（通信与信息系统专业论文）存储区域网中n端口的设计和实现.pdf

摘要 摘要 近年来随着人们对数据存储业务的性能和效率需求的不断增长，对管理和安全 的需求不断提升，存储区域网应运而生。 存储区域网是一种为用户提供及时访问企业网络中的数据的针对大容量数据 存储的解决方案。s a n 是指一种基础网络结构，其功能是将局域网内的计算机和设 备连接到另一个包含存储设备的并和该局域网相互隔离的网络中。光纤通道的发 展推动了s a n 的快速发展，其优良的性能使得光纤通道几乎成了s a n 的代名词。 n 端口是指在s a n 中连接交换路由设备的终端端口。n 端口在s a n 中扮演着重 要的角色。n 端口通过向s a n 中的交换路由设备注册来接入s a n ，并且实现数据传 输和差错控制等功能。 本文的目的是对n 端口设备相关协议进行研究，并利用该技术设计和实现了一 个n 端口设备。系统的关键点在于需要对n 端口相关协议进行详细的阅读和分析， 利用软件设计和实现n 端口的基本功能。 本文的主要工作是设计了一个n 端口的协议处理流程的方案，使得该n 端口具 有接入s a n 网络和处理n 端口协议等功能，并在2 6 1 8 内核版本的r e d h a tl i n u x 环境下开发了n 端口程序。 本文首先对n 端口的相关协议( 主要是扩展链路服务和通用服务等) 进行了介 绍，详细分析了各个帧的格式和字段的意义等。然后介绍了n 端口的设计目的， 描述了我们需要达到的功能。最后给出了一个n 端口的实现方案，并用该方案所 实现的n 端口进行了测试，分析了测试的结果，对目前系统的不足提出了改进的 方向。 关键词：s a n ，f c ，n 端口，测试 a b s l r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sp e o p l eo nt h ed a t as t o r a g eb u s i n e s sp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y o ft h eg r o w i n gd e m a n df o rm a n a g e m e n ta n ds e c u r i t yr e q u i r e m e n t sr i s i n g ，s t o r a g ea r e a n e t w o r k sc a m ei n t ob e i n g a sas t o r a g ea r e an e t w o r kt op r o v i d eu s e r sw i t ht i m e l ya c c e s st od a t ai nc o r p o r a t e n e t w o r k sa g a i n s tl a r g e c a p a c i t yd a t as t o r a g es o l u t i o n s a ni sab a s i cn e t w o r ks t r u c t u r e , i t sf u n c t i o ni st ol a nc o m p u t e r sa n dd e v i c et oc o n n e c tt oa n o t h e rl a nn e t w o r kt h a t c o n t a i n ss t o r a g ed e v i c ea n di s o l a t e df r o mt h ef i r s tl a nn e t w o r k t h ed e v e l o p m e n to f f i b r ec h a n n e lp r o m o t e dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs a n i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e m a k e st h ef i b r ec h a n n e la n ds a nh a sb e c o m ea l m o s ts y n o n y m o u s n p o r ti st h et e r m i n a lp o r tc o n n e c tt os w i t c h i n gr o u t i n gd e v i c e si ns a n n - p o r t i n t h es a np l a y sa l li m p o r t a n tr o l e n - p o r tr e g i s t e r e dt ot h es w i t c h i n ga n dr o u t i n gd e v i c e i nt h es a nt oa c c e s st ot h es a n ，a n dt oa c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o na n de r r o rc o n t r o l f u n c t d o n s t h e p u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h en - p o r td e v i c er e l e v a n tp r o t o c o l s ，a n du s e d i tt od e s i g na n di m p l e m e n ta nn - p o r td e v i c e t h ek e yp o i n ti st h a tt h es y s t e mr e q u i r e s t h ep r o t o c o lo ft h en - p o r tr e l a t e dd e t a i l e dr e a d i n ga n da n a l y s i s ，s o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nt h eb a s i cf u n c t i o n so f n - p o r t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g na nn p o r tp r o t o c o lp r o c e s s i n gp r o g r a m ， w h i c hm a k e st h en - p o r tw i t ht h ea c c e s sa n dp r o c e s s i n go fn - p o r ts a nn e t w o r k p r o t o c o l sa n do t h e rf u n c t i o n s ，a n di nt h e2 6 18k e r n e l v e r s i o no fr e d h a tl i n u x d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , t h en - p o r tp r o g r a m f i r s t l y , t h er e l e v a n tp r o t o c o lo nt h en - p o r t ( m a i n l ye x t e n d e dl i n ks e r v i c e sa n d g e n e r a ls e r v i c e s ，e t c ) w e r ei n t r o d u c e d ，ad e t a i l e da n a l y s i so fe a c hf l a m ef o r m a t sa n d f i e l d b a s e d t h e ni n t r o d u c e dt h en p o r ti sd e s i g n e dt od e s c r i b et h ef u n c t i o n st h a tw e n e e dt om e e t f i n a l l y , a n n - p o r ti m p l e m e n t a t i o n o fp r o g r a m sa n dp r o g r a m i m p l e m e n t a t i o nw i t ht h en - p o r ti st e s t e d ，a n a l y z e dt h er e s u l t s ，l e s st h a nt h e c u r r e n t s y s t e mt h ed i r e c t i o np r o p o s e di m p r o v e m e n t s 摘要 k e y w o r d s ：s a n ，f c ，n - p o r t , t e s t i i i 缩略语表 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 d a sd i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e直接连接存储 n a sn e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e网络连接存储 s a n s t o r a g ea r e an e t w o r k 存储区域网络 f cf i b r ec h a n n e l光纤通道 s o fs t a r to ff r a m e帧起始定界符 rc t l r o u t i n gc o n t r o l路由控制 di dd e s t i n a t i o ni d e n t i f i e r目的地址标识符 sds o u r c ei d e n t i f i e r源地址标识符 c s c t l c l a s ss p e c i a lc o n t r o l类型控制 fc t lf r a m ec o n t r o l帧控制 s e q i ds e q u e n c ei d帧序列标识符 d f c t l d a t af i e l dc o n t r o l数据域控制 s e q c n ts e q h e n c ec o u n t帧序列计数 o xi d o r i g i n a t o re x c h a n g ei d e n t i f i e r 发起端交换标识符 r xi d r e s p o n d e re x c h a n g ei d e n t i f i e r接收端交换标识符 c r c c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 e o fe n do f f r a m e帧结束定界符 e l s e x t e n d e dl i n ks e r v i c e s扩展链路服务 g s g e n e r i cs e r v i c e s 通用服务 w w n肋r i d 聪d en a m e全球唯一名字 l o g i nl o g i n登入 l o g ol o go u t 登出 f l o g if a b r i cl o gi n对于f a b r i c 的登入 p l o g i p o r t l o g i l l 对于端口的登入 v 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：耻 日期：刃勿年彩月刃日 论文使用授权 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：导师签名：湓堕蕴导师签名：z 荭鉴z 日期：加扣年妒多月0 3 日 第一牵引言 1 1 存储区域网络的介绍 1 1 1 存储模型的发展 第一章引言 近十年来，由于互联网技术及其应用所推动的企业全球化，以及计算机技术多 方面的发展，人们对数据存储的需求有了巨大的改变。需求的改变主要有三方面： 首先，许多应用对存储系统容量有了巨大的需求；其次，应用系统还要求对数据 进行的存取要快速有效的进行；最后，需要对存储的数据进行有效的管理。s a n 恰好都能满足上述的这些需求。s a n 的设计把数据存储从应用服务器中分离出来 并组成了独立的网络，这使得提供巨大的存储容量成为可能。s a n 采用高速分布 式结构结构，存储容量的增加不会严重影响系统的响应速度。由于s a n 独立为一 个网络系统，所以管理起来也很方便，这使得s a n 得以流行。 内嵌式存储系统( e m b e d d e ds t o r a g e ，e s ) 就是把存储器件内嵌于服务器中。 例如我们的个人电脑，普通的服务器等等。其优点是简单易用，缺点是容量和性 能受到了限制，而且安全性也不佳。特别是如果电脑或者服务器出现了故障，那 么运行良好的存储器件也变得不可用了，这对于高可靠性的业务来说无异于致命 打击。 直接存储系统( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，d a s ) 采用外接式存储设备，一般通过 s c s i 与服务器相连接。这种连接的优势在于它将对存储器件的读写操作从应用服 务器中分离出来，并且采用了高速接口技术，从而提高了性能。存储设备可以与 多个服务器连接，因此如果其中一个或几个服务器出现了故障，那么只要有好的 服务器，那么业务仍然可以通过这些没有故障的服务器进行，从而提高了可靠性。 但是随着巨大容量需求的出现，无论管理起来还是存储容量的扩展都成为难以解 决的问题。 电子科技大学硕士学位论文 闰i - 2 n a s 结构示意图 第一章引言 存储区域网( s t o r a g ea r e an e t w o r k ，s a n ) 是存储系统模型的最新发展。s a n 技术有望解决数据爆炸性发展所带来的各种难题。在s a n 网络中，存储设备既不 是像d a s 那样直接连接到服务器上，也不是像n a s 那样连接到应用网络上，而 是所有的存储设备相互连接，形成自己的网络( 即存储区域网，s a n ) 。服务器通 过s a n 对数据进行存取客户终端不能直接操作数据，这有助于提高数据的安全 性。通常情况下，s a n 网络是基于光纤通道( 印f c ) 技术的高速传输网络。光纤 通道具有高带宽的优势在这里得到了很好的体现。同时光纤通道支持各种拓扑结 构，采用了多样化的联网拄术，有i p ，s c s i 等。s a n 和n a s 实在不同用户需求 的驱动下的独立事件。s a n 是以数据为中心的，而n a s 是以网络为中心的【1 1 。s a n 结构具各了n a s 结构的几乎所有的优点，同时由于采用了不同的结构，使得服务 器与存储设备之间的交互通过s a n 网络进行，不会消耗应用网络的带宽资源，克 服了n a s 应用于大型网络时会出现的缺陷。 2s a n 组网技术 图l 一3s a n 结构示意图 s a n 组网一般有两种方式，一种是采用光纤通道( f i b r e c h a n n e l ，f c ) 协议， 这也是绝大多数s a n 所采用的协议，这样的s a n 又叫f c s a n ：另一种是采用 f c i p 协议。这样的s a n 又叫i p s a n 。我们采用f c s a n 进行组网。 1 2 光纤通道交换机与端口介绍 121 光纤通道交换机介绍 在光纤通道组网的s a n 中，网络的拓扑结构有三种：点到点( p 2 p ) ，环形结 电子科技大学硕士学位论文 构( 仲裁环) ，交换结构。点到点结构是指p c 与服务器直接连接的结构，这种结 构只能用于小型存储系统中。环形结构则可以用于1 2 6 个节点的存储区域网中。 由于在环形结构中，所有节点共享一个光纤通道通信带宽，当节点数目比较多时， 性能会相应的降低，因此，交换结构逐渐的流行起来。 光纤通道交换机的出现时为了弥补光纤通道集线器的不足。集线器实际上是采 用了环形的拓扑结构。集线器实际上把所有连接到它上面的主机连接成环形，在 同一时间只能有一台主机占用线路交换数据，所有的主机实际上是共享光纤通道 的带宽的。光纤通道交换机的作用如同以太网交换机，它提供了独立的光纤通道 给连接在它上面的每一个端口。光纤通道交换机能同时提供多对端口通信，每一 对端口都拥有独立的光纤通道带宽。光纤通道交换机一般是由专用集成电路实现 的。光纤通道交换机交换是根据光纤通道数据帧中的帧头部的源地址和目的地址 进行的。光纤通道交换机根据数据帧的帧头中的目的地址来决定把它送往哪一个 端口，同时它也查看自己的目的地址与端口的对照列表来决定数据帧的出口，而 这个表实际上是通过记住它自己所收到的数据帧的起始地址和输入端口来实现 的。 光纤通道交换机通常由以下几个部分组成：至少两个交换端口；一个交换组件， 用于实现数据交换；一个地址管理器；一个路径选择器；一个路由器；一个交换 控制器。 其中交换端口是交换机与存储网络系统中其他设备连接的端口。交换机端口可 以和存储设备或服务器连接，也可以和其他交换机连接。 交换组件是交换机中用来实现端口之间数据交换的组成部分。它一般是采用 a s i c 。 地址管理器用于分配交换机和端口的地址。 地址管理器负责分配一个域名标识符( d o m a i ni d ) 和范围标识符给交换机， 他同时也分配端口标识符( p o r ti d ) 。 路径选择器用于建立数据帧的交换路径。光纤通道中的数据帧在光纤通道交换 机中是根据他们各自的类型来交换到不同的端口。 交换控制器是用来管理交换机的逻辑部件。有一些控制帧的目的地址就是光纤 通道交换机中的交换控制器。这些帧被光纤通道交换机接收到以后，就被送到交 4 第一章引言 换控制器。交换控制器再对这些帧进行相应的处理。 122 端口类型 在光纤通道中，设备与交换机相连时，设备的端口称之为n 端口，交换机的 端口称之为f 端口。因此，交换机最常见的端口就是f 端口，而设备最常见的端 口就是n 端口。f 端口只能与n 端口进行通信，不能和n 端口之外的其他类型端口 进行通信。n 端口可以和f 端口通信，也可以和n 端口进行通信。 如果有多个光纤通道交换机，它们之间往往需要连接起来。这时，这些变换 机之间相互连接的端口被称为e 端口。e 端口只能和e 端口连接 目。e 端口之间的 连接被称为交换机内部链路。 如果采用环型拓扑，那么这些环形端口都被称为l 端口。有时环形拖拓扑会 通过光纤通道交换机连接到外部网络上去，这时如果这些端口都被称为l 端口， 则区分不出光纤通道交换机的端口和设备的端口。因此，通常情况下，环型拓扑 的端口分为两种：n l 端口，f l 端口。n l 端口指的是存储设备或服务器与环连接的 那个端口，而f l 端口是指交抉机与环连接的那个端口。 囝1 4 环形拓扑端口示意图 孔端口与环连接时，比其他n l 端口有更高的优先权。在环形拓扑中，环上任 意一节点想要与其他节点通信，那么它首先要通过仲裁协议来占用环。而在仲裁 时，f l 端口有特别优先权，因为f l 端口实际上代表着交换机。 f 端口，e 端口，f l 端口是光纤通道交换机上的基本端口类型用户可以根据 不同的情况设置端口的类型。为了避免经常设置端口类型带来的麻烦，通常情况 下，光纤通道交换机会提供一种自动端口类型。它能发现它所连接的设备端口类 电子科技大学硕士学位论文 型，从而自动设置成正确的端口类型。端口的自动设置是通过端口的初始化完成 的。光纤通道交换机上电之后首先尝试将自己设置成f l 端口，如果尝试失败，它 会再去尝试将自己设置成g 端口，g 端口是一种中间状态。如果与光纤通道交换机 相连接的是n 端口，那么此时光纤通道交换机的端口会等待对方登录，然后将自 己设置成f 端口，如果超过一定时间对方没有反应，那么光纤通道交换机会主动 发送帧询问对方，如果对方也是光纤通道交换机，那么它就将自己设置成e 端口。 n 端口设备同样在上电之后要进行初始化。首先建立最底层链路，建立好之后 尝试将自己设置成n l 端口，如果不成功，那么将自己设置成n 端口。 1 3 本课题研究的目的与意义 1 3 1s a n 市场需求和发展 科研及教育机构是s a n 较早的用户。c e n t r a lt o k y ou n i v e r s i t y 就在使用s a n ， 因为它迫切的需要大容量的存储能力。根据g a r t n e rg r o u p 的d a t a q u e s t 调查，日本 市场年正常增长率接近1 7 ，并在2 0 0 3 年达到了4 2 亿美元。 随着i n t e r n e t 的发展和计算环境的全球扩张，今后的信息将会越来越多，今后 的两三年人类所创造出来的信息量甚至比人类在过去3 0 万年创造的总信息量还要 多。e m c 的一项报告指出到2 0 0 5 年，企业在存储产品上的花费将会占到企业信息 技术开支的7 0 。在这种大趋势的推动下，存储产品出现了令人难以置信的增长。 e m c 宣称将在今后两年中投入2 5 亿美元用于存储软件的研发。 信息和知识总是被人们摆在一个很高的位置。信息发展的历史告诉我们，共享 知识和数据使得一个社会以及其中的个人和组织能够更好的沟通与合作。当前以 及今后不长的时间内，存储技术的迅速进步以及玲琅满目的存储产品将会使人们 耳目一新，眼花缭乱。 根据d a t a q u e s t2 0 0 0 年的一份报告显示，2 0 0 0 年全球存储产品的销售额为3 0 0 亿美元。而到2 0 0 4 年这个数字增长一倍，达到6 0 0 亿美元。考虑到存储这种高科 技产品价格逐年下降，实际单位产品的销售量增长将超过一倍。从地区来看，北 美地区增长最快，为每年增长2 0 。欧洲、日本和亚太地区分别为每年增长1 8 6 ， 15 6 及1 6 0 t 2 。 另外，根据国际数据公司i d c 的统计，在2 0 0 0 年的3 0 0 亿美元存储产品销售 6 第一章引言 额当中，7 0 安装于传统的d a s 系统，b i a s 系统占7 ，s a n 占2 0 。但是从增 长率来看，n a s 比1 9 9 9 年增长了一倍，s a n 比1 9 9 9 增长了7 0 。事实上，根据 d a t a q u e s t 的另一份研究报告显示，未来数年内，在n a s 与s a n 存储产品快速成 长的同时，d a s 产品将出现负增长。从2 0 0 4 年开始，n a s 与s a n 存储产品的销 售额超过d a s 产品【2 1 。 中国存储系统市场规模早在2 0 0 2 年就已经达到5 6 亿元人民币。业内人士预测， 最近国内存储市场没您都会以1 0 2 0 的增长率递增。预计到2 0 0 6 年，整个中 国存储市场的规模将达到7 4 7 亿元人民币【3 1 。 s a n 的存储系统的厂商主要有e m c ，h p ，s u n ，m m ，d e l l 等。h b a 的 主要提供商包括q l o g i c ，e m u l e x 以及j n i 【2 1 。思科和博科是s a n 产品的主要生产商， 也是光纤通道相关标准委员会的主要成员。 1 3 2 本课题研究的意义 在数字化生活的今天，每天都会产生大量的信息需要存储，而s a n 具有的高 速度、高容错性等有点，逐渐流行起来。学校、政府部门、图书馆甚至金融部门 等都开始了s a n 的部署。 本文实现了n 端口设备与交换机的连接与测试；n 端口通过交换机的相互连 接和测试。 1 4 本章小结 本章主要介绍了存储区域网络( s a n ) 的发展和s a n 的一些基本知识：光纤 通道交换机以及存储设备；s a n 中端口的分类，最后介绍了s a n 的发展以及本课 题研究的意义。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 光纤通道概述 第二章f c 协议分析 光纤通道( f i b r cc h a n n e l ，f c ) 技术是一种能够为存储设备、d 数据网、音频流 等应用提供高速数据传输的骨干网络技术。所谓通道，就是能传输数据的路径。 把要传输的数据发送到通道的一端，它就会被传输到通道的另一端。通道往往能 实现很高的数据通信速度，而且数据通信时所涉及的协议也比较简单。通道开始 是用于计算机内部不同部件的通信，所以通信距离一般很短，而且通信时涉及的 其他设备也狠少，通常情况下是一个发送，另一个接收，很少有中转设备。通道 一般用于一台计算机内部的数据交换，而两台或者多台计算机之间通信时，采用 的是计算机网络。计算机网络通常是用过多个节点之间的通信来实现数据的交换 的。计算机网络通信基本上是没有距离限制的。现在的计算机互联网使世界上任 何鼯台计算机都能互相通信。两台计算机在通信过程中可能经过很多的中转节点。 相互通信的两个节点的通信往往建立在某种通信协议上。现在最常用的通信协议 就是i p 协议。在口协议中每个通信设备都有唯一的地址。计算机网络中的 设备根据地址来进行路径选择，通过m 地址将数据帧送到目的地。网络式的通 信往往很复杂，需要很多的软件来实现，而且除了发送端发给接收端的数据外 节点之间需要交换一些协议必须的控制帧。因此网络式的数据交换往往效率低于 通道式的数据交换。但是网络式的数据交换往往能实现一些复杂的数据交换，并 且能在更加复杂的环境，更远的距离下工作。 图2 - i 计算机网络结构 通道式数据交换和网络式数据交换各有其优缺点，它们也有着不同的应用。 随着计算机技术的发展，计算机设备之间需要交换的数据量越来越大速度要求 第二章f c 协议分析 也越来越高。在计算机主机和存储设备之间通常采用通道式通信以满足高速的要 求。但是通道式的通信对通信设备的数目和距离都有限制。比如在s c s i 中，最多 只能有1 5 个设备串接，而且所有的s c s i 设备的电缆长度不能超过1 5 米等等。面 对大型的存储系统，这种限制导致了通道式通信不能满足要求。光纤通道的出现 就是为了满足这种高速数据交换要求。光纤通道结合了通道式和网络式两种计算 机通信方式的优点，提供了通信设备之间的高速度，高效率，长距离的数据交换， 因此在存储系统中得到了广泛的应用。虽然在光纤通道的名字中有光纤一词，但 是实际上它并不要求通信时必须采用光纤作为介质，铜缆也能用于光纤通道网络 中。光纤通道与通道式，计算机网络式通信的关系如下图： 图2 2 通道，网络与光纤通道 光纤通道实际上是一组标准，这些标准定义了进行数据交换的通信设备之间 的物理特性，通信时遵循的协议等。采用光纤通道进行通信的设备互相连接成网 络结构。我们可以把通信设备组成的网络结构分解成通信节点，节点与连接接口， 连接和交换结构。 节点与连l 节点 接接口i 连 连 i 节点与连 节点 l 接接口 图2 3 光纤通道结构 在存储系统中通信节点是需要发送或接收数据的服务器或是实际存储数据的 存储设备。交换结构是光纤通道交换机或集线器等。连接是连接它们的光纤或铜 缆。光纤通道标准中连接可以是光纤，也可以是铜缆。存储设备或者交换结构上 都有能与光纤通道直接连接的接口。服务器或者一般的主机通常没有能与光纤通 9 电子科技大学硕士学位论文 道连接的端口。因此往往需要在服务器或者主机上插上一种适配卡，它提供服务 器总线到光纤通道的连接。这种卡被称为主机总线适配器( h o s tb u sa d a p t e r ) 。 光纤通道标准定义了服务器或存储设备与光纤通道电缆之间以及交换结构与 光纤通道电缆之间的接口特性。光纤通信标准也包括了各种设备之间的通信协议 扫莹 1 于o 2 2 光纤通道的拓扑结构 f c 系统中设备的连接有三种拓扑方式：点对点方式( p o i n tt op o i n t ) 、交换方式 ( f a b r i c ) 、仲裁环方式( 硒i 仃a t e dl o o p ) 4 1 。 点到点 i 竺! 交换结构 阼 交换结构 环形结构 图2 _ 4 光纤通道拓扑结构 三种拓扑结构中，点到点连接是最简单的。它是由两个节点通过光纤通道电 缆直接连接。连接电缆的全部通信容量都用于这两台通信节点之间的通信。通常 情况下，电缆一端连接服务器，另一端连接存储设备。在点到点的拓扑中，一个 通信节点的发送端连接到另一个节点的接收端，它的接收端连接到另一个节点的 1 0 第二章f c 协议分析 发送端，因此实际上两个节点之间有两条物理链路，每一条线路负责一个方向上 的数据传输。在点到点的拓扑中，每对通信节点之间都需要用电缆进行连接，因 此，如果节点较多，那么就会需要很多电缆，成本很高。因此这种拓扑结构只适 用于很小的存储系统。点到点连接只适用于两个节点的连接，当存储设备和服务 器数目多于两个时，点到点的连接就不适合了。这时可以使用环形拓扑。 环形结构是指光纤通道中的多个通信节点连接成环形。因为每个节点实际上 分为发送端和接收端两个端口，所以连接时是其中一个节点的发送端连接到下一 个节点的接收端。通信节点与电缆连接的端口成为l 端口。当环路上两个节点进 行通信时，发送节点把数据包发送给它连接的下一个节点。下一个节点接收到数 据包后，查看数据包的目的地址。如果数据包的目的地址不是自己，那么就把数 据包发送给它的下一个节点。这样数据包从一个节点传送到另一个节点，直到到 达目的地。通常情况下，在环形拓扑中，两个节点通信时需要中间的节点传送数 据。因此，在环形结构中，如果有两个节点正在通信，那么其他的节点此时是不 能通信的。两个节点的通信将占用环路的全部通信带宽。多个节点同时需要通信 时，就会发生冲突。环路拓扑采用了光纤通道的仲裁协议来决定哪两个节点可以 进行通信。环路拓扑中的地址是在环路初始化阶段分配的。这个地址被称为a lp a ( a r b i t r a r yl o o pp h y s i c a la d d r e s s ) 。这是一个8 b i t 的地址，但是只有其中的1 2 7 个为有效地址，因此环路上最多只能有1 2 7 个设备。 因为环上的所有节点共享带宽，因此节点越多，通信效率就越低。由于环路 上地址数目的限制，使环路拓扑只能适用于中小型的存储系统中。在服务器和存 储设备数目小于1 2 7 并且多个节点同时通信的情况很少时，可以使用环路拓扑。 在环路拓扑中，如果节点一个接一个的连接成环形，那么任何一个节点的故障都 将导致整个环路无法通信。为了解决这个问题，在实际应用中，通常使用集线器 来实现这种拓扑。这时，所有的节点被连接成物理上的星型，逻辑上的环形。如 果有一个节点出了故障，环路上其他节点之间的通信不会受到影响。 环形结构最多只能有1 2 7 个节点，如果在环形拓扑中，一个节点只能与环上 其它节点通信，不能与环外节点通信，这种没有交换机连接的环称为私有环。随 着主机和存储设备的增加，超过了环路的最大容量之后，新增设备将不能接入到 环中来。这时，就需要采用光纤通道的交换结构。新增设备可以通过交换机连接， 原有的环路也需要连接到交换机上。这样，原有设备就不需要进行变动，这种结 构称为公共环。公共环上的节点可以通过交换机与环外的其他节点进行通信。 电子科技大学硕士学位论文 在公共环中，环路上至少有一个端口通过f 端口连接到交换机。这种网络的 节点数目就不再受到环路最大1 2 7 个设备的数目的限制。 交换结构由通信节点和光纤通道交换机组成。通信节点通过电缆连接到光纤 通道交换机。当交换结构中的两个节点需要通信时，交换机将建立这两个节点之 间的通道。交换机允许多对节点同时进行通信，每对节点都拥有点到点拓扑中的 相同的带宽。因此，交换结构性能高于环状结构。 在交换结构中，容许的最大设备数取决于地址。现在通常有2 b y t e 作为地址， 因此交换结构中最多可以有6 5 0 0 0 多个节点，远远大于环型拓扑的1 2 7 个节点。 交换结构的扩充性远远优于环形结构，适合用于大型的存储系统中。 光纤通道交换机还可以与其他的光纤通道交换机连接，形成交换。这种网络 式的交换结构具有很高的容错性和可靠性，一般用在大型存储网络中。 2 3f c - 0 层介绍 f c 0 层是光纤通道协议栈的最底层。它定义了物理连接的特性，包括电缆， 连接头，发送器和接收器，编码器和译码器等等。光纤通道中，电缆并不一定要 求是光纤【2 1 。铜缆同样可以运用于光纤通道中。光纤通道中定义的电缆有四种：单 模光纤，多模光纤，同轴电缆和屏蔽双绞线。我们一般所说的电缆是指这四种中 的任何一种。 光纤通道存储区域网中，最常用的电缆是光纤。光纤的结构包括光纤芯，光 纤包层和保护外皮。光纤芯实际上是很细的玻璃，包层是由特殊材料制成，光在 光纤中传输时会在包层发生全反射。因此当光从光纤的一端射入后，由于会发生 全反射，从另一端射出时，基本上不会有损失。如果光只有一个传输模态，这种 光纤称为单模光纤。如果光有多个传输模态，则称为多模光纤。 光纤通道数据的传输速度也是在f c 0 中定义的。光纤通道实际允许有多种传 输速度。常见的有1 0 0 m b s ，2 0 0 m b s 和4 0 0 m b s 等等，这些传输速度是指的实 际的数据传输速度，也就是数据帧净荷的传输速度。也就是在数据帧中除开了帧 头帧尾和编码等等的纯数据部分。一般1 0 0 m b s 被称为全速，2 0 0 m b s 被称为双 速，4 0 0 m b s 被称为四倍速。当然，光纤通道中也存在低于1 0 0 m b s 的速度。但 是最常见的就是全速( 也即1 g b p s ) 和双速( 也即2 g b p s ) 。 f c 0 层一个很重要的功能就是将物理的激光信号或者电信号转换成o 或1 的 1 2 第二章f c 协议分析 二进制信号。在发送端，f c 1 层将想要发送的二进制信号发送给f c 0 层，f c 0 层将这些信号转换成光信号或者电信号，然后再通过电缆传送给接收端。在接收 端，f c 0 层将接收到的光信号或电信号转换成二迸制信号，再传送给f c 1 层。这 样发送端和接收端的f c 1 层只需要利用f c 0 层提供的传输二进制位的功能，而 不需要考虑怎么转化为物理激光或电信号传输的问题 2 1 。 2 4f c - 1 层介绍 从上一节我们知道，f c 1 层之间的通信用到了f c 0 层提供的传输二进制位的 功能。而f c 1 层实现的一个很重要的功能是实现传输由八个二进制位组成的字节 的功能。f c 1 层的上层也就是f c 2 层将利用f c 1 层所提供的传输字节的功能来 实现更加复杂的功能。 f c 1 层定义了基本传输信号的编码，解码，特殊字符和字符级别的差错控制 功能等。在光纤通道中，f c 1 层采用的编码方式是8 b 1 0 b 编码方式。所谓的8 b 1 0 b 编码，也就是指将一个8 b i t 的数据编码后产生1 0 b i t 的数据。在f c 一1 层中，如果 是发送方，那么就将要发送的数据进行8 b 1 0 b 编码，要发送的数据中的每8 个 b i t 通过编码生成1 0 个b i t 然后再通过f c 一0 层将这些数据转换成光信号发送出去。 如果是接收方，那么就将接收到的信息惊醒8 b 1 0 b 解码，将接收到的信息中的每 1 0 b i t 生成8 b i t 数据然后将这些数据送往f c 2 层进行处理。采用8 b 1 0 b 编码的一 个很重要的原因是为了提高信号的传输质量。一般情况下的二进制信号中，0 和1 的个数都是不一样的。而0 和l 的个数的不同将会导致传输直流分量的不平衡， 而且原始二进制信号中有可能会有很长的连续的0 或者1 ，这也会导致时钟同步出 现问题。而8 b 1 0 b 编码就解决了上述的问题。由8 b i t 组成的2 5 6 种信号经过8 b 1 0 b 编码后形成了1 0 b i t 的信号。而1 0 b i t 信号一共有1 0 2 4 种，因此，8 b 1 0 b 编码实 际上将2 5 6 种信号映射到了直流分量平衡的那些1 0 b i t 组成的信号中。这样提高了 传输质量和传输距离，但是牺牲了传输效率。 在1 0 b i t 的信号中，实际上只需要用到2 5 6 种不同的信号。但是实际上，编码 前的一个8 b i t 信息可以编码成两个不同的1 0 b i t 信号。也就是说，这两个不同的 1 0 b i t 信号对应着同一个8 b i t 信息。但是实际上这两个1 0 b i t 信号代表着两个不同 的信息，数据信息和控制信息。也就是说，在f c 1 层中进行8 b 1 0 b 编码的时候， 同样的一个8 b i t 信息，会根据它是数据信息还是控制信息而分别编码成两种不同 的1 0 b i t 信息。 电子科技大学硕士学位论文 光纤通道中，用z x x y 来表示一个传输字符。我们把编码之前的8 b i t 从最低 位到最高位表示为：a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 。如果这个8 b i t 信号是数据信号， 那么z x x y 中的z 的值就是d 。如果这8 b i t 信号是控制信号，那么z x x y 中的z 的值就是k 。z x x y 中的x x 是编码前的8 b i t 字符的低五位的二进制的十进制值。 在下例中的e d c b a 的十进制值。z x x y 中的y 是编码前的8 b i t 字符的高三位的二 进制的十进制的值。在下例中的h g f 的十进制值。下图给出了8 b i t 数据信号字符 ( 十进制中的4 5 ) 通过8 b 1 0 b 编码最后生成1 0 b i t 信号的例子。 经过z x x y 命名转换后的传输字符可以通过编码表获得1 0 比特的传输编码。 下图示例了f c 2 层8 位数据字符4 5 h 对应的传输字符d 0 5 2 及其1 0 位编码【6 】。 十六进制 二进带0 4 5 hgfedcba 0lo 0 0101 edcbah gf 0 0l0 lol0 传输字符d0 52 ab cdef 【jh 8 b 1 0 b 编码 abcdeif g h j lo100l0 1 01 图2 58 b 1 0 b 编码例子 同样的，编码前的8 b i t 控制信息也同样对应了2 5 6 种传输控制字符，因此可 以传输的控制字符也有2 5 6 个。但是实际上，光纤通道只用到了一种控制字符， 那就是k 2 8 5 。k 2 8 5 是0 x b c 经过8 b 1 0 b 编码后生成的1 0 b i t 传输字节，它的作 用是区分有用数据和控制数据。在8 b 1 0 b 编码中，一个8 b i t 字节被映射成一个 1 0 b i t 的传输字符，再交给f c 一0 层去传输。但是因为现在的大部分计算机的基本 处理单位都是四个b y t e 组成的w o r d ，所以在f c 1 层也定义了由四个b y t e 组成的 传输字。在这里，一个传输字代表了四个传输字符。如果k 2 8 5 出现在含有四个 传输字节的传输字中，那么这个传输字就是起到控制作用的传输字。通常情况下， 起到控制作用的传输字的第一个b y t e 就是k 2 8 5 。如果一个传输字的第一个b y t e 是k 2 8 5 ，那么这个传输字就是有序集传输字。如果不是，那么这个传输字就是数 据传输字。有序集传输字有以下的控制作用： 1 数据帧分界符：数据帧分界符分为起始分界符和结束分界符 1 4 第二章f c 协议分析 2 原语信号：f c - 1 层中的流量控制信号和空闲字原语信号 3 原语连续信号：连续三个相同的有序传输字用于链路控制。 在光纤通道中在传输有效的数据帧之前要首先进行链路的建立，链路的建立 过程由一些列的原语信号完成，其状态图如下t 2 5f c - 2 层的介绍 图2 - 6 链路建立过程状态机 由上一节的我们知道f c 1 层提供给f c 2 层发送和接收传输字的功能，f c 2 层可以直接利用f c 1 层所提供的这些功能实现更加复杂的功能。f c 2 层实现的基 本功能是：发送和接受帧，帧序列，帧交换和数据包。 电子科技大学硕士学位论文 在数据通信中，往往涉及到大量数据的传输，如果仅仅使用f c 1 层所提供的 传输8 b i t 字节和传输字的功能，不仅仅效率低，而且难以实现复杂的功能。因此， 一般的协议栈中都有一些特定的层提供传输一系列的8 b i t 字节和字的功能，并且 通过一定的格式来组织这些数据。这样的数据串通常被称为帧或数据包。而光纤 通道协议栈中，实现帧和数据包传输的层就是f c 2 层。 f c 2 定义了四种数据传输单位： 1 帧：f c 2 层中的最基本的数据传输单位，最多能传输2 1 1 2 个字节。 2 帧序列：由一个或多个帧组成。 3 帧交换：由一个或多个帧序列组成。 4 数据包：由一个或多个帧交换组成。 在光纤通道中，数据帧是由帧起始定界符，帧头，负荷，循环冗余校验码和 帧结束定界符组成。帧起始定界符，循环冗余校验码和帧结束定界符都是由4 b y t c 传输字组成的。其中的帧起始定界符和帧结束定界符根据服务的不同而不同。光 纤通道中的帧头有固定的帧格式。帧头由2 4 b y t e 组成，而数据载荷最多可以有 2 1 1 2 b y t e 。通常情况下，数据帧的净负荷都是4 b y t e 的整数倍。如果需要传输的数 据长度不是4 b y t e 的整数倍，那么在数据结尾添加0 x 0 0 将数据补充成为4 b y t e 的 整数倍。这些填充字段被称为f i l lb y t e 。 f c 2 层帧帧头结构如下： 4 2 4 o 屯1 1 2