详细解析FCoE协议

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要不是能够推动成本或性能优势的发展，新技术很难取代已有的的成熟技术。例如，尽管令牌环（Token Ring）相较以太网有更高的性能（16Mb/s vs. 10Mb/s）和更强的功能，但以太网依仗其规模经济优势在局域网传输领域上顺利取代了令牌环。相比较之下，ATM网络也无法取代以太网成为桌面系统的连接标准，这主要是由于它无法与以太网庞大的安装基础相兼容。　　

ATM的LANE（局域网仿真）实在存在太多问题。尽管InfiniBand以高性能的服务器集群应用证明了它在高端用户中的价值，但是它一直无法在局域网或存储局域网传输上与其它技术相抗衡。InfiniBand独特的布线方式和高速传输模式下的距离限制使得IT管理者们纷纷放弃高攀的念头。

光纤通道作为一项成功的技术解决了许多与高性能数据块传输相关的难题。毕竟，光纤通道是一种模拟数据中心大型机环境的传输架构。大多的传输通道往往都是以高带宽和低负荷为手段，在最大程度上实现数据中心环境中大量数据的高效传输。为了保持稳定一致的性能，光纤通道借助包括Buffer-to-buffer Credit等在内的内部机制来降低网络阻塞的潜在影响。

如果丢失一个帧，光纤通道不会像TCP一样马上停止直到恢复丢失的帧，而是以数千兆的传输速率重新发送整个序列的帧。光纤通道拥有一系列领先的存储机制，例如自动寻址、设备发现、光纤架构和状态变更通知等，这些机制为主机（服务器）和目标设备（存储系统）之间的交换处理提供了便利。

光纤通道也为高可靠和高可用性架构引进了一系列更高层的服务。光纤路由协议、基于策略的路由、基于硬件的中继、虚拟光纤网络、光纤网络安全以及故障隔离等服务都成为了实现稳定传输的基础。针对存储虚拟化和数据保护所提供的，基于光纤网络的应用服务也进一步促进了存储管理的简化及自动化。光纤通道标准和符合标准的产品均针对存储数据进行了优化，最大程度上提高了数据的性能和可用性。

因此，基于光纤通道的SAN为全球主要的企业和学院提供着强大的技术支持。

最近业内发布了一项新的光纤通道标准，以实现在以太网上运行光纤通道协议。这项名为FCoE（Fibre Channel over Ethernet ）协议希望能在现有光纤通道的成功基础上，借助于以太网的力量重新保持自身在数据中心存储局域网中的霸主地位。一些业内分析人士表示，FCoE是光纤通道厂商与iSCSI阵营进行竞争的新尝试。毕竟iSCSI也是通过以太网传输数据存储块。

然而当我们拿FCoE与iSCSI做比较时会发现，实际上这两个协议解决是完全不同的问题。iSCSI通过TCP/IP协议在可能产生损耗或阻塞的局域网和宽带网上传送数据存储块。相比之下，FCoE则只是利用了以太网的拓展性，并保留了光纤通道在高可靠性和高效率方面的优势。届时这些优势还将在10G以太网上有更好的体现。我们目前暂且将其称为CEE（Converged Enhanced Ethernet）。

FCoE并不是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。正如图1所示，FCoE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、视频流以及其它数据传输的共用网络。FCoE的目标是在继续保持用户对光纤通道SAN所期望的高性能和功能性的前提下，将存储传输融入以太网架构。FCoE还特别针对刀片服务器平台提供了一种简化接口和布线的方法。

FCoE目前已经正式提交给了管理光纤通道标准的官方组织--美国国家标准委员会（ANSI）T11 委员会进行审批。并且会收录到新的Fibre Channel Backbone Generation 5 （FC-BB-5）规范中。由于FCoE具备了新一代增强形以太网的众多优势，所以这项标准的审批需要与管理以太网技术标准的美国电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）保持密切合作。

早期业内就在以太网存储协议的标准化方面做过很多努力，但限于当时百兆或千兆以太网性能而均未能如愿。例如在2001年，Nishan Systems公司开发了针对局域网或数据中心的mFCP（metro Fibre Channel Protocol）协议以及针对广域应用的Internet光纤通道协议（iFCP）。mFCP 支持在基于以太网的光纤通道上应用UDP和IP协议，但是mFCP中缺少TCP中其它的用于数据包恢复的协议。

mFCP 协议假设以太网基础体系本身的设计已经可以避免网络阻塞，并且具备基本的流量控制机制将丢帧减到最低。如果确实发生了丢帧，mFCP协议将会借助上层的光纤通道协议对适当的帧序列做出重传的回应。除IP路由层之外，mFCP 协议的实际运作与光纤通道Class-3的未确认服务（Unacknowledged Service）相类似。

尽管iFCP 协议被广泛地应用于灾难恢复及其它远程存储应用，但由于10G以太网还在建设之中，所以mFCP无法在1 Gb/s的速率下得很好的效果。但mFCP 的主要优点在于它可以整合以太网和光纤通道SAN，提高光纤通道协议栈的效率。

此外还有一些其它的小众协议试图将存储协议直接与以太网相结合，如AoE协议和HyperSCSI以太网存储协议。但这些技术标准仅限定于低性能存储应用。例如HyperSCSI借助SCSI协议来验证和恢复传输错误，所以在数据中心领域缺乏光纤通道协议的优势。

基于以太网的蜕变

光纤通道和以太网传输都是使用的数据链路层协议（第二协议层）。在OSI七层模型中，第一协议层是传输网络信号的物理媒介，第二协议层是成帧协议（Framing Protocol ），当上层协议处理网络路由和会话管理等更高层级服务时，本层协议会立即作用于下层介质。因为每个附加协议层都会带来更多的协议处理和开销，所以第二协议层是从一个网络节点向另一个网络节点快速传输数据的最为快捷的途径。

光纤通道作为链路层传输协议，最初是专门被设计用来保证数据中心传输通道的高效率。这其中多方面原因的。首先，在千兆或数千兆的速率下，网络需要一个流控机制来避免网络阻塞引起的丢帧问题。光纤通道借助Buffer-to-buffer Credit解决了流控制问题。一端设备只有当接收方的缓冲区已清空并且发出接收准备信号（（R_RDY））后才能发送附加帧。其次，光纤通道结构从本质上来说是一个独立的子网，专门处理在数据中心内的主机与目标设备之间的数据通讯问题。尽管现在光纤通道有SAN到SAN交流的辅助路由能力，但光纤通道路由使用的是网络地址转换协议 （Network Address Translation，NAT），而不是上面第三层的路由协议。

光纤通道技术在这几年时间中，发展出了很多更适用于存储需求的更高层功能。例如，基于每台光纤通道交换机都配备的简单域名服务（Simple Name Service，SNS），就为发起者寻找目标资源提供了设备发现机制。基于端口或WWN（World Wide Name）的分区实现了不同存储单位间的彼此隔离，防止未授权服务器与特定存储资产之间通信。

注册状态变化通告（Registered state change notifications，RSCNs）提供了一种将服务器与存储网络中存储系统相链接的方式。通信重路由（Fabric Shortest Path First ，FSPF）协议可在多台交换机架构下建立最佳的路径。并允许多在多台交换机之间进行多重连接，以提高带宽。具备故障隔离的光纤路由实现了各个独立SAN间的资源共享。虚拟光纤网络技术可以使不同部门或应用程序之间共享一个公共的SAN，而相互不受影响与限制。

为了保持此前光纤通道所具备的传输优势和以存储为中心的特征，FCoE需要对传统的以太网和相应的控制器进行重大的改进，以提供设备发现、通知（Notification）、安全和其他高级存储服务。如果以太网可以满足数据中心的苛刻要求的话，那么通过以太网封装光纤通道帧的FCoE协议就完全能够成为终端到终端传输（FCoE发起者与FCoE目标直接通信）或网关应用（FCoE发起者通过网关与光纤通道目标设备通信）最简单直接的解决方法。但是为了使用户实施成为可行，那些光纤通道上的高级服务必须得到保留。

防止丢包

FCoE发展过程中所遇到的第一个挑战是将通过本地光纤通道的Buffer-to-buffer Credits特性所实现的流控制机制得以延续。虽然以太网交换机没有相对应的缓冲到缓冲机制，但以太网标准可以通过支持MAC控制帧来调节流入的信息量。IEEE 802.3x 流量控制标准是基于暂停帧流量控制技术的。这个技术会使得发送者后面的传输内容延迟一段特定的时间再发送，如果接收设备在这段时间过去之前清除缓冲，那么它会重新发送暂停帧，同时将终止时间归零。这使发送者可以重新传送直至接收到另一个暂停帧。

因为FCoE机制必须支持存储数据的读写，所以所有网络存储路径下的终端设备和以太网交换机必须支持双向IEEE 802.3x流控制。尽管这样的效果可能不如Buffer-to-buffer Credits机制那么理想，但是IEEE 802.3x暂停帧可以提供对应的功能性，来调节存储流量并防止阻塞和缓冲区溢出引起的丢帧。

IEEE中的IEEE 802.3ar阻塞管理研究小组和IEEE 802.1au阻塞通知研究小组负责以太网阻塞问题的研究工作。特别是对于存储事务来说，这有助于增强流控机制的服务层级质量，使得最关键的任务的数据流在可能发生阻塞的情况下获得最高优先权。