido que se une a otro PE_Port o a un B_Port a través de un enlace.
• PF_Port LCF dentro de un tejido que se une a un PN_Port a través de un enlace.
• TE_Port (Trunking E_Port) Un puerto de expansión de troncos que expande la funcionalidad de los puertos E para soportar los parámetros de conexión VSAN, calidad de transporte (QoS) y la función Fibre Channel trace (fctrace).
• U_Port (puerto universal) Un puerto esperando convertirse en otro tipo de puerto
• VA_Port (Virtual A_Port) instancia del subnivel FC-2V de Fibre Channel que se conecta a otro VA_Port.
• VEX_Port VEX_Ports no son diferentes de EX_Ports, excepto el transporte subyacente es IP en lugar de FC.

Medios y módulos

Fibre Channel utiliza predominantemente el módulo SFP con conector LC y cableado dúplex, pero 128GFC utiliza el módulo QSFP28 y los conectores MPO y cableado de cinta.

La capa física de Fibre Channel se basa en conexiones en serie que usan fibra óptica para conectar el cobre entre los módulos enchufables correspondientes. Los módulos pueden tener un solo carril, carriles dobles o carriles cuádruples que corresponden a los factores de forma SFP, SFP-DD y QSFP. Fibre Channel no ha utilizado módulos de 8 o 16 carriles (como CFP8, QSFP-DD o COBO) utilizados en 400 GbE y no tiene planes de utilizar estos módulos costosos y complejos.

El módulo transceptor conectable (SFP) de factor de forma pequeño y su versión mejorada SFP+, SFP28 y SFP56 son factores de forma comunes para los puertos Fibre Channel. Los módulos SFP admiten una variedad de distancias a través de fibra óptica multimodo y monomodo, como se muestra en la siguiente tabla. El módulo SFP utiliza cableado de fibra dúplex que tiene conectores LC.

El módulo SFP-DD se utiliza en aplicaciones de alta densidad que necesitan duplicar el rendimiento de puertos SFP tradicionales.

El módulo SFP-DD se usa para aplicaciones de alta densidad que necesitan duplicar el rendimiento de un puerto SFP. El SFP-DD está definido por el SFP-DD MSA y permite la conexión a dos puertos SFP. Como se ve en la imagen, dos filas de contactos eléctricos permiten duplicar el rendimiento del módulo de manera similar al QSFP-DD.

El módulo cuádruple de factor de forma pequeño conectable (QSFP) comenzó a usarse para la interconectividad de conmutadores y luego se adoptó para su uso en implementaciones de 4 carriles de Gen 6 Fibre Channel compatibles con 128GFC. El QSFP usa el conector LC para 128GFC-CWDM4 o un conector MPO para 128GFC-SW4 o 128GFC-PSM4. El cableado MPO utiliza una infraestructura de cableado de 8 o 12 fibras que se conecta a otro puerto 128GFC o puede dividirse en cuatro conexiones LC dúplex a puertos 32GFC SFP+. Los conmutadores de canal de fibra utilizan módulos SFP o QSFP.

Los dispositivos Fibre Channel modernos admiten el transceptor SFP+, principalmente con conector de fibra LC (Lucent Connector). Los dispositivos 1GFC más antiguos usaban un transceptor GBIC, principalmente con un conector de fibra SC (Subscriber Connector).

Redes de área de almacenamiento

El Canal Fibre SAN conecta servidores a almacenamiento a través de los conmutadores del Canal Fibre.

El objetivo de Fibre Channel es crear una red de área de almacenamiento (SAN) para conectar servidores al almacenamiento.

La SAN es una red dedicada que permite que varios servidores accedan a los datos desde uno o más dispositivos de almacenamiento. El almacenamiento empresarial utiliza la SAN para realizar copias de seguridad en dispositivos de almacenamiento secundarios, incluidas matrices de discos, bibliotecas de cintas y otras copias de seguridad mientras el servidor aún puede acceder al almacenamiento. Los servidores también pueden acceder al almacenamiento desde varios dispositivos de almacenamiento a través de la red.

Las SAN a menudo se diseñan con entramados duales para aumentar la tolerancia a fallas. Dos estructuras completamente separadas están operativas y si la estructura principal falla, la segunda estructura se convierte en la principal.

Interruptores

Fibre Channel director con módulos SFP+ y conectores de fibra óptica LC con fibra óptica Multimodo 3 (OM3) óptica (aqua).

Los conmutadores de canal de fibra se pueden dividir en dos clases. Estas clases no forman parte del estándar y la clasificación de cada interruptor es una decisión de marketing del fabricante:

• Directores ofrecen una alta cuenta de puerto en un chasis modular (basado en parcela) sin un solo punto de falla (alta disponibilidad).
• Interruptores son típicamente más pequeños, configuración fija (a veces semimodular), dispositivos menos redundantes.

Un tejido que consta enteramente de productos de un solo proveedor se considera homogéneo. Esto a menudo se conoce como operar en su "modo nativo" y permite que el proveedor agregue funciones patentadas que pueden no cumplir con el estándar Fibre Channel.

Si se utilizan varios proveedores de conmutadores dentro de la misma estructura, es heterogéneo, los conmutadores solo pueden lograr la adyacencia si todos los conmutadores se colocan en sus modos de interoperabilidad. Esto se denomina "tejido abierto" ya que es posible que el conmutador de cada proveedor deba deshabilitar sus características patentadas para cumplir con el estándar Fibre Channel.

Algunos fabricantes de conmutadores ofrecen una variedad de modos de interoperabilidad más allá del modo "nativo" y "tejido abierto" estados Estos "interoperabilidad nativa" Los modos permiten que los interruptores operen en el modo nativo de otro proveedor y aún mantengan algunos de los comportamientos propietarios de ambos. Sin embargo, la ejecución en el modo de interoperabilidad nativo aún puede deshabilitar algunas funciones patentadas y puede producir estructuras de estabilidad cuestionable.

Adaptadores de bus de host

Doble puerto 8Gb FC host tarjeta de adaptador de autobús.

Puerto dual tarjeta de adaptador de autobús host 16Gb FC.

Los HBA de canal de fibra, así como los CNA, están disponibles para todos los principales sistemas abiertos, arquitecturas informáticas y buses, incluidos PCI y SBus. Algunos dependen del sistema operativo. Cada HBA tiene un World Wide Name (WWN) único, que es similar a una dirección MAC de Ethernet en el sentido de que utiliza un identificador único organizacional (OUI) asignado por el IEEE. Sin embargo, los WWN son más largos (8 bytes). Hay dos tipos de WWN en un HBA; un Nombre de nodo mundial (WWNN), que puede ser compartido por algunos o todos los puertos de un dispositivo, y un Nombre de puerto mundial (WWPN), que es necesariamente único para cada puerto.