（计算机系统结构专业论文）网络存储系统中光纤通道技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术革命的深入进行，国防建设对于网络存储系统的性能、可 i 靠性等方面的要求急剧增长。存储区域网( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ，s a n ) 和光纤 通道技术( f i b r ec h a n n e l ，f c ) i u 是解决网络存储性能等方面问题的新技术，对 光纤通道技术进行研究并设计出高性能的网络设备，是解决存储i o 的传输瓶 颈问题的有效途径。 在采用f c 技术的s a n 中，网络设备主要有f c 集线器、f c 交换机和f c 主机适配器等。f c 主机适配器的性能是影响i o 接口性能的关键，它的设计 难点在于f c 通道协议的实现上。通过分析f c 的五个协议层次及其拓朴结构， 并应用计算机系统结构和网络存储等方面的知识，f c 主机适配器可以采用相 关的集成电路设计。f c 主机适配器的设计包括f c 差分信号的串行并行转换、 8 b 1 0 b 编码，解码、转发逻辑判断、c r c 校验及组成帧控制、f i f o 缓存、d m a 通道传送及电源等模块。在设计中采用d m a 等通道控制技术以及选用高性能 的i o 处理芯片是设计出高性能f c 主机适配器的关键。 f c 主机适配器通道性能主要表现在它的有效数据传输率上，对它的测试 可以通过设计一个小型s a n 实验平台来进行。测试软件采用多线程编程，使 多个光纤通道磁盘同时向通道提供数据以提高测试时的通道负载。该实验平台 用f c 网络设备及若干台计算机和磁盘系统搭建。测试结果表明，采用f c 组 成的s a n 系统数据传输率高，当四块硬盘同时向通道提供数据时通道有效传 输率超过了传统s c s i 技术，达到6 0 m b p s 以上。h 关键词：光纤通道；存储区域网：主机适配器；8 b 1 0 b 编码解码；直接数据 传送 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei n f o r m a t i o nr e v o l u t i o ng o e sf u r t h e r ，t h er e q u i r e m e n to ft h ep e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t yo fs t o r a g en e t w o r ki nn a t i o n a ld e f e n s ec o n s t r u c t i o ni s i n c r e a s i n g r a p i d l y s t o r a g ea r e an e t w o r k ( s a n ) a n d f i b r ec h a n n e l ( f c ) a r en e w t e c h n i q u e s t or e s o l v et h ep r o b l e mo f s t o r a g en e t w o r k t od e s i g nh i g hp e r f o r m a n c ef cd e v i c e s i sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oe l i m i n a t et h eb o t t l e n e c ko ft h ei ot r a n s p o r t a t i o n i nt h es a n e m p l o y i n gf c ，f cn e t w o r kd e v i c e sm a i n l yi n c l u d ef ch u b ，f c s w i t c ha n df ca d a p t e r , e t c t h ep e r f o r m a n c eo ff c a d a p t e r i st h ek e yf a c t o rw h i c h d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo fi oc h a n n e l t h ed i f f i c u l t yo fd e s i g nl i e si nt h e i m p l e m e n t a t i o n o ff c p r o t o c 0 1 t h e f c a d a p t e r c a nb er e a l i z e dw i t h c o r r e s p o n d i n g i c s t h r o u g ha n a l y z i n g t h ef i v e l a y e r s o ff cp r o t o c o la n dt h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e t h ed e s i g no f f c a d a p t e r i n c l u d e st h em o d u l e so f c o n v e r t i n g t h es e r i a ld i f f e r e n c es i g n a lt o p a r a l l e ls i g n a l ，8 b 1 0 be n c o d i n g d e c o d i n g ，j u d g i n g t h e l o g i co fp a s s i n gb y , f o r m i n gf r a m ea n dp u t t i n g i ti n t of i f oc a c h e ，d m a t r a n s m i s s i o na n dp o w e r s u p p l y ，e t c i nt h ed e s i g nt h ek e yi s t ou s ec h a n n e lc o n t r o l t e c h n o l o g y ，s u c ha sd m a ，a n de m p l o yi op r o c e s s i n gc h i pw i t hh i g hp e r f o r m a n c e t h ep e r f o r m a n c eo ff ca d a p t e ri sd e t e r m i n e db yi t sd a t at r a n s m i s s i o nr a t e i t c a nb et e s t e dt h r o u g hb u i l d i n gas m a l lt r i a ls a n p l a t f o r mw h i c hc o n s i s t so ff c n e t w o r k d e v i c e s ，s e v e r a l c o m p u t e r s a n df cd i s k s y s t e m t e s t s o f t w a r e p r o g r a m m e d w i t hm u l t i t h r e a dm a k e sm u l t i f cd i s k so f f e rd a t at oc h a n n e l s s i m u l t a n e o u s l y t h et e s t r e s u l ts h o w st h a tt h es a ns y s t e mc o m p o s e do ff c d e v i c e sh a sah i g hd a t at r a n s m i s s i o nr a t eo f6 0 m b p sw h e nt h e r ea r ef o u rd i s k s o f f e r i n gd a t at oc h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l y k e y w o r d s ：f i b r e c h a n n e l ：s t o r a g e a r e a n e t w o r k ；a d a p t e r ；8 b 1 0 b e n c o d e d e c o d e ；d m a 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 本课题来源于“九五”国防科技预研究项目“高速串行s c s i 接口及系统” ( 项日编号：1 6 1 3 8 ) 。随着计算机技术的快速发展和应用的扩展，传统的网络 存储技术越来越不能满足数据存储的要求，必将被新的网络存储技术所淘汰。 正如计算机的研制和互连网的推出最初是出于军事目的一样，随着信息技术革 命的深入进行，特别是“数字化”战争的概念提出，国防建设对于存储系统的 性能、可靠性和容灾等方面的的要求急剧增长，以往的任何存储系统均不能同 时完全满足这些要求 1 ，2 。存储系统的性能已成为高速信息公路中的瓶颈问 题，研究新的网络存储技术就显得越来越重要了，由于高性能接口及其系统是 解决这一瓶颈的重要方法而成为学术界和产业界的热点 3 j 。“高速串行s c s i 接口及系统”正是在这种背景下提出的项国防预研究项目，它主要针对高速 串行s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e ) 接口光纤通道技术( f i b r e c h a n n e l ，f c ) 和存储区域网( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ，s a n ) 系统的基本原理、 方法及其实现进行深入的研究，以解决存储i o 瓶颈问题，实现大容量、高速、 低成本、智能化接口总线的高性能的存储系统。 光纤通道技术是存储区域网的重要组成部分【4 l ，也是“高速串行s c s i 接口及系统”项目的重要组成部分。本文将分析光纤通道协议及各协议层的实 现原理，并将对光纤通道网络设备( 集线器 5 ，6 7 1 、交换机 8 ，9 j 、主机适配器 【l o ，1 1 等) 进行研究，重点放在对光纤通道主机适配器原理的分析上，通过对 光纤通道主机适配器原理的研究，试图设计出用于存储区域网的光纤通道主机 适配器，并对它的通道特性进行性能分析和测试，以解决网络存储中的i o 接 口问题。 本课题的研究还得到了国防科技预研基金项目“军用存储网络原理的研 究”( 项目编号：9 9 j 1 6 2 1 j w 0 5 2 4 ) 、“基于光纤通道的集群存储容灾系统原理 与核心技术的研究”( 项目编号：0 0 j 1 6 2 6 j w 0 5 3 3 ) 以及国际合作项目“n a s 系统软件开发”的资助。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究情况 1 2 1 网络存储的发展 二十世纪九十年代以前，存储产品大多作为网络服务器的组成部分之一， 这种形式的存储被称为服务器附属存储( s e r v e ra t t a c h e ds t o r a g e ，s a s ) 或 直接附属存储( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，d a s ) 12 l 。进入二十世纪九十年 代以后，随着信息技术的发展，人们逐渐意识到i t 系统的数据集中和共享成 为一个亟待解决的问题，于是，网络化存储的概念被提出并得到了迅速发展。 从系统架构上来分，现在的网络存储系统主要包括存储区域网和附网存储 ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，n a s ) 两大类 1 2 ，l3 j 。 1 传统存储系统与网络存储的区别 传统服务器的瓶颈情况如图1 1 所示 图1 1 传统文件服务器中的瓶颈 传统的客户机服务器模式采用的是分布式存储策略，它由各个服务器 直接连接和管理存储设备。存储装置位于服务器的后面，通过并行s c s i 一类 的总线连接进行通信，每个服务器都要花费很多的c p u 时间去处理数据存储， 网络上的文件数据须经服务器的存储和转发，数据传输的瓶颈集中的服务器上 1 4 - l 5 i 。在服务器中存在着s c s i i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的协议变换，效 2 华中科技大学硕士学位论文 率低下，实时性差，服务器中存储i o 、网络i o 以及c p u 和内存容易成为系 统的瓶颈；在传统的存储系统中，由于广泛采用了具有并行s c s i 总线，存在 着接口复杂、总线长度短、可扩展性差、实时差和可用带宽窄等缺点，无法满 足大范围内高速存储的要求 1 4 ，l6 i 。 缓解高速网络环境下的f o 瓶颈可采用两条途径 1 7 】： ( 1 ) 分别改善存储设备和网络接口的性能； ( 2 ) 协调存储i o 和网络i ，o 。 改善存储设备性能主要致力于不断提高单个存储设备的存储密度和数据 传输速度 18 1 。但是，存储设备本身的性能改进总是远远落后于c p u 的改进， 无法根本解决i 0 瓶颈的问题。因此可以通过设备按并行、可扩展等原则组成 多级并行存储系统，从系统结构的角度对存储系统的性能加以改进来解决i o 需求 1 8 ，l9 j 。将传统的基于“客户机服务器”的模式向着“客户机一服务器 一网络存储”的模式迁移。网络存储技术把网络技术集成到存储i o 之中，融 合了网络和i 0 的最好特性，特别是网络的可寻址能力、即插即用、远距离、 连接性好和灵活性等特性，存储i o 的高性能和高效率 2o | 。n a s 和s a n 的出 现正是基于这种需要而提出的。 2 网络存储性能要求 由于企业信息系统日趋复杂，存储方案与服务器方案的决策常常是独立 做出的，在部署过程和方法上也是相互独立的。人们之所以开始认为应该把存 储资源当作一个专门的网络来管理，存储设备与服务器的分离是其中的重要原 因之一，也正是这一点导致了网络存储概念的产生。网络存储解决方案应该包 含这样一些基本要素：存储池、数据安全、扩展能力、高可用性和数据一致性 2 l 】。 ( 1 ) 存储池：存储池是物理磁盘的集合，它们可以分布在不同的地理位 置上，出现在应用系统面前的是一个虚拟的单一硬盘，存储资源的管理和使用 都更加简便 z 0 1 。把存储资源组合为存储池，位于中心的管理系统就可以对整 个网络中的所有存储设备实施集中统一的管理。 ( 2 ) 数据安全：对于任何使用网络的企业来说，数据安全永远都是命运 华中科技大学硕士学位论文 攸关的。网络存储同样也必须拥有很高的数据安全性。对数据整体性和致性 的任何有意或无意的破坏都是不可容忍的 22 i 。 ( 3 ) 扩展能力：扩展能力就是不停机即可进行存储设备或服务器的增加、 替换和升级的能力。这种能力提高了应用系统的可用性，允许对系统随时进行 维护。 ( 4 ) 高可用性：尽管高可用性始终是一个不断变化的指标，但不论是对 用户还是对信息系统人员，它都是一个非常值得关注的重要问题。对于用户来 说，可用性缺陷可能产生很多负面的影响。 ( 5 ) 数据一致性：异构计算环境在企业中是十分常见的，数据一致性意 味着网络存储应该能够对此提供强有力的支持，使所有的计算资源和存储资 源，都可以方便地集成在新的网络存储体系之中。 3 附网存储( n a s ) n a s 设备是与网上其他节点一样直接连接在网络上的，n a s 设备提供 r j 一4 5 接口和单独的i p 地址，可以将其直接挂接在主干网的交换机或其他局 域网的h u b 上，通过简单的设置就可以在网络上即插即用地使用n a s 设备 23 | 。 n a s 存储模型如图1 2 所示： 图1 2n a s 存储模型 n a s 服务器的基本硬件结构由控制器和存储子系统两部分构成，控制器部 分主要包括处理器、内存、网络接口和磁盘接口等四个单元模块。 典型的n a s 系统具有的特性为：安装使用方便、高可用性、安全性、适 度可伸缩、连通性、数据共享、管理简便、整体拥有成本低。 华中科技大学硕士学位论文 4 存储区域网络( s a n ) s a n 是一种将磁盘阵列、磁带等存储设备与服务器等通过高速通道连接 起来的专用子网。大多数s a n 以f c 为高速连接通道，结合了f c 和l a n ( l o c a l a r e a n e t w o r k ) 的优点，绕过了传统网络的瓶颈，使数据的移动性能更好。s a n 的推出使服务器和存储器之间的连接方式发生了根本性变革e 2 4 3 。 一个典型的s a n 通常由以下几个部分组成： ( 1 ) 存储设备：包括磁盘、磁盘阵列、磁带和磁带库。 ( 2 ) 服务器：任何一台服务器均可存取网络中的任何个存储设备。 ( 3 ) 连接设备：包括线缆( 铜缆和光缆) 、网桥、集线器、交换机和接口适 配器等。 ( 4 ) 存储管理应用软件：涉及数据共享、网络结构、数据保管和数据备份、 数据交换、群集、数据保护和灾难恢复等。 s a n 的拓朴结构如图1 3 所示： j b o d 图1 3s a n 的拓朴结构 与传统服务器和磁盘阵列之间的主从关系不同，f c - s a n 上的所有设备 均处于平等的地位 1 9 t2 4 1 。多台服务器以及多个存储器可以配置在同一个s a n 上，实现了在不同的硬件和操作平台之间异构存储设备和数据的整合。 使用s a n 将获得的优势表现在： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 在高可用性和容灾方面，s a n 可提供在多个服务器和多个存储设备的 环境中两两之间的任意逻辑连接，它可以创建一个能够被多个服务器通过多条 路径任意访问的存储库，形成高可用性和容灾环境：在主机服务器及其连接设 备之间提供f c 高性能和扩展的距离( 达到1 5 0 公里) ： ( 2 ) 在数据备份方面，通过使用s a n ，备份可以独立于原来的网络，从而 能够提高操作的性能。集中的存储备份，其性能、数据一致性和可靠性可以确 保关键数据的安全 2 5 ； ( 3 ) 在数据共享方面，s a n 允许分布的服务器在共享数据应用方面安全地 访问一个大的集中的存储系统，两个或多个服务器可以共享一个存储单元，这 个存储单元在物理上可以被分成多个部分，而每个部分又连接在特定的服务器 上： ( 4 ) 在管理和系统增长方面，s a n 中的存储设备即使是被广泛地分布在校 园网甚至是城域网中，也可用一个单一的管理工具集中地管理起来 26 。存储 设备的扩容也会非常容易，因为在部署新的存储设备时，地域的选择很灵活， 高可用性和故障切换环境可以确保更低的成本、更高的应用水平。 面对迅速增长的数据存储需求，大型企业和服务提供商渐渐开始选择s a n 作为网络基础设施。根据i d c 估计，预计2 0 0 3 年时，将有7 0 的中、大型企 业导入s a n 。 1 2 3 光纤通道技术的发展状况 1 s c s i s c s i 是连接存储设备与服务器的最通用的方法。s c s i 协议由a n s ix 3 t 9 委 员会开发，到1 9 8 6 年6 月，成为a n s i 的官方标准。这一协议不断发展，直至成 为其他存储相关技术的基础 27 1 。 面对新的i 0 通道技术所要求的性能和可靠性，原有的s c s i 技术已经力不 从心。原有s c s i 技术的缺陷主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 单个i o 控制器的数据可用性差：s c s i 把许多种不同类型的设备挂接 到同一个i o 总线上，这条总线由单一的i o 控制器控制。然而，两个i 0 控制 器共享同一条i o 总线上的s c s i 设备却不那么容易，有可能导致单点失败，不 6 华中科技大学硕士学位论文 适应对数据的可访问性要求很高的应用； ( 2 ) 地址短缺和可伸缩性差：s c s i 在单i o 总线上的地址数量为8 个或1 6 个，一旦把1 1 0 路径考虑成更大的网络，而不是传统的s c s i 总线，s c s i 地址的 短缺对可伸缩性的限制就更加明显； ( 3 ) 连接距离短：s c s i 能够扩展的距离是很有限的，单端s c s i 所能延伸 的距离不超过6 米，差分s c s i 所能延伸的最大距离也不过2 5 米。利用s c s i 设备 实现容灾是不可能的。 为了克服原有s c s i 协议的缺点，科学家们在s c s i 一2 协议的基础上结合当 前网络技术、通道控制技术等的最新成果，形成了s c s i 一3 协议体系。 s c s i - 3 协议体系如图1 4 所示： ：r - - - - ：墨! ! ! ! ! ! ! i ! ! ! ! ? 一 块膏令i l 精碱块l i 漉龠令| l 移动介多赡体膏i l 控制摹膏| j 集成膜 ( s 叱】l f 命令f l ( s s c ) l f 质膏令i f i c 哪f l ( s c c s c c2 ) | i 务( s 皓 r l ( r p c ) i 广一l ( s u c ) c 3 眦) i _ t 一t 基本龠令( s p c s p c - 2 ) r 雩竺= 二主i 二j ： ：厂_ t 一1 l ；南南固网网 l 懿圈王蓦墓l 7 华中科技大学硕士学位论文 简块命令协议( r b c ) 、流命令协议( s s c ) 、移动介质命令协议( s m c ) 、多媒体命 令协议( m m c ) 、控制器命令协议( s c c ) 和集成服务协议( s e s ) ，s c s i 一3 硬盘主要 支持块命令协议s b q 2 8 。 2 光纤通道 f c 是由美国标准化协会a n s i 下属的x 3 t 9 3 委员会于1 9 8 8 年制定的有关 计算机之间以及计算机与i o 设备之间进行高速数据传输的接口标准。f c 是 一种利用光纤( 或铜缆) 作为物理链路的高性能串行数据接口 2 9 ，是对s c s i 和e t h e r n e t 的一种延伸，它支持现有的i o 接口和网络接口。f c 具有低延迟、 高带宽和远距离传输的特性和集通道网络优点于一身的拓扑结构，支持同 时传输多种不同协议，这使它能够显著提高存储设备的可用性、系统性能和数 据传输的可靠性 3 0 ，3 1 13 2 ，因此f c 代表了存储技术未来发展的新趋势，已逐 步成为计算机总线，以及当今分布式、多协议高速局域网络的最佳选择之一 1 ，3 3 j 。 f c 是为满足以下目标而开发的： ( 1 ) 与曰益提高的主机处理器性能保持同步： ( 2 ) 与迅速发展的数据密集型应用保持同步； ( 3 ) 提供实用而经济的手段来高速传输大量数据； ( 4 ) 确保数据的完整性； ( 5 ) 支持多种不同的物理接口； ( 6 ) 为所有数据通信服务提供一个通用接口； ( 7 ) 提供一种能够以很低的误码率传输数据的手段； ( 8 ) 分开物理接口和逻辑协议，允许在同一接口上使用多种协议： ( 9 ) 允许在同一接口上传输多种不同协议。 从1 9 9 9 年开始，e m c 、i b m 、c o m p a q 、s u n 、h p 等公司相继推出自己 的f c 产品l 33 1 ，使f c 成为i t 业中的一颗新星。s a n 和f c 技术近年得到了 长足发展，2 0 0 0 年以前f c 的数据传输速率为lg b p s ( 单工，双工为2 g b p s ) ， 2 0 0 0 年底已达2 g b p s ，到2 0 0 2 及2 0 1 0 年，这一速度将可望提高至4 5 g b p s 3 4 1 。 f c 主品的市场增长如图i 5 示： 华中科技大学硕士学位论文 图1 5光纤通道产品市场增长状况图 f c 硬件技术及产品在国外已经发展的比较成熟，已有大量相关产品的上 市。国内其它单位在f c 产品以及相关的硬件电路设计上的研究还未见报道。 光纤通道的核心处理芯片由于政治、技术和经济等方面的原因在国内无法得 到，由于用于国防预研究的需求，我们将研究的目标定在对f c 主机适配器的 基本原理、电路实现，以及由此构建的s a n 系统的基本结构、基本原理和实 现s a n 管理系统等的关键技术上。 1 3 本文主要内容 本文在综合研究s a n 和n a s 等存储网络技术的基础上，将首先分析f c 协 议，对f c 协议的层次和拓朴结构等进行研究，为下面的研究建立相关的理论 基础，在此基础上，再对f c 网络设备进行原理分析，重点放在对f c 主机适配 器的原理分析上，然后选用相关的集成电路设计出f c 主机适配器的电路原理 图，并在已有硬件的基础上完成对f c 通道性能的测试。 主要内容包括四个部分，分别构成第二章、第三章、第四章和第五章： 第二章将分析f c 协议，研究f c 的协议的五个层次、f c 的三种拓朴结构( 包 括点对点、仲裁环、交换式结构等) 、f c 服务类型和f c 的特点等，以深入透 彻的理解f c 协议；第三章将分析f c 网络设备的工作原理，包括f c 集线器、 f c 交换机和f c 主机适配器，重点放在对f c 主机适配器的工作原理进行研究， 阐述f c 主机适配器的功能模块和接收数据、发送数据的工作流程，为f c 主机 适配器的设计做准备；第四章将详细介绍设计f c 主机适配器的实现过程，介 绍设计思路和f c 主机适配器的各功能模块的设计，包括接收发送数据、串行 华中科技大学硕士学位论文 并行转换、编码解码、转发逻辑判断、控制连接、内存、p c i 总线和i 9 6 0 控制等内容。第五章将得用现有的硬件完成对f c 通道性能的测试。 本课题期望完成的主要任务是对f c 主机适配器原理的详细分析及相关电 路原理的设计，并利用现有的硬件完成f c 通道性能的测试。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 光纤通道技术研究 由于光纤通道技术是一种协议标准，对光纤通道技术的研究首先必须研 究光纤通道协议，分析f c 协议的五个层次定义的功能，并针对f c 在s a n 中 的应用的三种拓朴结构进行分析。 2 1 协议层次分析 光纤通道包括1 5 个a n s it l l x 3f c 协议 2 8 29 l ，主要有：光纤通道物理 和信号接口标准f c - p h 、关于光纤通道系统基本要求的f c - f g 标准、关于交换 连接的f c s w 标准和仲裁环连接的f c a l 标准以及各种上层协议的接口标准。 f c 协议结构如图2 1 示： 通道网络 睁s 二二二二亟 二二二 f c 一2 f i b - 1 f c 一0 图2 1 光纤通道协议结构 f c 协议族包括有5 个协议层，分别定义了物理媒介和传输速率( f c - 0 ，物 理层) 、数据编码和解码方案( f c l ，代码层) 、成帧协议和流控制( f c 一2 ，协 议层) 、通用业务和功能选择( f c - 3 ，服务层) 以及上层协议和应用接口( f c - 4 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 光纤通道结构的下3 层( f c o f c 一2 ) 构成f c 物理标准( f c p h ) 1 1 l 。这 一标准定义了f c 的全部物理传输特性。上两层( f c 一3 f c - 4 ) 控制与其它网 络协议和应用的接口。 f c 一0 层功能：f c o 层定义了f c 的物理链路。f c 支持的信号速率范围 e e 快速以太网、f d d i ( f i b e rd i s t r b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 、a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n d f e rm o d e ) 都要广。它提供基本的1 3 3 m b p s 速率、2 6 6 m b p s 速率，及5 3 1 m b p s 和1 0 5 2 c b p s 的高速传输率，还可达到2 1 3 4 g b p s 和4 2 6 8 g b p s 。这些信号速 率包含建立和维持连接的时间，实际数据吞吐量要稍低一些，分别对应 l o o m b p s 、2 0 0 m b p s 、4 0 0 m b p s 和8 0 0 m b p s 等。f c o 支持多种物理电缆连接，这 些电缆包括单模光纤、5 0 一6 2 5 微米的多模光纤、视频铜缆和小型铜缆、屏 蔽双绞线( s t p ) 。对于光纤连接，f c 采用全双工s c 连接器，通常用于远程通 信：对于铜缆接口采用t n c 接收连接器和同铀电缆( b n c ) 传送器；对于s t p 则利用标准的9 针d 型连接器。每种电缆都支持定范围的数据传输率且有一 定距离限制，但f c 可将这些不同介质混合连接在同一网络中。连接器可根据 所使用的通信协议和介质选择相应的传输速率。 f c l 是编码解码层，定义了串行序列的物理传输、定时恢复及串行线 路平衡功能。编码解码采用8 位1 0 位传输编码方案。传输时8 位数据再 加2 位附加位，作为错误检测和纠正。这种编码方案具有时钟恢复容易、传输 效率高、误码纠错能力强以及编码鳃码器电路简单等优点。这种方案提供了 足够的检错纠错机制，并且平衡了传输线路的传输电平。定时恢复方法减少了 广播频率干扰并保证了平衡同步发送。 f c 一2 是f c 结构中的主要工作层，它执行基本的信令和帧划分功能，并且 定义了分层结构中下层数据的传输机制。f c - 2 将来自下层通过f c - o 层传送的 数据分帧并排序，以供上层使用。f c 帧长度可变，帧长度一般为3 6 个字节 2 0 0 0 个字节，每次连接必须由一对发射机接收机加以处理。传送一帧数据所 需要的额外开销量与一帧的长度无关，这就使得f c 可传送大量的数据。f c 一2 定义两个以上f c 端口( n 端口) 之间的连接。其中的一个n 端口用作进出信 息的始发端口，另一个n 端口用作接收信息和回送信息的响应喘口，n 端口之 间是全双工连接。f c 一2 层还提供基本的业务管理功能，包括信息控制、连接 华中科技大学硕士学位论文 管理、缓冲存储器管理以及检错和纠错等功能。 f c 一3 定义了某些特殊服务，诸如与视频服务器通信时所涉及的广播服务 功能和访问磁盘阵列时数据是怎样封装、拆卸的。f c 一3 层主要定义了点对多 点的通信功能，而f c 一2 层则只定义了单一节点端口的通信功能，如果高层应 用涉及多播通信( m u l t i c a s t ) ，f c 一3 层将对带宽进行频率分片( s t r i p p i n g ) ， 从而实现向多个通信对象发送消息。 f c 的顶层是f c 一4 层，定义了各种高层协议向低层映射的方法。由于f c 将网络信息和通道信息同等地传送，f c - 4 层允许f c 设备根据其网络协议和应 用传送数据，因此高层的网络和通道协议可以规定各自的f c 一4 的映射方法， 已规定f c 一4 的网络和通道协议有：s c s i 、l e ( l i n k e n c a p s u l a t i o n ) 、s b c s ( s i n g l e b y t ec o m m e n d c o d es e tm a p p i n g ) 以及i e e e 8 0 2 2 和i p 等。通过f c 一4 层的协 议转换，可以在特定的f c 一4 层之间处理高层协议的信息，这样，f c 就可支持 网络和通道两类信息的传送。并且还可实现s c s i ，h i p p i 、智能外围接口( i p i ) 等不同通道的混合应用。 与以太网、令牌环网一类的l a n 技术所不同的是，f c 使分层结构的各个 功能层从物理上分隔离开。这样可以用分离功能元件，如芯片集和总线接口生 产产品。它可以用硬件来实现某些功能而同时也可用软件或固件来实现另一 些功能。 2 2 拓朴结构分析 光纤通道为存储局域网的设计提供三种拓补结构：点对点( p o i n tt op o i n t ) 、 仲裁环( a r b i t r a t e dl o o p ) 和交换式结构( f a b r i c ) 。这三种方式的网络的拓扑 结构对于所连接的设备是透明的。f c 交换端口( f 端口) 可以通过连接单个端 口( n 端口) 或连接整个f c 网的环路而访问整个网络。在f c 交换拓扑结构中， 数据传输率是可变的。例如，在交换式结构中，2 6 6 兆波特的数据传输装置可 与l ，0 5 2 兆波特的数据传输装置连接，这种连接方式所连接的两个端口，直接 协调低速可用信息的传输速率，而每一种连接仍然保持自身的线路速率。在每 个连接保持自身线路速率的同时，两个端口间以其中低速率一方的速率传送信 息。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 点对点 i 湍口脚n 端口l 图2 2 点到点拓朴结构 点对点( p o i n tt op o i n t ) 的连接( 图2 2 ) 是3 种拓朴结构中最简单的，只 需f c 设备的发送光( 电) 缆和另外一个设备的接收光( 电) 缆分别连接起来 就完成了。点对点连能够提供最大带宽和全双工的连接。连接的所有节点必须 支持同一数据连接速度，且必须选择相同类型的物理介质，通信开始之前必须 对这两个设备进行初始化操作。这种拓朴结构通常用于那些最小的服务器存储 设备结构中。 2 2 2 仲裁环 图2 3 仲裁环拓扑结构 仲裁环( a r b i t r a t e dl o o p ) 结构如图2 3 示，f c 中各个端设备通过点对点 连接形成环形结构，各个端设备使用f c 仲裁环( f i b r ec h a n n e la r b i t r a t e d l o o p ，f c a l ) 协议实现通信，环结构提供多达1 2 7 个f c 端口( l 端口) 的共 享带宽连接方法。当仲裁环空闲时，请求端口可与目的端口建立一个双向连接， 通过此连接就可以在两个l 端口间进行通信。在同一时刻只允许一对l 端口通 信，当它们放弃了对环的控制，另外一对l 端口才能建立通信联系 3 e t3 7 。整 个环既可以连接到f c 交换结构端口( f l 端口) 上，也可以直接经n l 端口与 单个主机系统连接。当某一端口判别数据并非该端口要接收的数据时，该端口 1 4 华中科技大学硕士学位论文 就让数据通过。与点对点一样，仲裁环中的所有设备也必须采用相同的数据传 输率和相同类型的物理介质。 仲裁环网络能达到1 0 0 m b s e c 的峰值速度。各个工作站的性能达到的速 度不但取决于网络速度，还取决于硬件配置( 网卡，c p u 及标准系统) 。f c 仲 裁环结构同点对点方式一样有个缺点，当环的某个地方断掉，整个系统就会瘫 痪，为了解决这个问题，出现了一种用于仲裁环的集线器，提供了冗余的环路 和端口旁路电路，用于热插拔及应付节点崩溃的情况。每个节点地址分配一个 仲裁环位置地址( a r b i t r a t e dl o o pp o s i t i o na d d r e s s ，a l p a ) 。a l p a 相当于 s c s ii d ，a l p a 可以在环路初始化时动态分配。在发送端口，按照l 端口的 地址进行环路拓扑判决。f c 采用4 8 比特寻址方案。l 端口的地址最少，被赋 予连接判断环路的最高优先权。f l 地址连接交换网的给定优先权次之。n 端口 给定地处最多，优先权也最低。 2 2 3 交换式结构 ln 端口怔= 却n 端口 交换机 ix 端口旺二瑚n 端口 图2 4 交换式拓朴结构 如图2 4 所示，交换式结构中需要使用交换机( f a b r i c ) ，f c 中的各个端 设备都要与f a b r i c 进行连接，形成以f a b r i c 为中心的星形结构，f a b r i c 负 责路由选择、流量控制、差错处理以及节点端口管理等功能，并提供专用的网 络带宽。当某个连接产生时，提供所有带宽供其使用，好像是点对点的连接。 通过星形层次连接，理论上可连接无限个节点数目，同随提供企业级带宽。有 些f a b r i c 还能连接以太网、a t m 、f d d i 的节点，可被f c - a l 利用来连接到外 部1 38 l 。f a b r i c 用f 端口用来连接单个节点，用f l 端口连接f c a l 仲裁环， 这种拓扑结构允许多个设备在同一时刻进行通信 6 。 交换机中的开关有2 种形式：具有低延迟的包开关和具有高带宽的电路 华中科技大学硕士学位论文 开关。在一条连接通道中，交换机可同时建立多条直接连接通道和共享连接链 路，即可以同时进行电路交换和分组交换，这是光纤通道高性能的关键所在。 当需要很高带宽时，交换机还可以加入更多通路，大量通路的并行将大大地提 高带宽，从而实现了带宽的动态调配 5 | 。 2 3 光纤通道服务类别 光纤通道可以满足不同种类通信的需要，在其协议栈的f c - 2 层中定义了 六种类型的业务。业务类型的选择取决于传输数据的类型和通信的要求，其主 要差别在于流控制使用的类型不同 4 | 。这6 类业务是： 1 类型l 类型l 是专用的不可间断的硬件电路连接，类似于电话线路连接。两个 端设备进行数据交换之前，首先通过f a b r i c 建立线路连接，这类业务提供独 占链路的连接方式，在2 个n 端口间建立一个专用的连接链路。一旦连接建立， 2 个n 端口就可以使用整个带宽进行通信，其它地方的网络堵塞对此连接毫无 影响。设备通信过程中，数据帧的接收顺序和发送顺序要求保持一致，交换机 没有必要在对数据帧进行路由选择时缓存数据。类型l 一般用在数据连续传输 和对时间要求比较苛刻的情况，如语音和图像传输。 2 类型2 类型2 是非连接的帧交换传输服务，它采用接收确认机制以保证数据传 送的正确性，类似于帧中继等传统的包交换技术。这种交换的完成是依靠数据 帧而不是连接，在n 端口之间无需建立专用连接：每个帧通过任何一个可用的 路由直接传送至目的地。当2 类业务信令阻塞某一帧时，发送帧的n 端口收到 一个占线信号，在这种情况下容许立即重新传送该帧。数据帧只有在点对点和 环结构中才能保证接收顺序和发送顺序一致，但是速率会因为构成连接的路径 不同而发生变化。类型2 主要用在对数据顺序和时延要求不高的传输情况。 3 类型3 类型3 是对多的非连接帧交换服务，它与类型2 服务的区别是无传送 确认机制，它只使用缓存缓存的流控制。此类服务的传输率比类型2 要快， 因为它无需等待确认。但如果发送信息没到达目的方，它并不重送。这种服务 1 6 华中科技大学硕士学位论文 更多的应用在不等待回答的实时广播服务中和可允许丢失分组的数据传输。 4 类型4 类型4 是基于连接的服务，它提供了有保证的瞬时带宽和等待级别。在 此类服务中，用户可以通过f c 的交换结构锁定某一特定路径，这一功能将保 证时延的稳定性以及交换机总带宽分割的稳定性，对于这种通道而言，实际的 物理连接是可变的。类型4 仅可用于纯交换机拓扑结构，2 个n 端口间通过建 立单向的虚电路发送请求给交换机，通知对方n 端口服务参数值。和类型1 的专用连接链路样，类型4 可以保证数据帧接收顺序和发送顺序一致。主要 的差别在于一个n 端口可以同时和一个以上的n 端口建立虚电路连接。交换机 通过f c r d y 信号分别管理每一个虚电路的缓存一缓存流控制。这类服务支 持对实时声音、视频以及数据信息的等时服务。 5 类型5 类型5 主要是涉及同步服务的一些内容，但是遗憾的是它至今还没有被 完整定义过，在f c p h 文件中也没有被提及。 6 类型6 类型6 为通过交换机进行的数据多点传送提供支持。一个设备要和不止 一个n 端口同时传送数据时就需要通过多点传送服务器在它们之间建立连接， 由多点传送服务器负责复制和传递数据帧。在类型6 中，n 端口和多点传送服 务器之间通常使用端一端的流控制。 除了前述内容，光纤通道还有一类称为i n t e r m i x 的服务，它是将类型l 与类型2 服务的特征结合起来。这种服务保持了类型1 的带宽而在其连接空闲 时发送类型2 的信息流。这种方式保持着其内在优先级，类型1 的数据总是以 其原有速率传送，而类型2 的数据流要等连接空闲时且类型1 的帧到达目的地 后才发送。 f c 提供了比a t m 还要短的等待时间。a t m 网络在出甥拥塞时。等待时间 也会上升到几百微秒；而f c 中基于连接的的等待时间只有l o - - 3 0 微秒。 2 4 光纤通道的特点及应用分析 f c 技术以其固有的既能运行i p 协议，又能运行s c s i 协议的特性，首先 1 7 华中科技大学硕士学位论文 在存储领域得到了广泛的应用。f c 集通道和网络的优点为一体，既具备互操 作性好、传输距离长以及支持多种通信协议的网络功能；又表现出单一、重现 性强以及传输速率高的通道特性 30 | 。 通道：在通讯设备之间，以直接连接或开关连接的方式进行点对点通讯。 它的特点是硬件集中，能够以低成本、高速度进行数据传输。但通道只能以预 定的地址实现少量设备的通讯。 网络：具有分布式的结点如工作站、文件服务器、外部设备等，网络以 它所支持的协议实现结点间的互连。网络具有串行传输特性，能够完成各种突 发事务。但网络传送速度慢，而且因为软件相对集中而费用高。 f c 吸取了通道和网络两种通讯方式的优点而成为一种新的i o 接口。它 是对s c s i 和e t h e r n e t 的一种延伸，有了f c ，主机不仅可以通过s c s i 与存储 系统对话，还可以通过i p 与同一拓扑图内的其它主机对话 24 l 。基于光纤通道 的s a n 比基于s c s i 的s a n 有许多优点。表2 1 是f c - a l 和e