Первое знакомство

Сетевое соединение vs. шина ввода/вывода

Сначала был компьютер. Первый, он же и единственный. Боже, как это было просто. Все данные хранились где-то глубоко в его недрах, и если их там не было,
то их не было вообще. Потом появились сети, призванные объединить такие компьютеры для совместной работы. На этом эпоха централизованного хранения завершилась, потому что для повышения производительности гораздо удобнее оказалось приблизить ресурсы поближе к рабочим группам. Таким образом, в попытке минимизировать сетевую нагрузку накопители информации были были равномерно разделены между множеством серверов и настольных компьютеров.

В итоге, сейчас мы имеем то, что имеем, и какой бы простой не являлась сеть, в ней одновременно существуют два канала передачи данных. На виду всегда сетевой канал, т. е. собственно сеть, по которой идет обмен между клиентами и серверами. Вместе с тем существует и второй канал, по которому происходит обмен данными между системной шиной компьютера и собственно устройством хранения. Это может быть канал между контроллером и жестким диском, если говорить в терминах ПК, или между RAID-контроллером и внешним дисковым массивом, как в случае сколь-нибудь серьезного сервера.

Такое разделение каналов во многом объясняется различными требованиями к пересылке данных. В сети на первое место встает доставка нужной информации одному клиенту из множества возможных, для чего необходимо создать определенные и весьма сложные механизмы адресации и некий «сетевой этикет» при одновременной работе всех клиентов. В итоге, перед каждой пересылкой по сети приходится выполнять ряд неизбежных процедур в соответствии с объявленными правилами и сознательно мириться с возникающими при этом задержками и снижением пропускной способности сетевого канала. Кроме того, сетевой канал предполагает значительные расстояния, поэтому здесь предпочтительна передача данных по последовательному соединению.

А вот канал хранения выполняет крайне простую задачу, предоставляя возможность обмена с заранее известным накопителем данных. Единственное, что от него требуется — делать это максимально быстро. Расстояния здесь, как правило, небольшие, поэтому производители могут использовать более дорогой кабель для параллельной передачи данных.

Если звезды зажигаются…

В последнее время в воздухе снова витает идея централизации. Или же, если угодно, то ее можно назвать концепцией истинно разделяемых ресурсов, где накопители не принадлежат никому конкретно, а могут напрямую использоваться любым другим ресурсом сети. Актуальность централизации во многом определяется осознанием все увеличивающейся роли хранения данных в современной вычислительной среде. Разве не заманчиво иметь возможность двигать устройства хранения в сети, как шахматные фигуры, и не привязывать их жестко к шинам ввода-вывода отдельных компьютеров?

Предполагается, что такая схема улучшит производительность и масштабируемость вычислительной среды вместе с более легким администрированием, а также повысит доступность данных. В итоге, мы вправе ожидать существенного снижения стоимости владения данным ресурсом, что справедливо ставится во главу угла финансовыми службами.

Очевидно, что всего этого можно добиться, если интегрировать накопители в сеть наряду с серверами, клиентскими машинами и прочими принтерами, т. е. использовать для этого существующий сетевой канал. К сожалению, после такого шага сеть просто впадет в кому, подавая лишь слабые признаки жизни. Конечно, если бы мы до сих пор использовали MS-DOS или все разом перешли на Linux, то с ними сетевой канал еще бы справлялся, но ведь по совершенно необъяснимым причинам пользователи предпочитают монстров типа Windows NT, да еще и пытаются передавать по этому же каналу потоковое видео.

В то же время существующему каналу хранения такие нагрузки по зубам, но вряд-ли в нынешнем виде он подходит для реализации истинно разделяемых ресурсов. Если обратиться к физической реализации такого канала, то самым сильным игроком здесь был и остается старый добрый параллельный SCSI, но при всей нашей любви к нему необходимо признать существенные ограничения на допустимую длину физической линии. Дело в том, что волновые характеристики отдельных проводников слегка отличаются, поэтому при передаче на большие расстояния возникает дифференциальная задержка в виде неодновременного прихода импульсов по разным сигнальным парам. В итоге получаем не более 25 метров даже при использовании дифференциального интерфейса HVD. Кроме того, передача по параллельному кабелю влечет за собой дополнительные расходы вследствие большей сложности монтажных работ, а также высокой стоимости используемых кабелей и коннекторов.

Fibre channel — хорошо забытое старое

Исходя из присущих параллельному соединению ограничений, сама идея использовать последовательную линию для канала хранения выглядит не такой уж и безумной, как это могло показаться с первого раза. Совершенно не зря говорят, что технический прогресс развивается по спирали. Если заглянуть в мир mainframe, то там практически с самого начала живет разработанный IBM стандарт последовательной передачи под названием ESCON (Enterprise Systems Connection) с использованием запатентованной IBM кодировки 8b/10b.

Когда в 1988 году ANSI (Американский Национальный Институт по Стандартизации) зарегистрировал рабочую группу по разработке «практичного, недорогого и вместе с тем расширяемого метода для высокоскоростного обмена данными между ЭВМ, суперкомпьютерами, рабочими станциями, персональными компьютерами, накопителями и устройствами отображения», мало кто из сторонних наблюдателей верил в успех, слишком уж глобальна и вызывающе звучала постановка задачи. Возможно, именно из-за такой недооценки потенциального соперника IBM с легкостью выдала лицензию на кодировку 8b/10b без отчислений владельцу (royalty-free license).

К тому времени парадигма Network (сетевое соединение) — Channel (шина ввода/вывода) была уже столь очевидна, что новый метод было решено назвать Fiber Channel. Через некоторое время разработчики спохватились, что английское слово Fiber слишком уж сильно ассоциируется с оптоволоконными линиями, поэтому оно было заменено на французскую (или британскую) транскрипцию Fibre. Учитывая, что основной топологией этого метода была избрана петля с арбитражным доступом (Arbitrated Loop), то его полное название составило Fibre Channel Arbitrated Loop или FC-AL.

Самое смешное, что после некоторых раздумий корпорация IBM тоже бросилась вдогонку, разработав свой собственный метод последовательной передачи под названием SSA (Serial Storage Architecture). Видимо, хотели сделать собственный закрытый стандарт, но получилось, как с микроканальной шиной MCA — основная масса разработчиков и производителей предпочла открытую архитектуру.

При всем богатстве выбора…

Таким образом, в настоящее время канал хранения может быть построен на основе нескольких интерфейсов передачи данных, три из которых описаны в стандарте на архитектуру SCSI-3. На верхнем (программном) уровне они используют один и тот же метод общего доступа (Common Access Method — CAM) и отличаются лишь на уровне реализации архитектурной модели (SCSI Architecture Model - SAM). То, что мы до сих пор столь привычно называем SCSI, по-прежнему использует параллельную архитектуру передачи SPI (SCSI Parallel Interface) и имеет коммерческое название UltraSCSI или Ultra2 при использовании архитектурной модели SPI-2. Кроме параллельного SPI, в стандарте SCSI-3 описаны еще и два последовательных интерфейса — Fibre Channel и SSA, отличающиеся лишь реализациями архитектурных моделей. Не стоит также забывать про старые добрые ESCON для мэйнфреймов и HIPPI (High Performance Parallel Interface), первоначально разработанный для суперкомпьютеров Cray.

Как видно из приведенной таблицы, по сумме вышеперечисленных характеристик FC-AL выглядит явным фаворитом. Правда, справедливости ради стоит отметить новый HiPPI-800, который, несмотря на свое название High Performance Parallel Interface, также использует последовательную передачу данных и имеет во многом сходные характеристики канала (до 10 км, полудуплекс при эффективной полосе пропускания 80 Mbytes/s).

Мы совершенно сознательно не считаем разработанную IBM технологию SSA сколь-нибудь серьезным соперником технологии FC-AL. Не станем пока вдаваться в технические детали, о которых вдоволь поговорим позже, а сфокусируемся лишь на маркетинговых вопросах. В свое время инициатива IBM была поддержана очень небольшим количеством независимых производителей, и только несколько из них сумели продвинуться дальше стадии разработки. А потом начались потери. Компания Conner, выпустившая на рынок жесткие диски SSA, была приобретена компанией Seagate, являвшейся уже к тому времени членом FCLC (Fiber Channel Loop Community). В итоге — ни Коннера, ни дисков.

На данный момент жесткие диски SSA можно приобрести только у IBM и Xyratex, которая сама базируется на бывшем заводе IBM. Долгое время из IBM исходили слухи о скором выпуске RAID-контроллера SSA, макет которого возили по компьютерным выставкам и демонстрировали всем желающим. А потом возить перестали, объявив о продаже прав на продукт компании Adaptec. Через некоторое время Adaptec перешел под знамена FCLC и блистательно похоронил наши надежды. Поэтому сейчас нам в очередной раз искренне жаль всех пользователей SSA, которые остались сиротами после объявления IBM о начале разработки нового стандарта FC-EL (Fiber Channel Enhanced Loop). Интересно, а сколько раз нужно наступить на грабли, чтобы выработать устойчивый рефлекс, как у собаки Павлова?

Первое знакомство

На момент выхода данной статьи Fibre Channel может быть описан как технология интерфейса передачи данных с гарантированной скоростью 1.0625 Gbit/s, поддерживающая такие распространенные способы обмена, как SCSI или IP. Благодаря такой универсальности, FC-AL может использоваться как в высокоскоростных шинах ввода/вывода (канал хранения), так и в LAN (сетевой канал) с максимальной длиной физической линии до 10 километров при использовании оптоволокна. К другим очевидным достоинствам Fibre Channel можно отнести поддержку различных топологий (точка-точка, петля с арбитражным доступом и коммутируемая звезда).

В основу технологии положена методика простого перемещения данных из буфера передатчика в буфер приемника с полным контролем этой и только этой операции. Благодаря такому «разграничению прав и обязанностей» для FC-AL совершенно неважно, как обрабатываются данные индивидуальными протоколами до и после помещения в буфер, вследствие чего тип передаваемых данных (команды, пакеты или кадры) не играет никакой роли.

И чтобы совсем приблизиться к идеалу, собственный размер кадра в FC-AL увеличен до 2148 байт для эффективной работы с большими массивами. В то же время, для уменьшения накладных расходов при передаче коротких сообщений размер кадра может пропорционально уменьшаться вплоть до 36 байт.

Таким образом, технология Fibre Channel может смело претендовать на роль универсальной Магистрали, пропускающей потоки данных как существующих шин ввода/вывода, так и LAN соединений.

Во избежание возможных недоразумений сразу оговоримся, что мы не предлагаем всем дружно отказаться от IDE, SCSI, Ethernet или FDDI. Совсем нет, это было бы так же глупо, как и призывы некоторых производителей тянуть ATM к каждому рабочему месту.

Совершенно очевидно, что технологическое превосходство того или иного стандарта само по себе не может служить достаточным основанием для отказа от уже используемых решений. Иначе кто бы сейчас в здравом уме покупал IDE диски, когда есть существенно более продвинутые SCSI? Но зачем платить лишние деньги за конвейерную обработку, если на компьютере не установлена многозадачная и многопотоковая ОС? И даже если установлена, то так ли часто большинству из нас приходится пользоваться этими возможностями? С другой стороны, нам неизвестны примеры успешного использования IDE дисков для аппаратного обеспечения посещаемых Интернет-ресурсов.

Примерно то же самое можно сказать и применительно к технологии Fibre Channel. Вряд ли на сегодняшний день есть большой смысл в ее применении на домашнем ПК или даже на рабочем месте в офисе. А вот объединить  ресурсы серверов и накопителей в единый пул для центра обработки информации с помощью Fibre Channel можно гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного набора Gigabit Ethernet + Ultra2 SCSI.

И при этом даже останется немного денег, чтобы после праведных трудов отдохнуть, ни в чем себе не отказывая :-)