Update: Fibre-Channel over Ethernet (FCoE)

Neben Fibre-Channel und iSCSI hält das FCoE-Protokoll nun Einzug ins Speichernetzwerk. Der im Juni 2009 teilweise verabschiedete Standard soll die Vernetzung und den Datentransfer innerhalb der Speichernetze noch weiter vereinfachen.

Mit Fibre-Channel over Ethernet (FCoE) soll eine weitere Technologie auf den Markt kommen, die ihren Einsatz im SAN findet. Neben dem iSCSI-Protokoll ist auch dies als Ergänzung zu dominierenden Fibre-Channel-Lösungen zu sehen. Die Einführung des Standards soll Netzwerke weiter konsolidieren, die Verwaltung vereinfachen und Kosten sparen.

Technische Basis

FCoE wurde vom American National Standard Institute (ANSI) vorgestellt und durch die Arbeitsgruppe FC-BB-5 der T11 entwickelt. Es transportiert FC-Pakete über Ethernet-Netzwerke und erlaubt damit die Nutzung von Standard-Netzwerken unter Beibehaltung des FC-Protokolls. Die FC-Frames laufen also über das IEEE-802.3-Netzwerk. Dabei wird der so genannte Link-Layer (Layer 2) genutzt, auf dem auch der Ethernet-Datenverkehr erfolgt. Hier entsteht der geringste Overhead und somit der schnellste Transport der Informationen. FCoE ist bereits auf die robustere 10-Gbit/s-Technologie ausgelegt, das Data-Center-Ethernet, kurz DCE. Dieses ist deterministisch und erlaubt verlustfreien Frame-Transport, was wiederum in optimiertem Traffic-Management resultiert. Ebenso lässt sich die Netzwerkverfügbarkeit mittels redundanter Pfade und Failover-Konfigurationen verbessern. DCE soll rückwärts kompatibel zu älteren Ethernet-Versionen sein.

FCoE benötigt drei Erweiterungen, um FC-Pakete über Ethernet transportieren zu können: die Einfassung nativer FC-Pakete in Ethernet-Pakete; Erweiterungen des Ethernet-Protokolls selbst, um den Verlust von Paketen durch Kollisionen zu verhindern und die Abbildung von FC N-Port-IDs (FCIDs) auf die MAC-Adressen von Ethernet-Ports.

Um an FCoE-Netzen teilzunehmen, benötigen Rechner Converged-Network-Adapter (CNAs), die sowohl Funktionalitäten eines Ethernet- als auch eines FC-Adapters enthalten. CNAs sorgen für eine Entlastung der CPU des Rechners, indem sie die Verarbeitung der Ethernet-Pakete selbst vornehmen. Sie ersetzen den FC-HBA sowie den traditionellen Ethernet-NIC, stellen sich aber in Richtung Netzwerk physikalisch als Ethernet-Adapter dar. Beim Management sieht man zwei virtuelle Schnittstellen (FC und Ethernet), die vom Server auch – wie bisher – getrennt behandelt werden. Durch diese Zusammenfassung kann die Netzstruktur im RZ signifikant vereinfacht werden. Sie kann aber auch anfälliger werden, was bei getrennten Netzen nicht so leicht der Fall wäre.

Mit FCoE lässt sich die Verkabelung in Rechenzentren deutlich reduzieren. IP- und SAN-Datentransport kann über dieselbe Infrastruktur erfolgen. Durch den Einsatz von CNAs kann die Anzahl an Netzwerk- und Host-Bus-Adaptern nachhaltig verringert werden. Das resultiert wiederum in einer Halbierung der Kabelanzahl sowie einer Senkung der Strom- und Klimakosten.

Auch die Leistung eines FCoE-Netzwerks hängt von der Bandbreite der Ethernet-Verbindungen ab, also 1 oder 10 Gbit/s (128 MByte bzw. 1,28 GByte/s). Nach Abzug des Protokoll-Overheads, der durch Wegfall der TCP/IP-Schichten wesentlich kleiner ausfällt als bei iSCSI, stehen noch 110 MByte oder 1,1 GByte/s zur Verfügung.

Frames

Herkömmliche Ethernet-Frames sind bis zu 1.518 Bytes, FC-Frames 2.112 Bytes lang, bei FC 28 Bytes. Deshalb werden die Ethernet-Frames bis zur minimalen Größe von 64 Byte aufgefüllt. Das Verpacken von FC in Ethernet erfordert eine Segmentierung der Frames beim Absender-System und eine Zusammenführung der Frames am adressierten Rechner. Dies würde einen hohen Overhead erzeugen, der die Vorteile von FCoE zunichte macht. Dafür nutzt FCoE so genannte Jumbo-Frames mit einer Länge von 9.216 Bytes. Somit lässt sich ein FC-Frame in ein Ethernet-Jumbo-Frame einkapseln. Die Daten für einen Redundanz-Check werden nicht eingekapselt, da das Ethernet-Protokoll über einen Frame-Check verfügt. Der Jumbo-Frame kann in seiner Größe variieren. Zurzeit stehen zwei Kapselungsmethoden zur Auswahl: »ProbB« von Brocade, HP und IBM und auf der anderen Seite »ProbC« von Cisco und weiteren, wobei die zweite Methode 15 Byte in der Paketgröße einspart.

FCoE kapselt genau einen FC-Frame und eine geringe Prüfsumme in einen Ethernet-Frame. Die FC-Frames werden nicht auf mehrere Ethernet-Frames fragmentiert. Auch mehrere kleinere FC-Frames werden nicht in einen Ethernet-Frame konsolidiert. Damit sind FCoE-Frames native Layer-2-Ethernet-Frames mit der charakteristischen Ethertype-Kennung »FCoE«. Der Overhead entfällt durch die Übermittlung, ohne dabei die Daten der höheren Protokollschichten zu versenden. FCoE nutzt Erweiterungen zur Vermeidung von Frame-Verlusten, hat FC-ähnliche Latenzzeiten und priorisiert FC-Daten gegenüber Nicht-FC-Daten.

Für die Zugriffskontrolle (ACL) lassen sich die MAC-Adressen verwenden. Bei lokal zugewiesenen MAC-Adressen entspräche dies dem Zoning-Konzept von FC.

Vorteile von FCoE

Anwender hätten mit FCoE neue Wahlmöglichkeiten für eine übergreifende Server-Konnektivität im Rechenzentrum und könnten damit die existierende Server-Konnektivität und Protokolle ergänzen. Das hat langfristig niedrigere Betriebskosten zur Folge. Die IT-Verantwortlichen können damit auch wählen, ob sie separate logische Netzwerke für Speicher und LANs aufrecht erhalten wollen oder eben eine Zusammenführung von Speichernetzwerk, LAN-Daten, Voice-over-IP, Videostreams und anderen Informationen innerhalb eines Netzwerks umsetzen wollen. Die Entwickler planen, mit FCoE die Zuverlässigkeit und Effizienz des FC-Protokolls über Ethernet in eine umfassendere Infrastruktur zu portieren. Die Leistung und Funktionalität soll in einem solchen Netzwerk dem eines reinen FC-Umfelds gleichen, gleichzeitig Kosten sparen, einfacher zu integrieren sein und bessere Verwaltung erlauben. Besonders für Blade-Server-Umgebungen hat das positive Effekte, da Schnittstellen und Verkabelung auf Server-Seite simpel bleiben, selbst wenn Zielsysteme innerhalb eines SAN angesprochen werden müssen.

Die FCoE-Verwaltung ist mit dem Modell konsistent, das in FC-SANs gebräuchlich ist. FCoE liefert allerdings die Möglichkeit einer integrierten Rechenzentrums-Fabric, die die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Latenz und Leistung für Speicher- und generelle Rechenzentrums-Konnektivität erfüllen soll.

Durch die Nutzung der bestehenden und bewährten Ethernet-Technologie kommt das Protokoll mit nur einem Leistungstyp aus. Im Vergleich mit den reinen Datennetzen Hyper-SCSI, iSCSI, und Infiniband könnte sich eine integrierte Nutzung von reinen Datennetzen und herkömmlichem Netzwerkverkehr ergeben. Zudem wäre eine bessere Kühlung im Rack möglich, da weniger Leistungsaufnahme erfolgt. Darüber hinaus entstünde ein hoher Investitionsschutz, da nicht nur Ethernet-Komponenten, sondern auch FC-Geräte weiterhin in einem Netzwerk nutzbar sind. Die 10-Gbit-Ethernet-Technik verhindert außerdem ungewollte Beschränkungen der Geschwindigkeit.

Zusammenwachsen von FC- und Ethernet-Netzen

Hersteller wollen demnächst HBAs bzw. Chips offerieren, die FC- und Ethernet-Datenströme kombinieren. FCoE zielt auf eine Konvergenz der beiden Datennetze ab. Um allerdings echte Konvergenz herzustellen, ist ein weiteres Unterprotokoll namens FCoCEE (FC over Convergence Enhanced Ethernet) notwendig, das korrigierend im Ethernet eingreift, um mehrere Traffic-Klassen und Prioritäten nebeneinander zu ermöglichen. Bestehende SAN-Funktionen wie Zoning, Multipathing oder Adressierung als World-Wide-Name bleiben erhalten.

Dadurch dass bei FCoE die ursprünglichen FC-Strukturen und höheren FC-Layer erhalten bleiben, ist eine reibungslose Integration mit vorhandenem Fibre-Channel-Equipment und entsprechender Management-Software möglich.

Des Weiteren kann IP- und FCoE-Verkehr parallel und quasi unabhängig voneinander über Ethernet transportiert werden. Dies steht im Gegensatz zu anderen, ethernetbasierenden Speichernetzprotokollen, wie iSCSI, Fibre-Channel over Internet Protocol (FCIP) oder das Internet Fibre Channel Protocol (iFCP), welche alle auf IP aufsetzen und TCP zur Transportkontrolle benötigen.

Eine Verschmelzung der Netzwerke erfordert auch eine grundsätzliche FCoE-Tauglichkeit sämtlicher Komponenten. Darüber hinaus stellt sich die Frage, wie sinnvoll es ist, die beiden wichtigsten Protokolle im Rechenzentrum auf eine Infrastruktur zu migrieren. Getrennte Netzwerke können sich trotz höherer Kosten als sicherer erweisen, wenn es zu Netzwerkproblemen kommt. Fällt zum Beispiel ein lokales Netzwerk (LAN) aus, ist die Integrität des SAN nur minimal beeinflusst. Gäbe es ein ethernetbasierendes Gesamtnetz für SAN- und LAN-Daten, könnte ein solcher Ausfall weitreichende Folgen für wichtige Prozessabläufe, Service-Vereinbarungen und wichtige Informationen haben.