چگونگی کارکرد و فناوری Fibre Channel

[MAHDIAR]

:چگونگی کارکرد و فناوری

در بحث حافظه های SAN یا Storage Area Networks ، فناوری Fibre Channel از زیر ساخت های بنیادین است. فناوری FC از نگاه سرعت و بازدهی، طول ارتباط و کاربردهای چندگانه، تقریباً بی رقیب است.

FC یک فناوری سریال برای انتقال داده ها با سرعت بالاست که هم به عنوان زیرساخت شبکه و هم برای حافظه های شبکه ای به کار می رود. Fibre Channel یک استاندارد باز است که از سوی ANSI و OSI پایه گذاری شده و از همه پروتکل های مهم لایه های بالاتر مانند IP ، ATM ، IEEE P02 ، HIPPI ، SCSI و ... پشتیبانی می کند. این به آن معنی است که FC خودش هیچ فرمان ویژه ای ندارد و تنها عمل انتقال داده ها را میان دستگاه های FC انجام می دهد. Fibre Channel به رسانه های اپتیکی (فیبر نوری) محدود نیست و می توان آن را روی کابل های مسی زوج تابیده (Twisted Pair) یا حتی محور مشترک (Coaxial) نیز به کار انداخت. FC بسیار سریع است و از همین رو از بهترین گزینه ها برای کار با داده های حجیم است. از این گذشته، با پشتیبانی خوب از توپولوژی های گوناگون، بسیار انعطاف پذیر و مقیاس پذیر است. از آنجا که انتقال داده در FC سریالی است و نیازی به termination ندارد، نصب آن هم ساده است. عمل اختصاص ID در آن به طور خودکار انجام می گیرد. افزون بر این ، ترکیب FC با دیگر سیستم ها بسیار ساده است و با اطمینان بالایی کار می کند ، چون از همه پروتکل های مهم پشتیبانی کرده و در درون خود الگوریتم های لازم برای کشف و تصحیح خطا را دارد. یکی از بزرگترین برتری های FC کاربردهای چندگانه آن است. FC را می توان برای ارتباط دو دستگاه ساده گرفته تا شبکه های پیچیده با 16 میلیون عضو به کار برد.



ارتباط نقطه به نقطه

در چارچوب استاندارد Fibre Channel چندین توپولوژی و شیوه ارتباط پیش بینی شده که ارتباط نقطه به نقطه یکی از آنهاست. ارتباط نقطه به نقطه ساده ترین ارتباط میان دو دستگاه FC مانند دو کامپیوتر سرویس دهنده یا یک کامپیوتر سرویس دهنده و یک مجموعه سخت دیسک است. دستگاه های FC مانند کنترل کننده FC را node می نامند. Nodeها هر کدام یک یا چند N_Port دارند که رابط های اصلی FC هستند. هر N_Port هم یک فرستنده(Transmitter) و یک گیرنده (Receiver) دارد. فرستنده ها و گیرنده های یک ارتباط میان دو دستگاه به صورت ضربدری به هم وصل می شوند. همانگونه که گفتیم این ارتباط می تواند بر پایه کابل های مسی یا فیبرهای نوری باشد.

سرعت کنونی ارتباط های FC در حالت نقطه به نقطه ، 8 گیگابیت بر ثانیه است.



توپولوژی Arbitrated Loop

در توپولوژی Arbitrated Loop یا حلقه داوری شده می توان تا 127 دستگاه را در یک حلقه به هم متصل کرد. در این حلقه، داده ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می شوند. پورت ها در یک Arbitrated Loop ، NL_Port نامیده می شوند. در این پیکربندی می توانند دو پورت در یک لحظه فعال باشند. بقیه پورت ها هم در حالت تکرار کننده(repeater) کار می کنند و تنها سیگنال هایی که دريافت می کنند را از خود عبور می دهند. این به آن معنی است که پهنای باند 8 گیگابایتی میان همه اعضای حلقه تقسیم می شود. هر عضو حلقه در اینجا مانند توپولوژی Token Ring ، همه پیغام ها را می بیند و اگر آن پیغام به خودش مربوط نباشد ، آن را به عضوهای بعدی می دهد. Arbitrated Loop در FC زیر مجموعه ای از Switched Fabric است.



توپولوژی Switched Fabric

Switched Fabric یک توپولوژی شبکه ای است که در آن ، دستگاه های FC از طریق F_Port یا FL_Port به شبکه متصل می شوند. ارتباط میان تک تک پورت ها مانند یک سیستم تلفنی ، از طریق شبکه برقرار می شود. دستگاه FC هم به وسیله F_Port یا FL_Port به Switched Fabric وصل می شود. اکنون برای نمونه اگر دستگاه A بخواهد با دستگاه B گفتگو کند از آدرس مربوط به Switched Fabric استفاده می شود. Switched Fabric ارتباط لازم را از مبداء تا مقصد ایجاد می کند ، در حالیکه هیچکدام از آن ها نمی دانند ، سیگنال ها از کدام راه حرکت می کنند، چون این فقط به شبکه مربوط می شود. همانند یک شبکه تلفنی ، در این شبکه هم ارتباط های گوناگونی مانند نقطه به نقطه، حلقه ، هاب و سوئیچ وجود دارد. برای آدرس دهی از 24 بیت استفاده می شود که Arbitrated Loop تنها 8 بیت آن را نیاز دارد و در نتیجه می توان بیش از 16 میلیون دستگاه را در این شبکه آدرس دهی کرد.

موضوع این مقاله به کاربردهای Fibre Channel در حافظه های پرسرعت محدود می شود. از آنجا که در این دامنه از کاربردها، شمار محدودی از دستگاه ها به هم وصل می شوند ، یعنی یک کنترل کننده و چندین سخت دیسک ، از توپولوژی Arbitrated Loop استفاده می شود. از همین رو ما هم در ادامه روی همین توپولوژی تمرکز خواهیم کرد.Fibre Channel

[MAHDIAR]

دسته بندی سرویس ها در فناوری FC

در توپولوژی هایی که تا اینجا شرح دادیم کاربر می تواند ارتباط های گوناگونی برقرار کند که در قالب کلاس های سرویس ها دسته بندی می شوند. در FC پنج کلاس برای سرویس ها وجود دارد که عبارتند از :


کلاس سرویس
شرح

1
Connection Oriented

2
Connectionless with acknowledge

3
Connectionless without acknowledge

4
Parallel transfer

5
Parallel and isochron




کلاس 1، یک ارتباط اختصاصی (dedicated) میان فرستنده و گیرنده را بیان می کند و در آن، همه Packetها را گیرنده ، دریافت می کند. هنگامی که این ارتباط برقرارست، هیچ دستگاهی دیگر نمی تواند با دستگاه های دو طرف گفتگو ، تماس برقرار کند.

کلاس 2 یک روش Connectionless با تائید انتقال داده هاست. این به آن معنی است که راه Packetهای داده، معین نیست و پهنای باند موجود می تواند میان چند دستگاه تقسیم شود.

کلاس 3 مانند کلاس 2 و البته بدون تائید انتقال داده هاست. این ارتباط معمولاً میان سیستم های حافظه جانبی به کار می رود. به دلیل امکان به اشتراک گذاشتن پهنای باند، چند دستگاه FC می تواند به طور موازی با یکدیگر گفتگو کنند. برای نمونه کنترل کننده RAID می تواند داده ها را پشت سر هم و بسرعت بدون نیاز به انتظار برای دریافت پاسخ Packetهای فرستاده شده، به چند سخت دیسک ، بفرستند. از آنجائیکه تائید دريافت داده توسط پروتکل SCSI در لایه بالاتر انجام می گیرد، در لایه FC نیازی به مکانیزم تائيد داده ها نیست.

در کلاس 4 ، Packet ها میان فرستنده و گیرنده با بهره گیری از چند ارتباط همزمان برای تضمین پهنای باند لازم ، فرستاده می شوند. کلاس 5 هم مانند کلاس 4 همراه با ویژگی های isochron است.



نظریه مدل لایه ای پروتکل

FC از Packetهایی با طول متفاوت(از 0 بایت تا 2048 بایت) پشتیبانی می کند. بنابراین FC از یک رو برای عملیات ورودي / خروجي کم حجم که در بیشتر بانک های اطلاعاتی روی می دهد، گزینه بهینه است و از سوی دیگر FC می تواند به خوبی از عهده انتقال داده های پر حجم مانند برنامه های ویدئویی ، بدون سربار اضافی برآید.

از این رو که Fibre Channel توانایی بسیار خوبی در سازگاری با کابل ها ، توپولوژی ها و حالت های کاری گوناگون دارد ، طراحان ، تعریف استاندارد FC را به پنج لایه تقسیم کرده اند. تعریف اتصال های فیزیکی شامل کابل، پریزها، فرستنده و گیرنده ، در لایه FC-0 گرد آمده است.

لایه FC-1 جریان بیت های داده را با بسامد سیگنال ها تنظیم کرده و جریان رمزگذاری- رمزگشایی 8/10 را کنترل می کند. با این کار وضعیت سیگنال ها متعادل (balance) شده و میزان موج های مثبت و منفی برابر می گردد که نقش زیادی در کاهش خطاهای بیتی دارد. البته این کار ، حجم داده را 25 درصد افزایش می دهد که این هم با بالا بردن بسامد انتقال، پوشش داده می شود. از همین رو ، هنگام اعلام آهنگ انتقال دو عدد اعلام می شود که یکی آهنگ انتقال خالص است که با واحد مگابایت بر ثانیه سنجیده می شود و دیگری که میزان واقعی سیگنال های عبوری را اعلام می کند با مگابیت بر ثانیه بیان می شود.

لایه FC-2 کنترل جریان داده را به عهده دارد. در این لایه تک تک Packetها با آدرس ها ، داده ها و اطلاعات CRC ساخته می شوند. این لایه همچنین تائید انتقال را نیز انجام می دهد.

در لایه FC-3 کارکردهای مشترک گروه های اعضای شبکه تعریف می شود.

پشتیبانی از پروتکل های لایه های بالاتر مانند IP ، IEEE 802 ، HIPPI یا SCSI در لایه FC-4 انجام می گیرد. در این لایه می توان تا 255 پروتکل لایه بالا تعریف کرد که این تعداد، خیال ما را از نیازهای آینده آسوده می کند.



نوسانات زمانی در کابل های موازی

این پرسش در ذهن بسیاری از کاربران نقش می بندد که "چگونه ممکن است یک ارتباط سریالی از مجموعه ای از سیم ها که به طور موازی داده ها را منتقل می کنند ، سریعتر باشد؟" مشکل در روش انتقال موازی آن است که با وجود اینکه همه سیگنال ها به طور همزمان از سوی فرستنده به راه می افتند ، اما به دلیل شرایط محیطی، همزمان به گیرنده نمی رسند. هر چه فاصله فرستنده از گیرنده بیشتر باشد، اختلاف زمانی میان سیگنال ها در سمت گیرنده بیشتر خواهد شد. برای اینکه گیرنده بتواند همه آنها را بدرستی دریافت کرده و در قالب یک واحد داده تفسیر کند ، وضعیت هر یک از سيگنال ها باید برای مدت کوتاهی موجود و در دسترس باشد. برای عملی شدن این کار ، باید زمان ارسال از سوی فرستنده قواعد خاصی را داشته باشد که این ارتباط ها برای حداکثر بسامد ارسال محدودیت هایی به وجود می آورد.

[MAHDIAR]

خراب شدن سیگنال ها در کابل های سریال

برای اینکه گیرنده همه سیگنال ها را يكجا دریافت کند ، در بسامد 10 مگاهرتز طول کابل نباید بیشتر از 3 متر باشد. اگر بخواهیم بسامد را بالاتر ببریم ، ناچار باید از طول کابل کم کنیم تا گیرنده بتواند تک تک بیت ها را شناسایی کند. اما در یک انتقال سریالی داده ها با یک سیم ، چنین مشکلی روی نمی دهد. از آنجا که تنها یک سیم داریم، سیگنال ها به ترتیب و یکی پس از دیگری دریافت می شوند. البته این بار با پدیده دیگری روبرو می شویم ، که آهنگ انتقال را محدود می کند.

سیگنال های الکتریکی روی یک رسانه (با موج مربعی) به دلیل ظرفیت الکتریکی کابل کمی تغییر شکل می دهند. هرچه فاصله فرستنده و گیرنده از هم بیشتر باشد ، میزان تغییر شکل سیگنال ها هم بیشتر می شود. تغییر شکل سیگنال ها تا جایی مجاز است که تک تک تپش های موج قابل تشخیص باشد. در کابل های فیبر نوری Multimode هم چنین اثری دیده می شود.



انتقال بهینه روی فیبرهای نوری

از آنجا که قطر کابل های Multimode در مقایسه با طول موج نور، زیاد است، پرتوهای نور می توانند مسیرهای متفاوت زیادی داشته باشند. هرچه برخورد پرتوهای نور به بدنه فیبر و در نتیجه شمار بازتاب ها بیشتر باشد ، پرتوهای نور باید مسیر طولانی تری را طی کرده و انتقال داده ها مدت بیشتری ، طول می کشد.

اینجا هم مانند سیگنال های الکتریکی ، شکل موج پرتو نور تغییر کرده و اگر تغییر شکل بیش از اندازه باشد ، اطلاعات از دست می روند. از همین رو بیشترین فاصله مجاز در کابل های Multimode میان فرستنده و گیرنده ، 500 متر است. در هسته کابل های Singlemode که قطر بسیار کمتری دارد، تنها یک پرتو نور حرکت می کند و در نتیجه پدیده تغییر شکل موج در این کابل ها چندان محسوس نیست و می توان داده ها را تا فاصله 10 کیلومتر فرستاد. این کابل ها به دلیل هزینه زیادی که دارند تنها در جاهایی که واقعاً مورد نیازند به کار می روند.



اتصال ها و کابل های FC

در سیستم های حافظه ای معمولاً میان دستگاه ها (مانند کنترل کننده RAID و سخت دیسک) فاصله زیادی نیست. از همین رو صرفه با کابل های مسی است. برای Fibre Channel در مجموع می توان از سه گونه کابل مسی (Video Coax ، Miniature Coax و Shielded Twisted Pair) با رابط FC-DB9 استفاده کرد. با این کابل ها می توان دستگاه هایی تا فاصله 25 متر را به هم وصل کرد. اما اگر فاصله بیشتر باشد ، ناگزیر به استفاده از کابل های فیبر نوری خواهیم بود. طول ارتباط های کابل های Multimode 50m به 500 متر می رسد و کابل های Multimode 62.5m را می توان تا 175 متر به کار برد و رابط های آن ها هم SC-Duplex است. کابل های Singlemode 9m با لیزرهای موج بلند می توانند تا فاصله 15 کیلومتر را پوشش بدهند. از آنجا که قدرت زیاد چشمه های لیزر در ارتباط های طولانی برای انسان خطرناک است ، از یک مکانیزم کنترلی با نام Open Fibre Control یا OFC استفاده می شود. در این روش پرتو حاصل از چشمه های قوی لیزری پيوسته از سوی گیرنده، کنترل می شود و گیرنده پیغامی مبنی بر دریافت آن به فرستنده می دهد. به محض آنکه این پیغام قطع شود ، فرستنده نیز پرتو ليزر را قطع می کند.

البته سيستم های Non-OFC نیز وجود دارند که پرتو ليزر در آن ها چندان قوی نیست و برای چشم انسان خطری ندارد. در این سیستم ها مکانیزم ارسال وضعیت از سوی گیرنده وجود ندارد. شایان گفتن است که سیستم های OFC و NON-OFC با هم سازگار نیستند.



Media Interface Adapter

این مبدل ها سیگنال های الکتریکی کابل های مسی را به سیگنال های نوری برای فیبرهای نوری تبدیل می کنند. این مبدل در یک سو اتصال FC-DB9 را دارند و در سوی دیگر به یک رابط SC-Duplex ویژه فیبرهای نوری مجهز هستند. این مبدل ها به کمک دیودهای درون خود ، سیگنال های الکتریکی را به نور و نور با به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. جریان الکتریکی لازم برای به کار انداختن این مبدل ها از اتصال DB9 فراهم می شود. به کمک این مبدل ها می توان بسادگی دستگاه های FC را به هم وصل کرد.

آهنگ انتقال بسیار بالای Fibre Channel ، کیفیت بالای کابل ها و اتصال ها را می طلبد و این تجهیزات را تنها شرکت های معروف تولید می کنند.