Fibre Channel, IP и некоторые другие технологии в сетях хранения

Как изменится концепция сетевого хранения данных под влиянием Fibre Channel, IP и перспективных технологий межсоединений?

Хранение данных и прежде было предметом неустанных забот, но именно теперь организация этого процесса приобрела особую значимость для обеспечения нормальной работы корпоративной сети. За последние годы появилось много новых разработок в области сетевого хранения данных, а непрерывные усилия по стандартизации постоянно появляющихся технологий создают путаницу при выборе стратегии хранения.

Чтобы разобраться в этом вопросе, в данной статье рассматриваются как существующие, так и перспективные подходы, причем основное внимание сосредоточено на технологиях Fibre Channel, IP и новой технологии межсоединения, поскольку именно они способны оказать заметное влияние на организацию сетевого хранения данных.

Что ждет канальную архитектуру?

С появлением стандартов Fibre Channel удалось преодолеть многие из проблем совместимости, столь досаждавших во времена ее молодости. Fibre Channel — технология передачи данных на уровне блоков (в отличие от передачи на уровне файлов) с предоставлением качества и класса услуг, включая гарантированную доставку пакетов. Доступ к данным на уровне блоков осуществляется быстрее, нежели на уровне файлов, как это происходит в подключаемых к сети системах хранения (Network Attached Storage, NAS). Реализация технологии Fibre Channel в отдельно взятой сети хранения позволяет решить проблемы перегрузки и безопасности.

В Fibre Channel сохранены основные коды команд SCSI, протокола передачи данных на уровне блоков, при посредничестве которого данные передаются по сети между массивами в сети хранения (Storage Area Network, SAN). Поэтому производители систем хранения могут без особых трудностей переходить от SCSI к Fibre Channel.

По мнению Эрика Шеппарда, специалиста из аналитического агентства IDC, Fibre Channel будет и впредь до 2005-2006 гг. оставаться основной технологией межсоединения. (Информацию о прогнозируемых доходах от реализации продуктов Fibre Channel см. на Рисунке и в Таблице.)

Сегментация рынка SAN. По данным In-Stat/MDR, количество сетей хранения на базе iSCSI и InfiniBand к 2006 г. существенно вырастет. Хотя Fibre Channel к тому времени еще будет принадлежать наибольшая часть рынка, он не будет расти столь же быстро, как сегменты iSCSI и InfiniBand. Однако следует иметь в виду, что продуктов iSCSI и InfiniBand пока предлагается очень мало.

С другой стороны, Fibre Channel поддерживает передачу данных на расстояния не более 10 км и все еще достаточна дорога. Никто не собирается избавляться от существующих сетей хранения SAN, но никто и не поручится за их будущее. «Fiber Channel — головная боль для администраторов сетей, — делится своим мнением Лаури Викерс, аналитик из компании In Stat MDR. — Возможно, у кого-то уже имеется оборудование Fibre Channel, но вряд ли он захочет устанавливать дополнительное».

Потоки данных стекаются в IP

Учитывая растущую популярность технологии IP, это был лишь вопрос времени, когда отрасль приспособит ее в качестве транспортной технологии для сетевого хранения. Под IP-хранением понимается передача данных на уровне блоков по сетям IP. Эта технология хорошо изучена и относительно недорога, на ее основе создано большое количество продуктов и услуг. Она совместима с Fibre Channel и Gigabit Ethernet, причем последняя позволяет снять свойственные Fibre Channel ограничения на дальность передачи данных. Ожидаемый стандарт 10GigE даст дополнительный толчок развитию технологии хранения на базе IP, поскольку повышает эффективность ее использования для таких приложений, как удаленное зеркалирование и тиражирование, а также для связи разнесенных «островов» SAN.

Однако многие признают, что для применения в качестве транспорта в сетевом хранении технология IP не обладает достаточной производительностью, надежностью и безопасностью по сравнению с Fibre Channel. Пока IP предлагает обслуживание по мере возможности, но при максимальном размере кадра Ethernet в 1500 байт передача данных по IP менее эффективна, чем доставка пакетов с помощью Fibre Channel. Для различных вариантов организации хранения в сетях IP могут потребоваться немалые изменения в аппаратном и программном обеспечении, причем предлагаемые в этой области продукты пока не многочисленны.

Кроме того, производителям оборудования для организации хранения в сетях IP придется обратиться к стандартным методам кодирования и последующего декодирования передаваемых данных, чтобы избежать проблем несовместимости. Чтобы преодолеть ограничения, налагаемые Fibre Channel, и осложнения, возникающие в процессе организации хранения, производители отрасли предложили ряд стандартов на рассмотрение в рабочую группу Internet (Internet Engineering Task Force, IETF).

Ориентация на SCSI

Один из таких стандартов, iSCSI (Internet SCSI), позволяет передавать команды SCSI поверх протокола TCP/IP. Компании IBM и Cisco предложили этот протокол на рассмотрение в IETF. Кроме того, стандарт поддерживает некоммерческая отраслевая ассоциация сетевого хранения (Storage Networking Industry Association, SNIA). Хотя приверженцы этой технологии заявляли о его скорой ратификации, на момент публикации статьи протокол не был стандартизован.

В протоколе iSCSI набор команд SCSI целиком сохранен, как и в Fibre Channel, и отображается на протокол IP для передачи данных на уровне блоков. Однако если сеть организуется на базе iSCSI, то Fibre Channel в такой сети не нужен, а передача данных осуществляется поверх стандартных соединений Ethernet. Сторонники протокола видят основное его предназначение в организации сетей хранения полностью на базе iSCSI с применением устройств, поддерживающих новую технологию: ленточных библиотек и дисковых массивов, а также хост-адаптеров и коммутаторов IP.

Несмотря на рассуждения о возможности вытеснения Fibre Channel технологией iSCSI в ряде приложений, вряд ли это произойдет в ближайшее время. Поскольку новые устройства с интерфейсом iSCSI пока не выпускаются в достаточном количестве, обе технологии будут сосуществовать параллельно.

Арун Танеджа, старший аналитик из Enterprise Storage Group, утверждает, что iSCSI, вероятнее всего, поначалу утвердится в сетях компаний малого и среднего бизнеса и займет преимущественно нижний сегмент рынка систем хранения. По словам Шеппарда, интерес к технологии со стороны конечных пользователей начнет расти в 2003 г. (Прогноз роста доходов от оборудования iSCSI представлен на Рисунке.)

Одним из первых iSCSI-совместимых устройств, выпущенных на рынок в 2001 г., стал маршрутизатор Cisco 5420 Storage Router, связывающий устройства iSCSI с системами Fibre Channel. Другие производители — Nishan Systems, 3ware, SANcastl, FalconStor Software — выпустили на рынок iSCSI-совместимые маршрутизаторы, серверы, а также программное обеспечение. Среди оборудования iSCSI имеются устройства, которые преобразуют порты Fibre Channel в iSCSI-совместимые порты IP.

Вполне возможно, что iSCSI составит конкуренцию NAS, с которой она сравнима по стоимости. Так, Рэнди Кернс, глава аналитической компании Evaluator Group, считает, что на самом деле iSCSI соперничает не с Fibre Channel, а именно с NAS.

С одной стороны, как и NAS, технология iSCSI позволяет осуществлять ввод/вывод на уровне файлов, а с другой — обрабатывать данные на уровне блоков. Вероятнее всего, iSCSI появится первоначально в небольших рабочих группах и подразделениях — на той почве, где исторически происходило упрочение NAS. Отличие состоит в том, что увеличение скорости iSCSI приблизит подключаемые устройства хранения к уровню производительности сетей хранения Fibre Channel.

Одной из первых на рынок iSCSI вышла компания IBM, в прошлом году она выпустила NAS-устройство TotalStorage IP Storage 200i на базе этой технологии. Прочие производители, например Network Appliance, Quantum/ATL, Hewlett-Packard и ADIC, уже заявили о своем намерении применять данную технологию при разработке новых продуктов.

Один из упреков в адрес iSCSI касается отображения команд iSCSI на IP — этот процесс связан со значительными накладными расходами, что чревато задержками при передаче. Для освобождения процессора сервера от излишней нагрузки был разработан специальный адаптер шины хоста (Host Bus Adapter, HBA). Такие адаптеры готовы выпускать Intel, Adaptec, Agilent, Alacritech, Emulex и QLogic (их продукты находятся на различной стадии разработки и тестирования), причем эти продукты должны стать более широко доступны, чтобы iSCSI получил распространение.

Технология iSCSI потребует также модификации существующих приложений. Программному обеспечению понадобится решать такие задачи, как выявление отброшенных пакетов и проверка четности; между тем в Fibre Channel эти функции реализуются на аппаратном уровне. И хотя реализация части стека протокола TCP/IP на аппаратном уровне облегчит решение проблемы, быстро справиться с ней не удастся.

Компании FalconStor, BackBone Software и DataCore, производители программного обеспечения для управления системами хранения, заявляют, что они будут поддерживать iSCSI. Сторонники технологии IP, включая IBM, Cisco и Nishan, вероятнее всего, твердо встанут на позиции iSCSI. Компании EMC, Brocade и McData также обнародовали свои планы: они будут поддерживать iSCSI в своих будущих разработках. Однако в настоящее время на рынке представлено не так уж много продуктов iSCSI.

Эластичные сети хранения

Другая альтернативная технология сетевого хранения — Fibre Channel поверх IP (FCIP). По предложению группы производителей, включая Lucent Technologies и Cisco, технология FCIP была представлена на рассмотрение в IETF для ратификации стандарта, но до сих пор процесс его выработки не завершен. Стандарт поддерживается также SNIA.

Кадры Fibre Channel инкапсулируются и туннелируются поверх IP для связи разнесенных сетей хранения по магистрали IP. FCIP обеспечивает прямое соединение между удаленными сетями хранения, позволяя преодолеть свойственное Fibre Channel ограничение на дальность передачи данных.

Технология FCIP удовлетворяет требованиям гарантированной доставки SCSI без необходимости каких-либо существенных изменений. Однако туннелирование в TCP/IP может стать серьезным препятствием, поскольку процедура обработки инкапсулированных пакетов способна негативно повлиять на эффективность и скорость. К тому же FCIP по сравнению с другими технологиями более уязвима к отказам в соединениях.

Относительно FCIP мнения разделились. «Я полагаю, что это временная технология, — размышляет Танеджа из Enterprise Storage Group. — Со временем FCIP будет играть все меньшую роль, так как туннелирование — не очень эффективный способ передачи данных». «В корпоративных центрах данных вы можете найти множество решений на базе FCIP, — возражает Кернс из Evaluator Group. — Прочно укрепившаяся там технология Fibre Channel послужит стимулом к дальнейшему внедрению FCIP в этой области».

Несмотря на отсутствие стандартов, производители начали выпуск продуктов на основе FCIP. Ее реализации возможны в коммутаторах, мостах и шлюзах, а также маршрутизаторах IP с FCIP-совместимыми модулями либо в коммутаторах Fibre Channel с FCIP-совместимыми портами.

По информации из компании CNT, их устройство UltraNet Edge Storage Router поддерживает технологию FCIP и в будущем будет включать поддержку iSCSI. Компания Lucent выпустила маршрутизатор OptiStar EdgeSwitch, SAN-Valley — шлюз SL1000, а SAN-Castle — коммутатор GFS-8 для связи разнесенных сетей хранения Fibre Channel через протяженные магистральные сети, в том числе на базе оптических соединений.

Большинство производителей FCIP-совместимых систем заявляют, что они будут в конце концов включать в свои продукты поддержку iSCSI и альтернативной технологии взаимодействия InfiniBand (о ней пойдет речь ниже).

FCIP — это не единственное решение для передачи данных на большие расстояния. Такие компании, как CNT, Inrange Technologies и Akara, предлагают продукты для передачи данных по глобальным и городским сетям, построенным на базе ATM, SONET, DWDM и темного волокна. Хотя эти подходы предлагают определенные преимущества с точки зрения производительности и надежности, соответствующие продукты стоят недешево.

По сути, FCIP призвана подкрепить стратегию хранения Fibre Channel, поэтому к числу ее сторонников принадлежат такие производители, как Brocade, McData, Gadzoox. Компания EMC также заявляет, что будет поддерживать FCIP. Но так же, как и в отношении технологии iSCSI, следует иметь в виду, что на рынок выпущено не так уж много продуктов с поддержкой данной технологии.

Из-за собственных ограничений технология FCIP, вероятно, не получит сколь-нибудь широкого распространения в рамках самой сети хранения. В применении этого подхода больше всего заинтересованы те, кто уже инвестировал средства в Fibre Channel и теперь ищут способы связать вместе свои разнесенные сети хранения Fibre Channel.

Коллаж из предварительных стандартов

Альтернативой FCIP служит протокол iFCP (Internet Channel Protocol), первоначально предложенный компанией Nishan. Он предназначен для соединения шлюзов на базе TCP/IP, при котором Fibre Channel отображается на IP, и, подобно прочим спецификациям, поддерживаемым Nishan, до сих пор не ратифицирован.

Важно отметить, что iFCP предполагает замену коммутаторов и маршрутизаторов Fibre Channel на системы на базе IP, сохраняя способность связывать устройства Fibre Channel через IP. Обеспечивая инфраструктуру и транспорт, технология iFCP могла бы использоваться как между разнесенными сетями хранения, так и в рамках сетей Fibre Channel. При связи удаленных сетей хранения каждому пограничному устройству требуется аппаратное обеспечение для организации шлюза. Сторонники технологии iFCP указывают на то, что такие шлюзы могут быть совместимы с iFCP и iSCSI, причем в случае iFCP, по мнению его сторонников, в существующие устройства Fibre Channel и соответствующие приложения придется внести меньше изменений. К тому же в сетях iFCP последствия вероятного отказа в каналах связи сводятся к минимуму благодаря особенностям маршрутизации, поддерживаемым этим протоколом.

Многопротокольный коммутатор IPS 4000 от компании Nishan поддерживает iFCP, iSCSI и GigE. И хотя некоторые производители выпускают базирующиеся на iFCP продукты, продвижение данной технологии остается прерогативой Nishan.

В основе iFCP лежит технология IP, поэтому теоретически она может составить более серьезную конкуренцию для Fibre Channel, чем FCIP. Производители Fibre Channel указывают на отсутствие отраслевой поддержки новой технологии. «Реально устройства iFCP производит только одна компания, в то время как FCIP реализован многими производителями, — обращает внимание Камден Форд, ведущий менеджер по продуктам в компании Brocade. — С точки зрения бизнеса iFCP на рынке не видно».

Однако Том Кларк, директор по техническому маркетингу компании Nishan, полагает, что требования к туннелированию FCIP могут оставить имеющееся оборудование IP невостребованным. Он отмечает, например, что туннелирование не предлагает никакого способа интеграции с iSCSI, а iFCP был разработан для связи конечных устройств Fibre Channel, но со временем может быть адаптирован для соединения сетей с iSCSI.

Вероятнее всего, производители коммутаторов IP, маршрутизаторов и других систем будут поддерживать iFCP. Но гораздо в большей степени поддержка производителей необходима этому протоколу для утверждения на рынке.

Компания EMC придерживается своей традиционной тактики — подождать и посмотреть. Она также заявила о своем намерении поддержать протокол iFCP в дополнение к iSCSI и FCIP. «Мы не делаем ставку на какую-либо из этих технологий, — признается Поль Росс, директор EMC по маркетингу, — и собираемся поддерживать все три, чтобы быть во всеоружии в нужный момент».

Компания Nishan представила в организацию IETF и другие предложения. Одно из них касается протокола Fibre Channel для городских сетей — mFCP (metro Fibre Channel Protocol), он рассчитан на центры хранения данных и не очень протяженные сети (масштаба городских).

Еще один предложенный на рассмотрение протокол iSNS (Internet Storage Name Server) основан на SNS, протоколе обнаружения устройств в сетях хранения. iSNS сочетает в себе особенности протоколов SNS и DNS, беря за основу принципиальный механизм обнаружения устройств в сетях IP. Его привлекательность — в увеличении производительности и управляемости разнородных сетей с участками Fibre Channel и IP, но для обретения жизнеспособности он нуждается в поддержке многих производителей.

Компания Nishan придумала для технологий iSCSI, iFCP и iSNS общее название «Хранение поверх IP» (Storage over IP, SoIP). Следует заметить, что сейчас SoIP — нестандартный термин, в противовес его более широкому общему применению на ранних стадиях становления сетевой технологии хранения, основанной на IP.

INFINIBAND: взгляд изнутри

Еще одна перспективная технология, способная оказать влияние на концепцию сетевого хранения, — InfiniBand. Обеспечивающая передачу данных на скорости 2,5 Гбит/с, она была разработана компанией Intel в целях замены устаревшей шины PCI. Изначально InfiniBand планировалась для реализации на кремнии, но впоследствии ее применение оказалось более широким, нежели просто замена внутренней шины.

Ассоциация InfiniBand Trade Association, членами которой являются такие компании, как Intel, Compaq, Dell, IBM, Hewlett-Packard, Microsoft и Sun Microsystems, разработала архитектуру технологии. Прочие производители — Brocade, Cisco, EMC, Hitachi, Lucent и Nortel — осуществляют финансовую поддержку этой ассоциации.

Спецификация InfiniBand описывает коммутируемую архитектуру «точка-точка», обеспечивая множеству устройств ввода/вывода возможность посылки одновременных запросов к процессору системы таким образом, чтобы в процессе передачи данных не возникало «узких» мест. Использование InfiniBand для непосредственной связи «память—память», в дополнение к небольшим задержкам и способности снять нагрузку с сети TCP/IP, позволяет надеяться, что технология поможет увеличить производительность таких приложений, как, например, кластеризация серверов.

Технология InfiniBand предлагает также лучшую масштабируемость по более низкой цене. Одними из первых ее реализаций станут, вполне вероятно, серверные кластеры в крупных центрах хранения и обработки данных. Она могла бы получить самое широкое распространение в качестве средства связи между сетевым устройством и памятью.

Маловероятно, что InfiniBand вытеснит сети хранения Fibre Channel. Скорее всего, она будет сосуществовать параллельно с Fibre Channel, SCSI и IP. Один из способов достижения этого — применение мостов, коммутаторов и маршрутизаторов InfiniBand.

InfiniBand позволяет увеличить скорость и производительность систем хранения NAS. Причем для снижения уровня задержек устройств NAS могут применяться файловые системы прямого доступа (Direct Access File System, DAFS). DAFS представляет собой протокол, разработанный Network Appliance для совместного доступа к файлам в центрах хранения и обработки данных. Компания обещает выпустить InfiniBand-совместимое устройство к началу 2003 г.

Однако у технологии имеются и некоторые недостатки. Она намного сложнее архитектуры шины PCI. Изменение физической инфраструктуры способно доставить немало хлопот и неизбежно влечет за собой необходимость принятия мер по стыковке аппаратных и программных средств. К тому же InfiniBand обладает ограничениями на дальность передачи данных, что может стать сдерживающим фактором к ее распространению за рамки центров данных. В самих центрах данных возможна конкуренция со стороны 10GigE. И наконец, многообещающая в плане повышения производительности технология InfiniBand в данный момент на рынке не представлена.

Танеджа считает, что InfiniBand в будущем получит широкое распространение: «Чем дольше я наблюдаю за ней, тем больше убеждаюсь в наличии у нее потенциала для того, чтобы в течение последующих четырех лет проложить путь к системам хранения».

«Приход InfiniBand неминуем, — настаивает Кернс, — хотя вряд ли какие-либо устройства хранения будут подсоединяться с ее помощью в ближайшие несколько лет». (Данные о прогнозируемых доходах от продажи оборудования на базе технологии InfiniBand см. на Рисунке и в Таблице.)

Большинство производителей оборудования Fibre Channel (и FCIP-совместимых устройств) заявили, что они включат поддержку InfiniBand в свои системы. Многие из них, и в основном начинающие, уже разработали либо в настоящее время трудятся над проектированием серверов, мостов, коммутаторов и маршрутизаторов с интерфейсом InfiniBand.

Устройство Nitro компании Mellanox Technologies представляет собой ультратонкий сервер на базе InfiniBand для центров данных. Маршрутизатор Crossroad 1000 компании Crossroad Systems позволяет передавать данные между сетями Fibre Channel, iSCSI и InfiniBand. В компании Paceline Systems сообщают, что довольно скоро на рынок будет выпущен коммутатор InfiniBand, который обеспечит взаимодействие серверов, систем хранения и сетевых устройств.

Среди прочих производителей коммутаторов, маршрутизаторов и мостов InfiniBand — компании InfiniCon, InfiniSwitch и Voltaire. Компании Intel, JNI и QLogic начинают поставки адаптера шины хоста HBAS InfiniBand. Управляющее программное обеспечение InfiniBand разработано в Lane 15 и Video. Однако полномасштабные реализации оборудования, основанные на этой технологии, еще не начались.

Чуть помедленнее...

Так что же делать администратору сети? Поступать в зависимости от обстоятельств! Если компания среднего размера еще не обзавелась сетью хранения, хорошим решением будет iSCSI. Однако когда при наличии уже реализованной сети Fibre Channel ее необходимо развернуть на более дальние расстояния, FCIP заслуживает самого пристального внимания. В случае построения сети хранения на Fibre Channel и системах на базе IP подойдет iFCP. Если вы хотите резко увеличить производительность кластерного подключения серверов в центре хранения и обработки данных либо производительность NAS, — наилучшим выбором окажется InfiniBand.

В конечном счете преобладающие технологии будут сосуществовать. «Системы хранения в будущем станут гетерогенными, — не сомневается Кларк из компании Nishan. — И те производители, которые стремятся к успеху, вполне это осознают».

Однако подобные технологии не реализуются в одночасье. Сдерживающими факторами остаются небольшое количество выпускаемых продуктов и отсутствие стандартов. А проблемы взаимодействия тесно связаны с этими особенностями.

Адаптация прежних технологий организации хранения рассчитана на долгосрочную перспективу, и, быть может, некоторым организаций она не потребуется. Для эффективного планирования собственной стратегии необходимо более глубокое исследование разработок в этой области.

Ресурсы Internet

Информацию по технологиям хранения на базе IP, включая NAS и DAFS, можно найти на сайте SNIA по адресу: http://www.snia.org.

Дополнительная информация по спецификациям технологии InfiniBand размещена на сайте ассоциации InfiniBand Trade: http://www.infinibanda.org.

С основной спецификацией по технологии iSCSI, предложенной на рассмотрение в IEFT, можно ознакомиться по адресу: http://www.search.ieft.org/internet-drafts/draft-ietf-ips-iscsi-11.txt.

? CMP Media LLC