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FCoE – Was es ist und was es bringt


FCoE legt fest, wie man Fiber Channel-Daten verlustfrei über einen sogenanntes "Lossless Ethernet" transportieren kann
Technisch wurde Ethernet für ganz andere Anforderungen entwickelt, die mit den Anforderungen von Fiber Channel nicht mithalten können


Fachbeitrag

Brocade
Brocade Schwerpunkt-Sponsor

Von Marco DeLuca, Principal Solution Architect, EMEA bei Brocade

(30.11.09) - Es ist nicht zu übersehen, dass die Konsolidierungswelle rollt und stark wächst. Durch die Verbreitung von Virtualisierungslösungen getrieben, wird seit geraumer Zeit (genauer gesagt seit Ende 2007) auch an einer Lösung zur Konsolidierung von I/Os gearbeitet. Der Heilsbringer heißt hier "Fibre Channel over Ethernet", kurz FCoE.

Einer der wichtigsten Aspekte dieser Technologie ist, dass hier Fiber Channel (FC) und Ethernet zusammen treffen und eine neue konvergierte Technologie entsteht die es ermöglicht, sowohl Fiber Channel-Daten wie auch IP Daten über diesen Transportmechanismus zu übertragen. Dies bringt viele Vor- aber auch Nachteile. Aber fangen wir erst mal vorne an.

Fiber Channel ist heute ein akzeptiertes und weit verbreitetes Protokoll zum Transport von SCSI-Daten und Befehlen zwischen Servern und Speichersystemen. FC wurde für diese Aufgabe entwickelt und bringt dementsprechend spezielle Mechanismen hierfür mit. Fiber Channel ist z. B. verbindungsorientiert, und Sender und Empfänger bauen eine permanente Verbindung zueinander auf und auch wieder ab, wenn diese nicht mehr benötigt wird.

Des Weiteren hat man einen Mechanismus, genannt "Buffer-to-Buffer Credits", eingebaut der es erlaubt, verlustfrei FC-Frames zu übertragen. Hierbei werden Puffer z. B. an den FC-Switchports benutzt, um Daten zu cachen, bevor sie ausgeliefert werden. Sind die Puffer voll, wird dementsprechend eine Message an den Sender geschickt und es werden keine weiteren Frames mehr verschickt, bis wieder Puffer zur Verfügung stehen. Ein Verlust von Frames wäre im FC Umfeld ein großes Problem und würde schnell zu einem Server-Ausfall führen oder den Absturz einer wichtigen Applikation verursachen.

Auf der anderen Seite haben wir Ethernet und die darauf aufsetzenden Protokolle. Ethernet ist ca. 30 Jahre alt und wurde ursprünglich zur Vernetzung von Ressourcen wie Rechner und Drucker entwickelt. Es musste günstig sein und ein Ausfall hatte keine massiven Folgen auf die unternehmensweite IT.

Technisch wurde Ethernet für ganz andere Anforderungen entwickelt, die mit den Anforderungen von Fiber Channel nicht mithalten können. Ethernet wurde auf Basis einer sog. Collision Domain realisiert, an die verschiedene Resources mittels eindeutiger MAC-Adresse angeschlossen wurden. Alle Stationen im Netz waren mehr oder weniger gleichberechtigt und konnten alle Datenpakete empfangen. Anhand der MAC-Adresse war jede Station in der Lage, die an Ihre Adresse gesendeten Daten heraus zu filtern.

Wie man nun aus beiden kurzen Erläuterungen oben bemerkt, treffen hier quasi zwei Welten aufeinander. Fiber Channel als sehr zuverlässiges Transportmittel, das als verlustfrei gilt, und auf der anderen Seite Ethernet, welches keine Probleme mit dem Verlust oder der Auslieferung von Paketen außerhalb der Sendereihenfolge hat.

Bild 1 zeigt die unterschiedlichen Schichten von Ethernet und Fiber Channel, Bild: Brocade


Damit man nun Fiber Channel-Pakete über ein Ethernet Transport verschicken kann, haben sich verschiedene Hersteller von Speicherlösungen und Netzwerkkomponenten zusammengesetzt und einen Vorschlag zum FCoE-Standart entwickelt, der beim INCITS (ANSI) T11 Komitee eingereicht wurde, welches auch den FC Standart entwickelt hat.

FCoE legt fest, wie man Fiber Channel-Daten verlustfrei über einen sogenanntes "Lossless Ethernet" transportieren kann und besteht aus zwei Protokollen. Einmal das Protokoll zum Transport der Daten, FCoE genannt, und zweitens das Protokoll zur Kontrolle der FCoE-Verbindungen, FIP (FCoE Initialisation Protocol) genannt. FIP kümmert sich zum Beispiel um das Login und Logout von Geräten in einem FCoE-Netzwerk.

FCoE verpackt den FC-Frame in einen Ethernet Header und verschickt diesen dann über Ethernet, wobei nun aber kein sog. Legacy Ethernet (traditionelles Ethernet) mehr zum Einsatz kommt, sondern eine verbesserte Variante, genannt Converged Enhanced Etherent (CEE), bzw. Data Center Ethernet (DCE).

Bild 2 – Legacy Ethernet wird zum Converged Enhanced Ethernet, Bild: Brocade


Wie in Bild 2 zu erkennen, wird zwischen den FC-Services-Schichten ein Enkapsulierung (FCoE) eingefügt und die Transportschichten auf Layer 1 und 2 FC-tauglich gemacht in dem man "normales" Ethernet verbessert zum Converged Enhanced Ethernet.

Der FCoE-Standard wurde im Juni 2009 verabschiedet
Der FCoE-Standard wurde im Juni 2009 verabschiedet Bild 3: Format eines FCoE Frames, Bild: Brocade


Um Ethernet nun verlustfrei arbeiten zu lassen, werden weitere Protokolle benötigt, die von anderen Standardisierungsgremien entwickelt werden. Dazu zählt sowohl das IETF (Internet Engineering Task Force), wie auch das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

IEEE arbeitet an 4 Protokollen die den Datenfluss und deren Prioritäten im Ethernet Transport regeln.
Dazu zählen:
>> 802.1Qbb Priority Flow Control (PFC)
>> 802.1Qaz Enhanced Transmission Selection (ETS)
>> DCBX (Data Center Bridging Exchange Protocol für 802.1Qaz)
>> 802.1Qau Congestion Notification

Da ja zukünftig verschiedene Protokolle über das Converged Enhanced Ethernet fließen sollen muss geregelt werden, welche Prioritäten welches Protokoll bekommt. Dazu verwendet PFC Prioritäten von 0 bis 7, denen verschiedene Protokolle zugeordnet werden können. Diese können anschließend zu Prioritätsgruppen zusammengebunden werden. Jeder Prioritätsgruppe kann eine unterschiedliche Bandbreite zugeordnet werden.

Bild 4: Prioritäten innerhalb von PFC und deren Aufteilung auf Prioritäten Gruppen/Bandbreiten, Bild: Brocade


Neben diesen beiden Protokollen arbeitet IEEE auch an DCBX. Das Data Center Bridging Exchange-Protokoll ist für das "Abstecken" der CEE-Umgebung zuständig. Es überprüft, wo die Grenzen zum normalen 10Gbit Ethernet sind und markiert somit wo FCoE-Daten noch fließen können und wo nur noch IP Daten weitergereicht werden können.

Congestion Notification ist ein weiteres Protokoll, welches innerhalb der CEE-Wolke für das Erkennen von "Verstopfungen" zuständig ist. Speziell hier wird noch am Standard gearbeitet, dieser hat jedoch noch nicht den Status "Implementation agreed". Dies bedeutet,. dass diese Funktionalität noch nicht in die aktuell erhältlichen Produkte integriert ist, da kein Vorschlag für eine Umsetzung vorliegt.

Neben IEEE ist zusätzlich noch die Standard-Organisation IETF für das TRILL (Transport of Information over Lots of Links) Protokoll zuständig. Dieses Protokoll stellt das Multipathing innerhalb einer Ethernet (Lossless)-Wolke sicher und soll in CEE das alte Spanning Tree-Protokoll überflüssig machen.

Zusammengefasst bedeutet das, dass wir zukünftig mit CEE/FCoE zwei wichtige Protokolle wie IP und FC über nur ein Medium, sprich Kabel fahren können. Des Weiteren wird auch nur ein Switch benötigt, der CEE und FCoE unterstützt und somit den Transport beider Protokolle möglich macht. Daraus ergeben sich vielfältige Vorteile in der Verkabelung, Reduzierung der Anzahl benötigter Switches und der Vereinfachung von Administrationsaufgaben und Energiebedarf. Zusätzlich kann auch mit geringeren Kosten gerechnet werden, wenn diese Technologie ein wirtschaftlich akzeptables Preisniveau erreicht hat.

Dagegen steht eine komplexere Technologie, die im Falle von Problemen sicher schwieriger zu beherrschen sein wird. Weiterhin sind FCoE-Switches halb Fibre Channel und halb IP-Switches. Um die Kontrolle dieser Switches wird sicherlich ein politisches Gerangel zwischen den Abteilungen stattfinden.

Es gibt viele weitere Vor- und Nachteile, letztendlich wird der Endanwender entscheiden, ob die Technologie FCoE erfolgreich sein wird oder nicht.

Bis dahin wird allerdings noch einiges an Zeit vergehen, da erst Mitte/Ende 2010 mit der Fertigstellung aller notwendigen Protokoll Standards gerechnet wird und ein produktiver Einsatz in Erwägung gezogen werden kann.

Dementsprechend sollte man sich mit dieser Technologie langsam anfreunden und deren Entwicklung beobachten. Sind aber aktuell Neuanschaffungen notwendig, ist ein kompletter Umstieg auf diese neue Technologie nicht sinnvoll. Sowohl die Kosten wie auch die Zuverlässigkeit aktueller Komponenten sind im Moment noch die bessere Anlage und aktuelle Produkte können maximal als sog. Top Of Rack-Switches zur Anbindung von Rack Servern genutzt werden. Damit wäre man auf zukünftige konvergierte Netzwerke vorbereitet und könnte gleichzeitig schon 10Gbit Ethernet Technologie zur Serveranbindung einsetzen. (Brocade: ra)

Brocade: Kontakt und Steckbrief

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