（通信与信息系统专业论文）在以太网上运行光纤通道的研究与设计实现.pdf

摘要 摘要 对于传统的光纤通道存储区域网，由于服务器需要与传统的局域网和存储区 域网相连，因此一台服务器至少有一个n i c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ) 卡与一个 h b a ( h o s tb u s a d a p t e r ) 卡。随着存储容量的增大以及数据存取的流量增大，服 务器的i 0 ( i n p u t o u t p u t ) 接口数目越来越多，它的功耗与降温成本也越来越高， 因此一种新的技术光纤通道以太网( f i b r ec h a n n e lo v e re t h e r n e t ，f c o e ) 便产生 了。f c o e 技术融合了现有的传统局域网和存储区域网，减少了电缆和适配器的 数量，降低了整体功耗和冷却成本，使得f c o e 技术成为存储区域网的研究热点 【1 1 o f c o e 交换机连接了传统的光纤通道存储区域网络和具有f c o e 适配器的存 储设备、服务器或者交换机。它实现了传统的f c s a n 之间的连接以及f c s a n 和f c o e 节点的连接。 本文分析了f c o e 与无损以太网技术的融合和光纤通道向以太网的映射技 术，其中f c 帧向f c o e 帧的封装为协议的重点，本文进行了详细的叙述，本文 详细分析了f c o e 节点和f c f ( f c o ef o r w a r d e r ) 之间的登录交互过程，为f c o e 的实现提供了理论基础。 在分析f c o e 协议的基础上，本文设计并实现了虚拟f 端口和虚拟n 端口之 间的链路建立过程以及f c o e 发起端和f c o e 目标端数据写操作过程。本文利用 软件捕获到的f c o e 帧进行分析，设计出f c o e 发起端到f c 目标端的数据读写通 信过程以及f c 发起端到f c o e 目标端的数据读写通信过程。设计出了一个简单 的f c o e 交换样机，并且搭建了f c o e 交换样机的测试环境。 关键词：f c 协议，f c o e 协议，f c o e 交换机，f c o e f c 协议转换 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt r a d i t i o n a lf i b r ec h a n n e ls t o r a g ea r e an e t w o r k ，b e c a u s et h es e r v e r sn e e dt o c o n n e c tt r a d i t i o n a ll a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) a n ds a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) ， o n es e r v e rn e e d sa tl e a s to n eh b a ( h o s tb u s a d a p t o r ) c a r da n do n en i c ( n e t w o r k i n t e r f a c ec a r d ) c a r d a st h eg r o w t ho fs t o r a g ec a p a c i t ya n dd a t as t r e a m ，t h en u m b e r o f 的sf o rs e r v e r si n c r e a s e sv e r yr a p i d l y , s ot h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec o s t sf o r c o o l i n g b e c o m eh i g h e r s oan e w t e c h n o l o g y n a m e df i b r ec h a n n e lo v e r e t h e m e t ( f c o e ) c o m ei n t oe x i s t e n c e f c o em e r g e st h et r a d i t i o n a ll a na n ds a n ， r e d u c e s t h en u m b e ro fc a b l ea n da d a p t e r s ，d e c r e a s e st h em a i np o w e rc o n s u m p t i o na n d c o o l i n gc o s t t h j sm a k e st h et e c h n o l o g yo f f c o eb e c o m eh o tf o rs a n f c o es w i t c h e sc o n n e c tt r a d i t i o n a lf i b r ec h a n n e ls a na n dh o s t s ，s t o r a g ed e v i c e , s e r v e sa n ds w i t c h e sw h i c hh a v ef c o ea d a p t e r s t h e yr e a l i z et r a d i t i o n a lc o n n e c t i o n s b e t w e e nf c s a n sa n df c o en o d e s t i l i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g ya b o u tf c o ea n dl o s s l e s s e t h e r n e t a n dt h em a p p i n gt e c h n o l o g ya b o u tf i b r ec h a n n e la n de t h e m e t n ek e yi st h e e n c a p s u l a t i o nf r o mf cf r a m e st of c o e t i l i sp a p e rd e s c r i b e st h ew h o l ed e t a i la b o u t l o g i np r o c e s s i o nb e t w e e ne n o d ea n df c f t h i sp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r f c o er e a l i z a t i o n 删sp a p e ra n a l y z e sf c o ep r o t o c o l ，a n dr e a l i z e st h el i n ks e t u pb e t w e e nv i r t u a lf p o r ta n dv i r t u a lnp o r t i ta l s od e s i g n sa n dr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nf o rr e a d i n ga n d w r i t i n gd a t as t e a m sb e t w e e nf c o ei n i t i a t o ra n df ct a r g e ta sw e l la sf ci n i t i a t o ra n d f c o et a r g e tb a s e do nf p g ab o a r d i tr e a l i z e st h ef u n c t i o na sas i m p l ef c o es w i t c h m o d e la n ds e t su pt h ee n v i r o n m e n tf o rt e s t k e y w o r d ：f cp r o t o c o l ，f c o ep r o t o c o l ，f c o es w i t c h ，f c o e f cp r o t o c o lc o n v e r s i o n i i 缩略语表 缩略语表 c e e c o n v e r g e n c ee n h a n c e de t h e m e t c n a c o n v e r g e n c en e t w o r ka d a p t e r c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d m a d i r e c tm e m o r ya c c e s s d c ed a t ac e n t e re m e r n e t d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e n o d ee n d - n o d e e o fe n do f f r a m e f c sf r a m ec h e c ks e q u 即c e f cf i b r ec h a n n e l f c o ef i b r ec h a n n e lo v e re t h e r n e t f c ff c o ef o w a r d e r f c o el e p f c o el i n ke n dp o i n t f c i pf i b r ec h a r m e li n t e r n e tp r o t o c o l f i pf c o ei n i t i a l i z a t i o np r o t o c o l f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f p m af a b r i cp r o v i d e dm a ca d d r e s s g m i i g b y t em e d i ai i l d e p 朗d e n ti n t e r f a c e h b ah o s tb u sa d a p t o r d ci n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n j 1 a gj o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l l c l o g i c “i l kc o n t r o l m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l n p i vnp o r ti dv t r t u a l i z a t i o n o s i o p e ns y s t e m si n t e r c o r m e c t i o n p m d p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t p m a p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t v i i i 聚合加强以太网 聚合网络适配器 循环冗余校验码 直接内存访问 数据中心以太网 数字信号处理 终端节点 帧结束 帧检测序列 光纤通道 光纤通道以太网 f c o e 交换机 f c o e 链路终端节点 基于口协议的光纤通道 f c o e 初始化协议 大规模可编程门阵列 f a b r i c 提供m a c 地址 千兆位介质独立接口 主机总线适配器 进程问通信 联合测试行动小组 逻辑链路控制 介质访问控制 np o r ti d 虚拟化 开放系统互连 物理介质相关子层 物理介质连接子层 缩略语表 p c s p c i e p f c r d m a r s s o f s p m a s a n s c s i p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r物理编码子层 p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n n c te x p r e s s 外围设备互连总线 t h ep r i o r i t y - b a s e df l o wc o n t r o l优先级流量控制 r o m o t ed i r e c tm e m o r ya c c e s s远程内存直接存取 r e c o n s i l i a t i o ns u b l a y e r 调节子层 s t a r to ff r a m e 帧开始 s e r v e rp r o v i d e dm a ca d d r e s s服务器提供m a c 地址 s t o r a g e a r e an e t w o r k存储区域网络 s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 小型计算机系统接口 i x 图形列表 图形列表 图1 1 基于n a s 的网络拓扑结构2 图1 2 基于s a n 的网络拓扑结构3 图1 3 在普通的以太网构架上支持多协议4 图1 4f c o e 技术对服务器的i o 融合技术5 图1 5f c o e 协议栈6 图2 1 物理层分层体系结构7 图2 - 2m a c 帧格式10 图2 3m a c 控制帧格式10 图2 _ 4f c 帧向以太网帧的封装1 3 图2 5f i p 帧和f c o e 帧格式1 4 图2 - 6 帧和帧头格式1 6 图2 7 节点和端口的关系。1 9 图2 8f c p 设备读操作2 0 图2 - 9f c p 设备写操作2 0 图2 1 0 各种网络存储协议栈对比2 2 图2 11i s c s i 的数据包格式2 3 图3 1f c o e 中的v n 端口和v f 端口网络结构图2 5 图3 2v fp o r t 和v np o r t 之间的虚拟链路2 6 图3 3e n o d e 和f c f 之间的帧交互流程。2 7 图3 _ 4f i p 帧格式2 9 图3 5f p 和s p 位的设置3 0 图3 - 6 来自h 2 的多播发现请求3 3 图3 7 从f c fa 和f c fb 发送到h 2 的单播回复3 3 图3 8 来自h 2 的注册请求帧3 4 图3 - 9f c f 发送的注册确认回复帧3 5 图3 1 0h 2 发送的f c o e 帧3 6 图3 1 l 7 端口整体通信流程3 7 图3 1 2 7 端口的模块设计3 7 v 图形列表 图3 1 3v f 端口的处理流程3 8 图3 1 4 注册控制器模块处理流程4 0 图3 15f c o e 发起端和目标端工作环境4 2 图3 1 6w i r e s h a r k 在f c o e 发起端抓到的数据包4 5 图3 1 7 虚拟f 端口测试环境4 6 图3 18f c o e 发起端未发现远端f c o e 磁盘4 7 图3 1 9f c o e 发起端通过样机发现远端f c o e 磁盘。4 7 图4 - 1f c o e 发起端和f c 目标端协议转换4 9 图4 2f 端口和n 端口登录注册过程5 0 图4 3f c o e 发起端和f c 目标端整体通信流程5 2 图4 - 4f c o e f c 协议转换模型一5 3 图4 _ 5f 端口帧处理流程5 4 图4 6f c 帧封装流程5 5 图4 7v f 端口的帧处理流程图5 6 图4 - 8p c i e 接口模块5 7 图4 - 9 样机结构5 8 图4 1 0f c o e f c 协议转换样机测试环境。5 9 v l 表格列表 表格列表 表2 1i s c s i 、f c o e 和i n f m i b a n d s r p 技术的比较2 4 表3 1f 口o p e r a t i o nc o d e 和f i ps u b c o d e 值与操作2 9 表3 2f i p 操作内容和次序3 1 v l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：兰仁乒l 日期：叩年歹月) 阳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：鱼p 导师签名： 日期：哆 苍电 年r 月石日 第一章引言 1 1 存储区域网络技术介绍 第一章引言 随着计算机和网络技术的发展，越来越多的信息被数据化，这些数据化的信 息需要能长时间保存，并且能快速方便地检索。电子商务、电子政务等信息化技 术的推广对数据的存储容量、速度以及安全提出了更高的要求。随着社会的发展， 企业特别是大型金融企业对于公司每天大量的信息需要进行及时的备份等处理， 因此存储系统的容量、管理、性能以及扩展性方面的要求也变得越来越高，存储 技术也从本地存储发展到网络存储，其中本地存储主要指直接存储( d i r e c ta t t a c h e d s t o r a g e ：d a s ) ，网络存储主要指联网存储( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ：n a s ) 和存 储区域网络( s t o r a g e a r e an e t w o r k ：s a n ) 。目前s a n 由于它独特的优点从而成为 业界的研究热点【z j 。 直接存储系统采用独立的外接式存储设备并通过标准接口技术小型计算机系 统接口( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ：s c s i ) 与服务器连接。存储设备可以 与多个服务器连接，如果其中一个服务器出现故障，仍可以通过其他服务器来存 取数据。 在互联网以及随之而来的巨大的存储容量需求出现之前，d a s 满足了大部分 系统的要求。但是当系统中不断加入新的存储设备以满足日益增长的数据量时， 如何对d a s 设备进行有效的管理成为令系统管理员头疼的大问题。在这种连接方 式下，每台p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 或服务器单独拥有自己的存储硬盘，容量再 分配十分困难。对于整个环境下的存储系统管理，工作繁琐且重复，没有集中管 理解决方案，所以整体的拥有成本较高。由于单台计算机对数据远远不能满足企 业对数据的要求，因此这种连接方式已经在企业中甚少被采用了。 从直接存储到网络存储，市场之所以需要网络存储，主要是因为直接连接磁 盘阵列无法进行高效的使用和管理，与直接连接存储相比，网络存储不仅增加了 存储容量的利用率，而且降低了存储的成本。由于允许i t 管理人员利用现有的网 络基础设施在多个应用之间共享磁盘阵列的存储容量，所以管理员能够在一个中 央位置对磁盘阵列进行维护。n a s 是一种面向网络存储模式的标志性设备，存储 设备与服务器彻底分离，直接通过控制器与网络连接。n a s 与d a s 相比，其明 电子科拄大学碗十学位论立 显区别在于n a s 设备是直接连接到网络上而不是服务器 。的。如图1 - 1 所示 多 0 0q 国 图1 - i 基于n a s 的网络拓扑结构 n a g 技术把数据从服务器上分离出来减少了数据管理上的许多问题。n a s 设备有自己的专用管理软件，可以实现即插即用( p l u g a n d p l a y ) ，无需复杂的配 置。n a s 设各支持多种应用系统平台。如u n i x ，w i n d o w s 等。n a s 设备不依赖 丁某个特定的服务器，提高了数据的可靠性。鉴于以上这些优势，对于中小型网 络，n a s 系统的应用效果相当不错。但是对于大型网络，服务器与n a s 在设备 以及客户端之间的交互过程和数据传递会消耗大量的网络带宽资源，从而对服务 器和局域网造成较大的负担。 s a n 是一种基于“块”的数据防问方式，它是将磁盘阵列、磁带等存储设备 与服务器通过高速通道连接起来的数据存储专用子网。由于组网技术不同，s a n 可以分为两类，一类为用光纤通道( f i b r ec h a n n e l ：f c ) 技术的串行s c s ii 0 协 议来传输高速的i 0 流。另种为采用i s c s i 协议所组成的s a n 。 s a n 采用单独的网络，不与局域嘲娃h j 通信信道，可以动态地连接任意服务 器和存储设备，在两个节点之叫，提供多条实际线路连接，如果条线路中断， 存储网络可以换用另条线路，提高了系统的可靠性。增加存储设备时，所有服 务器都能通过s a n 来操作新增加的存储设备，不必改变胀务器和其他存储设各的 第章引j 设置。s a n 的这些特性使它特别适合于有大量数据交换，对可靠性要求很高的存 储系统。图1 - 2 为s a n 的拓扑结构图。 口。 # 。j# 1 罔l 一2 基ts a n 的网络拓扑结构 从s a n 的网络拓扑结构图中我们可以看出，基丁s a n 的网络存储系统由 l a n 和s a n 构成，s a n 独立丁现有的局域网，用于建立服务器和存储设备的网 络设备。它工作于服务器的后端，独立于局域网，对客户不见。 光纤通道协议( f i b r e c h a n n e l p r o t o c o l ，f c pj 是专为存储区域网络开发的用 于数据快速传输的协议。光纤通道结合了通道和网络两种通信方式的优点，提供 通信设备之问的高速度、高效率、长距离的数据交换通道，适合交换大晕：的数据。 光纤通道m 络中的核心设备是光纤通道交换机和路由器，传输介质可以是光纤、 双绞线、或青铜缆。传输速度经历了从l g b s ，2 g b s ，4 g b s 到最新的8 g b s 的升级。 光纤通道网络有三种拓扑结构，分别是点到点直接连接、环形结构和交换结构口】。 12f c o e 技术和f c o e 交换机介绍 光纤通道作为存储局域网的一项连接披术取得了很人的成功，在利用f c p 构 鬯子科技大学硕十学位论文 建s a n 的过程中，| _ 1 于服务器耍连接以太网和s a n 交换机等节点，服务器需要 配置以太网刚仁和s a n 的h b a 卡。随着删络存储的t 速发展，企业每天需要备 份的数据越来越多，因此服务器需要的以太网网卡和h b a 卡的数目也越来越多， 由此产生的功耗与冷却成本也越来越高，并且s a n 的底层的速率与以太网底层并 不匹配且速率过低。在这种情况f ，一种将f c p 的底层使用以太网的底层代替的 技术叩f c o e ( f i b r e c h a n n e lo v e r e t h e m e t ) 便产生了。 f c o e 并不足要代替传统的光纤通道技术，而是在不同连接传输层上对光纤 通道进行拓展。f 如下图1 3 所示，f c o e 的价值在于在同样的网络基础体系上用 户有权利选择是将整个逻辑网络全部当成传输存储数据与信号的专用局域网，或 是作为混合存储数据、信息传送、网络电话、视频流【三【及其他数据传输的共用网 络。f c o e 的目标是在继续保持用户对光纤通道s a n 所期望的高性能的前提下， 将存储传输融入以太网构架。 厂7 三】一 自t f 、 1 0g 以太同 ff：黯 l - 1 一： 嚣笋， 2 】- 图1 - 3 在普通的以太网构架上支持多协议 f c o e 是光纤通道协议运行在以太网链路上，它与光纤通道的区别在于底层 协议层( 物理层和链路层) 。为了达到光纤通道那样的可靠性和吞吐量，f c o e 依 赖丁一系列向i e e e 8 0 23e t h e r n e t 标准的升级版，这项技术被称为无损以太网 ( l o s s l e s s e t l e m e t ，l e ) 或者聚合加强以太网( c o n v e r g e n c e e l l l l a i l c e d e t h e r n e t ， c e e ) 或者数据中心以a 网( d a t ac e m e re 也e m e t ，d c e ) 。虽然以太时标准的完 善修改仍在进行中，但是这个过程t if c o e 的标准是同步的。升级之后的以太网 标准将包括质量服务、优先服务、有效多路径、低延迟、以及一套可以防止丢帧 的控制机制。为了使f c o e 技术能够递送光纤通道在s a n 中的能力，它将对以太 网络的修改具体表现为以下几点： 封装个光纤通道帧为一个以太网帧； 扩展以太瑚为一个无损以太网： - 在无损以太网中取代光纤通道的底层为无损以太网的底层_ 4 j ： 将服务器与采用f c o e 技术的存储设备连接到一起最大的好处之一就是可以 第章引言 简化粕线一一可以减少一半的线缆。采用f c o e 技术的聚合网络适配器 ( c o n v e r g e n c e n d w o r k a d a p t e r ，c n a ) 既可以充当以太网网络接口 ( n i c ) 也 可以充当光纤通道h b a 卡。一个采用丁f c o e 技术的存储设备访问服务器不弭需 要附加的网络接i 卡或者f ch b a ，仪仅需要一对f c o e 聚合网络适配器就叮以 了，因此降低成本和简化布线是f c o e 技术的最大优势。如下图1 4 所示： - - 焉e n c t i r a f f i - c 陟竺竺篓寝迄爹歹“”“。 图1 - 4 f c o e 技术对服务器的l j o 融合技术 由于f c o e 技术的存在，f c o e 交换机也随之产生，f c o e 交换机同时支持f c o e 和f c ，町分别支持以太网和光纤通道网络。这样通过f c o e 交换机就可以实现 f c o ef a b r i c s 与f c s a n 之间无缝连接。具体来说，f c o e 交换机必须支持以下功 能： 支持以太网和i p 协议的交换和路由标准： 支持f c 协议的交换和路由标准； 支持传统以太叫和聚合加强以太湖的标准： 支持f c o e 和f c z 州的映射； t 1 1 组织对于f c o e 的协议栈定义如下图1 5 所示口】。 电子科技大学硕士学位论文 f c - 4 f c 3 f c 2 f c o e m a p p i n g 似c 唧 图1 5 f c o e 协议栈 1 3 本课题的研究内容与目的 目前，国内对网络存储的研究主要集中于f c s a n ，特别是集中于f c s a n 中的磁盘阵列和服务器。在f c 交换机和路由器方面，主要是国外的1 1 r 公司在做 研究。国内目前还没有起步。对于f c o e 技术，主要是国外的公司进行相关的研 究工作，由于f c o e 技术的先进性以及给数据中心带来极大的好处，研究和开发 网络存储中的f c o e 技术f c o e 交换样机具有十分重要的技术意义和广阔的市场 背景。 本文首先对f c o e 协议做出详细的分析，特别是对f c o e 协议中的m a c 地址 分配问题进行了详细的研究。实现了一个f c o e 交换机的虚拟f 端口功能，并且 f c o e 的发起端可以通过交换样机向f c o e 目标端读写数据。同时本文设计出 f c o e f c 协议转换的处理流程模块。本文组织如下：第二章介绍与分析f c o e 协 议，第三章介绍f c o e 交换样机的虚拟f 端口的协议和其实现过程，第四章介绍 f c o e f c 转换模块的设计与实现，第五章全文总结。 6 第二章f c o e 协议分析 2 1p h y 层 第二章f c o e 协议分析 f c o e 协议将f c 协议的底层f c 0 与f c 1 抛弃，同时将无损以太网协议中的 m a c 层与p h y 层移植，并在f c 2 与m a c 层之间添加f c o em a p p i n g 来实现f c 协议和以太网帧之间的映射。f c o e 协议的p h y 层采用数据中心以太网的物理层 协议来实现。而数据中心以太网是i e e e 8 0 2 3 以太网标准的升级版，由于f c o e 主要用于企业数据中心的l a n 和s a n 的融合，接口带宽较大，因此f c o e 协议 的p h y 层采主要采用千兆以太网的物理层技术，随着时间的发展，f c o e 协议的 p h y 层还会扩展到使用万兆以太网的物理层技术。 千兆以太网的物理层主要功能是利用物理传输介质为m a c 层之间提供了物 理连接，保证比特流的透明传输。它还定义了通信系统的连接类型、网络拓扑结 构、信号传输方式、复用方式和位同步方式。 r s l p c s p m a p m d 介质 g i 图2 - i 物理层分层体系结构 图2 1 是千兆以太网的物理层模型，它包括了两种介质、物理介质相关子层 ( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ，p m d ) 、物理介质连接子层( p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ，p m a ) 、物理编码子层( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ，p c s ) 、千兆位介 质无关接口( o b y t em e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，g m i i ) 和调节子层( r e c o n s i l i a t i o n 7 电子科技大学硕士学位论文 s u b l a y e r , r s ) 。 p m d 子层是物理介质相关子层，主要功能是为p m d 服务接口与介质相关接 口之间的数据进行发送和接收。p m d 的数据收发功能实质上是p m a 与介质相关 接口( m e d i u md e p e n d e n ti n t c r f a c , e ，m d i ) 之间的数据转换，既包括转换电信号 使之适应铜介质上的传输，更包括信号的光电转换使之适应光纤上的传输。除此 之外，p m d 通常还具有介质上的信号检测功能。 p m a 子层是附属与特定介质的适配子层，为以太网接入特定物理介质提供适 配功能。p m a 子层的主要功能包括数据的发送与接收、链路监视、时钟的恢复等 功能。 p c s 是物理编码子层，基本功能就是基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技 术执行各种数据编解码。比如前期的4 b 5 b 、8 b 1 0 b 和使数据随机化的扰码 ( s c r a m b l e ) 技术。p c s 也可以包括新近引入的数字调制解调技术和纠错编码技 术等等。随着以太网的高速化发展，基于d s p 的多种复杂编码技术越来越多地用 于以太网物理层。 g m i i 接口连接r s 和p h y ，接口与m i i 接口十分类似，主要区别是数据通 路宽度由四位拓宽到了八位。 r s 是物理层的最高子层，对外代表物理层向上提供服务。r s 子层的功能主 要是协议处理、原语映射和串并转换。r s 与m a c 的层间交互原语是p l s 服务原 语，与早期模型相兼容。r s 子层通过状态机执行原语交互，向m a c 子层提供服 务。r s 子层的另一个功能是建立m a c 子层接口原语映射与g m i i 接口信号之间 的映射。 2 2m a c 层 2 2 1m a c 子层功能 8 0 2 3 标准中的m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层定义了与介质无关的设施。 设施建立在介质相关的物理设施之上并位于与访问层无关的m a c 客户之下。 m a c 子层与l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层二者结合的功能与o s i 模型中的数 据链路层功能相同。8 0 2 3 标准提供的功能通常是与m a c 子层中执行的数据链路 控制规程有关并将其划分为两个主要功能： 发送与接收时的数据封装： 第二章f c o e 协议分析 一 成帧：帧定界与帧同步； 编址：处理源地址与目的地址； 一差错控制：检测物理介质的传输差错。 介质访问管理： 介质分配：避免冲突的发生； 争用解决：冲突发生后的处理。 数据封装部件具有加封与拆封两种功能：在发送数据时将待发的客户数据加 封成m a c 帧，在接收数据时拆封接收到的m a c 帧并将有效载荷数据送到m a c 客户。 可选的m a c 控制子层在架构上位于m a c 客户与m a c 子层之间，并对二者均是 透明的。m a c 子层的运行独立于其客户，即是m a c 子层并不知晓其客户是m a c 控 制子层、l l c 或其他m a c 客户。这使得m a c 子层的详细规范与实现与m a c 控制子 层是否选用以及如何实现无关。 m a c 子层的运行模式有两种：半双工模式和全双工模式。在半双工模式中， 站点用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 算法 竞争物理介质的使用。站点之间的通信是半双工而不是全双工，双向通信的实施 通过快速的帧交换完成。若要运行全双工模式，则需要物理介质可以支持同时的 发送与接收而不产生干扰，局域网的一个网段上只能有两个站点因而可以形成全 双工点到点链路。 8 0 2 3 标准定义的物理层规范除了万兆以太网都可以运行在半双工模式，而 全双工模式与半双工模式的运行差别很大。 由于全双工模式完全不需要多点访问算法也与c s 姒c d 协议的运行无关，而 f c o e 协议应用于全双工模式的以太网，即千兆以太网和万兆以太网。因此对 c s m a c d 协议本文不再进行讨论。 2 2 2 心帧 在8 0 2 3 a s 标准中，将以太网m a c 帧的帧格式分为以下三类： 基本帧( b a s i cf l a m e ) ：长度类型字段可双定义解释的m a c 帧，最大帧长为 1 5 1 8 字节。基本帧是一种无标帧，不允许在帧内包含任何附加的标志或其他 高层协议所需的封套。 o 加标帧( q t a g g e df r a m e ) ：长度类型字段含特定值“8 1 0 0 的m a c 帧，最 大帧长为1 5 2 2 字节。q 加标帧用于虚拟局域网并由i e e e 8 0 2 1 q 标准予以定 9 电子科技大学硕士学位论文 义。 套封帧( e n v e l o p ef r a m e ) ：长度类型字段仅可解释为类型、用于指示m a c 客 户数据中的附加套封信息，最大帧长为2 0 0 0 字节。套封帧用于包含高层封装 协议附加的前后缀，封装协议最多可以使用4 8 2 字节。 这三类帧具有统一的帧格式，但是最大帧长不相同。m a c 帧的帧格式如图2 2 所 示。 字节66 2 4 6 - - 1 5 0 0 1 5 0 2 1 9 8 24 图2 - 2 m a c 帧格式 由于三种类型的m a c 帧具有统一的格式，需要进行类型解释的“以太类型 值 也是协调分配的，因此8 0 2 3 的m a c 子层可以在同一个处理过程中接收、 辨识并处理这三种不同类型的m a c 帧。 自从可以对m a c 子层实施实时控制依赖，基本m a c 帧就被分成两类：m a c 数据帧和m a c 控制帧。 m a c 数据帧是在本地m a c 客户与远端m a c 客户之间转移数据的帧。m a c 客户将数据帧直接递交给本地邻接下层的m a c 子层，控制子层透明的传输数据 帧。m a c 控制帧则不一样，控制帧不需要通告远端实体，仅仅用于m a c 控制字 曾与m a c 子层之间的本地交互。控制帧由m a c 控制子层实体和邻接的m a c 子 层实体处理，用以实现m a c 控制子层中的特定功能。在8 0 2 3 标准中已经定义 的实时控制功能主要是流控功能。典型的m a c 控制帧为暂停帧。m a c 控制帧的 一般格式如图2 3 所示【6 1 。 字节： 6 62 2 保持帧长4 4 4 厂i t _ 丽忑i 图2 - 3 m a c 控制帧格式 2 2 3 无损以太网技术 f c o e 协议的m a c 层采用无损以太网的m a c 层技术。无损以太网将同时支 持和f c o e ，现有的以太网m a c 层技术本身并没有因提供存储和高性能计算 l o 第二章f c o e 协议分析 计算服务进行过优化，而且在出现拥塞时还可能出现丢包现象，因此无损以太网 需要一种带有拥塞管理和流量控制功能的低时延、“无损 传输技术，f c o e 协议 定义了光纤通道帧在以太网上的映射，可以将存储流量汇聚到l o g b p s 以太网上， 因此i e e e 的工作组为无损以太网定义了三种标准：8 0 2 1 q a u 用于拥塞通知， 8 0 2 1 q a z 用于增强传输选择，而8 0 2 1 q b b 则用于优先级流量控制。除了这三个 新的标准以外，数据中心以太网的m a c 层协议都沿用传统的i e e e s 0 2 3 以太网 标准。因此我们也可以将数据中心以太网看成是i e e e 8 0 2 3 以太网标准的升级版 本。 f c o e 需要无损以太网协议支持它在以太网上传输光纤通道，而无损以太网 主要也被称为聚合加强以太网( c o n v e r g e de n h a n c e de t h e r n e t ，c e e ) 和数据中心 以太网( d a t ac e n t e re t h e r n e t ，d c e ) ，这种以太网将把数据中心的局域网、存储 局域网和高性能计算应用程序融合成一个单一的以太网互联结构。但是就目前而 言，这些应用使用着不同的内联技术，比如光纤通道、i n f i n i b a n d 和m y r m e t 。 进程间通信( i n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n ，i p c ) ，存储和l a n 数据流对于 底层的互联网络具有不同的要求，i p c 数据流对于网络的延时非常敏感，存储数 据流由大数据包成帧并且对于丢包非常敏感，而l a n 数据流通常大量流动并对 于延时不敏感，为了在让以太网在数据中心成为固定的综合结构，它必须解决这 些不同的数据流类别的差异。 以太网本身并未因提供存储和高性能计算流量服务进行过优化，而且在出现 拥塞时还可能出现丢包现象，所以无损以太网的支持者认为，以太网需要有一种 带有拥塞管理和流量控制功能的低时延、“无损 传输技术。 1 优先级流控 优先级流量控制( t h ep r i o d t y - b a s e df l o wc o n t r o l ，p f c ) 是为了满足一些数 据中心应用( 比如光纤通道) 而提出来保证数据不丢包的协议。在该协议下，不 同的数据流类别采用不用的流量控制策略，当网络处于拥塞状态的时候，对丢包 敏感的数据流将会采用流控措施，而那些对于丢包不敏感或者