Fibre Channel光纤通道详解

原文出处：https://community.emc.com/docs/DOC-32996

Fibre Channel的概念:

光纤通道技术（Fibre Channel）是一种网络存储交换技术，可提供远距离和高带宽，能够在存储器、服务器和客户机节点间实现大型数据文件的传输。

Fibre Channel (FC) 是一种高速网络互联技术（通常的运行速率有2Gbps、4Gbps、8Gbps和16Gbps），主要用于连接计算机存储设备。过去，光纤通道大多用于超级计算机，但它也成为企业级存储SAN中的一种常见连接类型。尽管被称为光纤通道，但其信号也能在光纤之外的双绞线上运行。

光纤通道协议（Fibre Channel Protocol，FCP）是一种类似于TCP的传输协议，大多用于在光纤通道上传输SCSI命令。

光纤通道广泛用于通信接口，并成为传统I/O接口与网络技术相结合趋势的一部分。

Network运作于一个开放的，非结构化的并且本质上不可预测的环境。

Channels通常运行在一个封闭的、结构化的和可预测的环境，该环境下所有与主机通信的设备都预先已知，任何变更都需要主机软件或配置表进行相应更改。通道协议如SCSI，ESCON, IPI。

Fibre Channel将这两种通信方式的优势集合为一种新的接口，同时满足network和channel用户的需求。

 

Fibre Channel的目标与优势:

 

Fibre Channel要提供的是一个连接计算机和共享外围设备的接口，在这一技术提出之前是通过多种不同的接口来连接的，如IDE，SCSI，ESCON。

Fibre Channel需要提供大量信息的高速传输。

上图显示了2Gbps Fibre Channel与Escon和SCSI同等级下的传送速率对比。

除了速度增长以外，Fibre Channel也需要支持公里级的距离。通过光纤交换机实现，如下图所示：

光纤通道还需要提供传输多种上层协议的能力，并维持这些上层协议的持续使用。光纤通道接口如下图所示：

连接和扩展是光纤通道的一个主要目标，通过将数千个设备共享数据并连接在一起来实现。Fibre Channel支持交换光纤，一个光纤结构理论上可支持一千六百万地址。光纤结构可以从一个单一交换机开始，按照需求可添加更多交换机来实现扩展。

光纤通道还需要提供比SCSI形式更简单的线缆和插头。

光纤线缆比传统SCSI铜线更易于管理，插头体积更小从而一个适配器端口密度更高。当使用光纤线缆时，系统安装更为简便。

无中断安装和服务也是光纤线缆的一个要求。不同于铜线，在插拔时需要断电，光纤在上下电时无需担心瞬态损伤。
可靠性，可用性和可维护性一直是光纤通道协议的目标。与铜线相比它具有明显的优势：对电磁干扰和线间串扰不明显。

节点（Node）:

 

光纤通道环境包括两个或更多通过互联拓扑连接在一起的设备。光纤通道设备如个人电脑，工作站，磁盘阵列控制器，磁盘和磁带设备都被称为节点。每个节点都是一个或多个节点的信息源或目的。以EMC为例节点可以是Symmetrix系统。每个节点需要一个或多个端口作为节点间通信的物理接口。端口是一个允许节点通过物理接口发送或接收信息的硬件附件。一些设备将这些端口集成，其他一些设备则使用可插拔端口如HBA。以EMC为例端口可以是Symmetrix FA适配器上的接口。

端口（Ports）:

 每一个光纤通道节点包含至少一个硬件端口，将该节点与光纤通道环境连接，并处理与其他端口的信息。此端口称为节点端口。一个节点可以有一个或多个节点端口。按照端口支持的协议标准有以下几种不同类型的节点端口：

 

N_PORT：Node_ports既可以用在端到端也可以用在光纤交换环境。在端到端环境下N_ports发送端与接收端之间直接互连。举例来说，一个HBA或一个Symmetrix FA端口就是一个N_port。

 

F_PORT：Fabric_Ports用于光纤交换环境下N_port之间的互连，从而所有节点都可以相互通信。通常这些端口在交换机上，允许HBA和其他设备如Symmetrix FA连接到光纤。

 

NL_PORT：NL_Port是支持仲裁环路的节点端口。例如，NL_Port可以是HBA或Symmetrix FA端口。

 

FL_PORT：FL_PORT是支持仲裁环路的交换端口。通常是交换机上连接到仲裁环路的端口。

 

E_PORT：E_Port是一个光纤扩展端口，用于在多路交换光纤环境下。E_ports通常指一个交换机上连接到光纤网络另一个交换机的端口。

 

G_PORT：G_Port是一个既能配成E_Port又能配成F_Port的通用端口。是一种位于交换机上的端口。

光纤（Fiber）：

端口通过链路连接至光纤网络。此链路包括线缆和承载两个独立光纤网络间收发信息端口的其他连接器。

链路可能包括光导纤维或电缆。发送信号可能是长波光，短波光，LED或电子信号。

光纤结构包括光传输的纤芯。纤芯包裹着覆层，功能是反射并控制光在芯内传输。纤芯和覆层由玻璃材质制造并且很容易被损坏。为了保护光纤避免受到物理损坏覆盖了更多保护层，以使光纤能够承受一定力度。并有一个光纤可弯曲的最小角度，在这个角度附近光纤将被弯曲，超过这个角度将会导致光纤传输信号衰减，最坏情况将导致光纤损坏。正常使用下线缆较为坚实并且除了要留意最小弯曲半径以外无需特别维护。芯径和外径（µm为单位）通常是光纤规格的定义方式。例如，62.5/125µm光纤，芯径为62.5µm外径为125µm。两根这样的光纤结合在一根双芯线缆中，两端有相应的双芯连接器。两根光纤以相反的方向发送和接收数据。双芯线缆允许同步发送和接收。

单模和多模（Single Mode and Multimode）：

光纤通道中有两种传输模式。

单模链路的芯径为9-10µm并且使用位于光谱红外部分约为1300纳米的长波光作为光源。此光对于人眼是不可见的。下芯径允许单模链路支持端口间最大10km的距离，所有光在光纤中沿着同一路径传输，如下图所示。单模链路主要用于长距离传输，应用于Symmetrix Fibre Channel适配器的几个版本。

多模链路相对于单模成本较低，用于无需单模那样远距离传输的场景。光纤通道链路通常基于50或62.5µm芯径并支持光波长约为800nm。这种相对于单模增加的芯径意味着光在光纤中有多种传播路径。

这就导致一种情况：某些频率的光在光纤中沿着一条路径传输而其他光沿着另一条路径，这种结果称为模态色散（Modal Dispersion）。这导致光呈放射状从而限制了多模线缆的距离。

网络（Fabric）：

术语Fabric用于光纤通道描述通用的交换或路由结构，该结构依据帧头的目的地址来传递帧。网络可能是端到端，交换光纤或是仲裁环路。

拓扑（Topology）：

光纤通道提供了三种不同的拓扑结构和一个混合的互连拓扑结构。这些拓扑结构是：

• 端到端
• 光纤交换
• 仲裁环路
• 混合

端到端：

端到端拓扑是所有拓扑结构中最简单的一种，允许两个N_Port通过链路直接互连。各N_Port的发送端直接连至另一端口的接收端。此链路为这两个端口专用，访问链路无需特定协议，因此这两个端口完全占据链路带宽。

光纤交换：

端到端拓扑虽然很简单直观，但连接数量有限。这就导致了光纤交换技术的诞生，理论上支持一千六百万个端口（2^24）。交换网络可以包含单个交换机，或多个交换机互连作为一个逻辑整体。

 

每个N_Port通过相关链路连接至光纤网络端口（F_Port）。在光纤网络内各F_Port通过路由功能连接。这就使帧结构按照帧头的目标地址从一个F_Port路由至另一个F_Port。

 

多个并发连接可以同时在N_Port之间共存，因此，随着N_Port数量的增加，聚合带宽也在增长。

仲裁环路：

 

仲裁环路比端到端提供更多连接，可在一个回路上支持126个NL_Port和1个FL_Port，在端到端和光纤交换之间提供一个中间值。在仲裁环路中一个端口的发送输出连接至下一个端口的接收端，所有节点之间都有这样的连接直到形成一个闭合环路。如下图所示。这类配置通常使用光纤通道集线器从而无需使用线缆。仲裁环路中各端口在环路上发现所有消息并忽视/传递目的地非本端口的信息。

混合光纤：

 

光纤通道通过连接一个或多个仲裁环路到网络从而支持混合拓扑。这种方式结合了两种拓扑的长处。光纤网络拓扑提供连接选择和高聚合带宽，而仲裁环路拓扑提供低成本连接和共享带宽，而无需增加光纤交换机成本。

 

混合配置的好处在于仲裁环路上的NL_Port可通过交换机上的FL_Port连接光纤交换机上的N_Port，但需要进行必要的转换。这种转换包括将光纤网络地址转换成环路地址，以及将环路地址转换成光纤交换地址。该配置同时允许N_Port连接至仲裁环路上的NL_Port。