Fibre Channel (FC)

Fibre Channel (FC) ist ein Übertragungssystem, das für Speichernetze (Storage Area Networks) eingesetzt wird. Ursprünglich sollte es in LAN-Backbones Fast-Ethernet und FDDI ablösen. Hier hat sich allerdings Ethernet und TCP/IP durchgesetzt, weshalb es von Fibre Channel auch die Varianten Fibre Channel over IP (FCIP) und Fibre Channel over Ethernet (FCoE) gibt.
Fibre Channel ist eine logische Erweiterung des SCSI-Busses. Es überträgt SCSI-Befehle und Daten in serieller Form in einem Storage Area Network (SAN). Im Gegensatz zum SCSI-Bus ist Fibre Channel ein serielles Netz mit Knoten, Switches und anderen Kopplungselementen.
Im Gegensatz zur Protokoll-Kombination aus TCP/IP/Ethernet besteht das FC-Protokoll aus einem Guss. Dadurch ist es sehr effizient. Eine weitere Besonderheit ist die Möglichkeit weite Entfernungen mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit zu überbrücken.

Eigenschaften von Fibre Channel

Fibre Channel definiert:

Fibre Channel ist Übertragungssystem gedacht, um Server mit entfernten Speichergeräten zu verbinden. Damit etabliert sich neben TCP/IP over Ethernet eine eigenständige Netzwerktechnik. Vorteil von Fibre Channel ist die Optimierung des Transfers von Massendaten, also blockorientiertem Datentransfer. Diesen Vorteil gegenüber Ethernet führte dazu, dass Fibre Channel das am häufigsten verwendete Verbindungsmedium in SANs (Storage Area Networks) ist. Als Verbindungsmedium ist Fibre Channel auf den höheren Schichten des OSI-Schichtenmodells auf ein anderes Protokoll angewiesen. Z. B. das erwähnte SCSI oder sogar IP. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass an Treibern und Software nur geringfügige Änderungen erforderlich sind.
Fibre Channel hat eine Nutzdatenauslastung von über 90%, während z. B. Ethernet nur zwischen 20 und 60% der maximal möglichen Übertragungsrate mit Nutzlast belegen kann.

Architektur und Topologie von Fibre Channel

Je nach Topologien werden unterschiedliche Protokolle verwendet. Als Übertragungsmedien kommen Glasfaserkabel und Kupferkabel (meistens Twin Axial) zum Einsatz.

Fibre Channel Point-to-Point

Fibre Channel Point-to-Point
Die Point-to-Point-Topologie sieht vor, ein Speichergerät an nur einen Server anzubinden. Dafür verwendet man üblicherweise SAS oder SATA.

Fibre Channel Arbitrated Loop

Fibre Channel Arbitrated Loop
Arbitrated Loop (FC-AL) definiert einen unidirektionalen Ring mit bis zu 126 Fibre-Channel-Geräten. Dazu zählen Server und Speichergeräte. Das AL-Protokoll erlaubt immer nur den Datenaustausch zwischen zwei Geräten. Die anderen Geräte müssen warten. Deshalb setzt man den Arbitrated Loop auch nur innerhalb von Disksubsystemen ein, um Festplatten und Bandlaufwerke anzubinden.
Um die Ausfallsicherheit zu erhöhen wird der Ring doppelt ausgelegt. Zum Verbinden werden auf kurzen Strecken Kupferkabel, auf längeren Strecken Glasfaserkabel verwendet.

Fibre Channel Switched Fabric

Fibre Channel Switched Fabric
Die Switched-Fabric-Topologie sieht den Einsatz von Hubs und Switches zum Koppeln der einzelnen Geräte vor. Im Gegensatz zum Arbitrated Loop unterstützen sie den zeitgleichen Datenverkehr. Werden die Switches kaskadiert spricht man von einer Fabric. Im Innern eines solchen Netzwerks werden ausfallsichere Core-Switches eingesetzt. Die Endgeräte werden über Edge-Switches mit den Core-Switches verbunden.
Innerhalb der Fabric können die Endgeräte beliebig miteinander verbunden werden und aufeinander zugreifen. Die Fabric-Technik erlaubt den Anschluss von 16 Millionen Geräten.
Die Fabric ist in fast allen Szenarien die beste Wahl. Im einfachsten Fall besteht eine Fabric aus mehreren Servern und ein bis zwei Disksubsystemen. Über FC-Switches werden die Geräte miteinander verbunden. So können alle Geräte parallel untereinander Daten austauschen.

SSA - Serial Storage Architecture

SSA beruht auf der Serial Link Architecture von IBM. Die wird schon seit 1989 in Systemen wie IBM 9333 eingesetzt. Seit 1995 bietet IBM SSA-Adapter für PCs und SSA-Festplatten an.
SSA hat mit Fibre Channel einen direkten Konkurrenten. Bevor SSA gegen Fibre Channel antreten konnte, hatte sich IBM bereit erklärt SSA mit FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop) zu vereinen. Herausgekommen ist dabei FC-EL (Fibre Channel Enhanced Loop).
SSA - Serial Storage Architecture
SSA basiert auf einer zweischichtigen Architektur. Die physikalische Schicht (SSA-PHx) ist für den Datentransfer definiert. Die logische Schicht (SSA-SxP) ist SCSI-2-konform ausgelegt. Das bedeutet, dass hier mit SCSI-2-Kommandos gearbeitet werden kann. Die Geräte konfigurieren sich selbst.
SSA-Devices haben zwei Ports für das gleichzeitige Senden und Empfangen. Neben Punkt-zu-Punkt-Verbindungen erlaubt SSA auch Ring- und Stern-Topologien. In einer Ring-Topologie (Loop) werden die Geräte hintereinander geschaltet.

Fibre Channel und die Alternativen

Für Fibre Channel wird spezielle Hardware benötigt, die teuer ist. Der Aufbau und die Verwaltung dieses Netzes ist nur etwas für Spezialisten, von denen es nicht viele gibt und die teuer bezahlt werden müssen. Und die Produkte unterschiedlicher Hersteller sind nicht immer vollständig kompatibel zueinander. Am Anfang einer Investitionsentscheidung legt man sich somit auf die Geräte eines Herstellers fest. In Zeiten von günstigen Ethernet- und IP-Komponenten besteht hier natürlich der Wunsch, ein Speichernetzwerk auf der vorhandenen Infrastruktur zu verwirklichen. Gleichzeitig möchte man natürlich die Vorteile von Fibre Channel weiter nutzen. Je nach Protokoll-Zusammensetzung ergibt sich hierbei eine Kombination aus Ethernet, TCP/IP, Fibre Channel und iSCSI.

FCIP - Fibre Channel over IP

FCIP - Fibre Channel over IP
FCIP ist eine Ergänzung zu Fibre Channel, um ein vorhandenes IP-Netzwerk mit zu benutzen. FCIP (Fibre Channel over IP) darf man nicht mit IPFC (IP over Fibre Channel) verwechseln.
FCIP ist ein Tunneling-Protokoll, um FC-Daten in einem IP-Netzwerk zu übertragen. In der Regel werden die FC-Frames mit IP-Paketen zwischen zwei FC-Switche getunnelt, um zwei Speichernetze miteinander über ein vorhandenes IP-Netzwerk zu verbinden.
Der FC-Switch schickt seine Pakete zum FCIP-Switch, der die FC-Pakete in FCIP-Pakete verpackt und zum anderen FCIP-Switch sendet. Dort entfernt der FCIP-Switsch den IP-Header und gibt die FC-Pakete an den FC-Switch weiter.
Bei der Nutzung von FCIP muss man mit einer gewissen Ausfallrate rechnen und den zusätzlichen Protokoll-Overhead einkalkulieren.

FCoE - Fibre Channel over Ethernet

FCoE - Fibre Channel over Ethernet
Bei Fibre Channel over Ethernet geht es darum, FC-Frames über Ethernet zu übertragen. FCoE kapselt ein FC-Frame und eine kleine Prüfsumme in ein Ethernet-Frame. Dadurch wird Fragmentierung der FC-Frames vermieden.
Ein Vorteil von Ethernet sind die vergleichsweise günstigen Komponenten. Der Physikal-Link eignet sich theoretisch für FC- als auch für Ethernet-Frames. Es kann der selbe Leitungstyp zum Einsatz kommen. Egal ob für Twisted-Pair oder Glasfaserkabel. Alle bisherige FC-Geräte können weitergenutzt werden. Und mit 10-Gigabit-Ethernet gibt es keine Geschwindigkeitseinschränkungen.

iSCSI - Internet SCSI

iSCSI
iSCSI ist ein Protokoll um in Rechenzentren Datenspeicher zu Storage Area Networks (SAN) zu verbinden und dabei die Daten über die bestehende Infrastruktur aus Ethernet und TCP/IP zu übertragen. In iSCSI werden die SCSI-Befehle zusammen mit den Daten in Protocol Data Units (PDUs) gebündelt und in serieller Form als iSCSI in TCP/IP eingebettet und dann über Ethernet übertragen. iSCSI ist somit eine Alternative zu Fibre Channel over Ethernet.

Vergleich: Storage Area Network

Technik10 GE (Ethernet)Fibre ChannelFCoEInfinibandiSCSI
Geschwindigkeit10 GBit/s8 GBit/s10 GBit/s10 GBit/s1 GBit/s
MediumKupfer/GlasfaserGlasfaserKupfer/GlasfaserKupfer/GlasfaserKupfer/Glasfaser
Transport-SchichtEthernetFCEthernet-TCP/IP
Nutzdaten1.500 Byte2.121 Byte1.500 Byte-1.500 Byte
Längebis 100 m100 kmbis 100 m15 m (Kupfer)-