光纤通道(Fibre Channel)协议详述

一、光纤通道基本架构

  FC-4 Upper Layer Protocol:SCSI,HIPPI,SBCCS,802.2,ATM,VI,IP
  FC-3 common service
  FC-2 Framing Protocol /Flow Control
  FC-1 Encode/Decode
  FC-0 Media:Optical or copper,100MB/sec to 1.062GB/sec
  描述：
  FC-0:物理层，定制了不同介质，传输距离，信号机制标准，也定义了光纤和铜线接口以及电
  缆指标
  FC-1:定义编码和解码的标准
  FC-2:定义了帧、流控制、和服务质量等
  FC-3:定义了常用服务，如数据加密和压缩
  FC-4：协议映射层，定义了光纤通道和上层应用之间的接口，上层应用比如：串行SCSI 协
  议，HBA 的驱动提供了FC-4 的接口函数，FC-4 支持多协议，如：FCP-SCSI,FC-IP,FC-VI。

二、FCP-SCSI

    FCP-SCSI:是将光纤通道设备映射为一个 操作系统可访问的逻辑驱动器的一个串行协议，这个协议使得以前基于SCSI 的应用不做任何修改即可使用光纤通道。FC-SCSI 是存储系统和服务器之间最主要的通信手段。SCSI 扩展了COPY 命令，一个新的ANSI T10 标准，也支持SAN 上存储系统之间通过数据迁移应用来直接移动数据。

    FCP-SCSI 和总线联结方式相比的优点在存储局域网上已经得到证明，FCP-SCSI 提供更高的性能(100M/sec),更远的连接距离(每连接最远达10 公里)，更大的寻址空间(最大16000000 个节点)。FCP-SCSI 使用帧传输取代块传输。帧传输以大数据流传输方式传输短的小的事务数据，这样可提高服务质量。FCP-SCSI 支持为了简化管理和资源存储的存储“池”技术的 网络配置。FCP-SCSI 支持提高可靠性和可用性的编码技术。

三、FC-IP

    FC-IP 将光纤通道地址映射到IP 地址，FC-IP 的寻址方式：广播一个IP 地址，然后从存储节点返回一个MAC 地址。如果SCSI 设备不能区分FCP-SCSI 帧和FC-IP 帧，IP 广播可能导致错误。HDS 系统可通过检测帧头来区分FCP-SCSI 帧和FC-IP 帧，没有这个能力的存储系统必须通过别的方法(如switch zoning)来阻止FC-IP 帧被广播到fibre 端口。

    FC-IP 和以太网比有几个优点：可以和类似FCP-SCSI 存储的内部连接架构集成，以节省使用成本；传输速度更快，效率更高。

    以太网传输数据包最高到1500 字节。包是以太网中基本校正单元，在每一帧后都会导致消耗CPU 周期的一个中断。在GB 以太网里负载通常也是一个限制因素，避免占用全部带宽。而FC-IP 数据帧达到2000 字节，FC-IP 校正基本单元是一个多帧队列。MTU可以达到64 个帧，比较以太网而言允许光纤通道在主机中断之间传输更多的数据。这种MTU可减少需要的CPU 周期和提高传输效率。

    FC-IP 还有使用光纤通道网络的优点，光纤通道网络是基于流控制的封闭网络。以太网设初是考虑到要通过无流控制的公网，它在阻塞发生时，在一贯时间段之后返回并重发包，消耗额外的CPU 周期。IP 应用无须修改即可运行于FC-IP，享受光纤通道带来的高速和大大减少处理中断。

    Emulex 和JNI 是提供FC-IP 驱动的光纤通道HBA 厂商。他们计划传递一个“Combo”以支持FCP-SCSI 和FC-IP。Troika 提供支持FCP-SCSI、FC-IP、FC-IP（QOS）的控制器，QOS 允许网络管理员分配协议优先权。
  
四、FC-VI

    FC-VI 是在光纤通道上实现VI 架构，它允许数据在光纤通道接点的内存地址之间快速迁移。FC-VI 是VI 架构的光纤通道应用，一个intel,Compaq,100 多家厂商和组织为了减少服务器通信等待的协议标准。VI 设计的初衷是为了达到集群计算机之间通信等待减少和高带宽的效果。在光纤通道网络里，通过和另一节点接口的HBA 的缓冲区和应用内存之间直接访问(DMA)的方法，这个目标完成了VI 架构建立了内存注册机制，实质上就是限制用户内存的内存地址并支持数据从用户内存直接传输到HBA 的缓存，然后这个数据可以通过外部介质传输到另一个服务器应用内存的指定位置（注册）。如果要使用VI，应用、 数据库或操作系统必须从 www.viarch.org 获得相应的API。DB2 6.1 和 Oracle8.1 都在他们的数据库集群应用中使用了VI 架构。

    IP over Ethernet 的延迟包括TCP 栈（CPU 负荷）和以太传输延迟。100BaseT 的最大传输速率为100Mbit/sec，FC-IP 减少了以太相关的延迟并以光纤通道的速度传输，提供比IP over Ethernet 更好的吞吐能力，但仍然避免不了TCP/IP 的软件延迟。FC-VI 去掉了TCP栈并提供了应用内存和HBA 之间的DMA。FC-VI 饶过了系统内核，避免了操作系统上下文转换和缓冲改变，实现了更高的传输速率。

    FC-VI 需要一个支持VI 架构的光纤通道HBA，FC-VI HBA 和支持SCSI I/O 的光纤通道HBA 有本质上的不同。Troika 和Finisar 都提供支持VI 架构的光纤通道HBA。Finisar 出售一种基于PCI 的支持VI 架构的光纤通道HBA，支持点对点连接或交换形式。Troika 出售一种基于PCI 的智能控制器?D?DSAN 2000 系列控制器，这种控制器支持FC-SCSI，FC-IP，点对点FC-VI，FC-AL 和交换拓扑。Troika 控制器提供多种管理选项和特征，比如协议优先权配置和在负载均衡的path 变换。

五、多协议结构

    所有的这三种协议（FC-SCSI，FC-IP，FC-VI）可以备组合成一个光纤通道结构。尽管这些协议也能在FC-AL 里工作，但相应的带宽共享和仲裁消耗忽略掉了FC-IP 和FC-IP 的性能优点。建议使用Fabric交换，这是因为Fabric交换提供服务器之间和服务器与存储设备之间的多个无阻塞的100M/sec 的通路。

    HDS 公司开发了一个模拟使用FC-SCSI，FC-IP，FC-VI 交换结构的多协议商业智能解决方案。使用Ancor、Brocade 或一起使用这两家的Fabric交换机，这个方案于1999 年11 月的计算机分销商展览会和2000 年6 月的Gartner 集团存储2000 年会议上得到验证。在这个方案里的Fabric交换集成了全部数据网络的集中管理并提供了无限的可扩展性（随服务器和存储系统节点的增加）。Fabric交换的使用牺牲了一些完全可以忽略的性能损耗，在多数情况下，FCP-SCSI 通过交换所消耗不超过2%。

    当越来越多的应用为VI 架构而修改或开发时，我们会看到越来越多数据网络集成到光纤通道上。出现的市场机遇如EAI（企业应用交换）需要提供异平台和异种数据库之间的数据实时传输和交换，FC-VI 使得服务器之间高速数据交换成为可能。现存的应用如NAS 通过使用VI sockets 可以光纤通道的速度运行他们的网络文件系统。

    人们正在努力提出访问存储的IP 标准， Cisco 为SCSI over IP 向IETF 提交了一个规范，目前这个规范仍在开发中，它需要将控制和命令信号与数据信号的传输电缆分开，主要是考虑流控制和传输控制的开销。