Công nghệ mạng lưu trữ và vấn đề hiệu suất, thiết kế, duy trì mạng

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LƯU TRỮ DỮ LIỆU STORAGE AREA NETWORK– SAN Trong những năm đầu của thập kỷ 80, các hệ thống lưu trữ dữ liệu đính kèm trực tiếp Direct – Attach Disk Storage

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tiến

CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ VÀ VẤN ĐỀ HIỆU SUẤT, THIẾT KẾ, DUY TRÌ MẠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà nội, 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tiến

CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ VÀ VẤN ĐỀ HIỆU SUẤT, THIẾT KẾ, DUY TRÌ MẠNG

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG 7

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, TỪ NGỮ VIẾT TẮT 9

MỞ ĐẦU 10

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LƯU TRỮ DỮ LIỆU (STORAGE AREA NETWORK– SAN) 12

1.1 Tổng quan về SAN 12

1.2 Lợi ích của lưu trữ SAN 16

1.2.1 Đảm bảo tính sẵn sàng cao: 16

1.2.2 Tập trung thiết bị lưu trữ 17

1.2.3 Giảm nghẽn mạng khi sao lưu dữ liệu (backup) 17

1.2.4 Giảm tải cho máy chủ khi sao lưu dữ liệu 18

1.2.5 Tăng tốc độ truy cập dữ liệu 18

1.2.6 Đảm bảo khả năng kháng cự với sự cố: 19

2 CHƯƠNG 2: CƠ BẢN VỀ KÊNH QUANG 20

2.1 Kiến trúc của SAN và các thuật ngữ căn bản: 20

2.2 Phân tầng kênh quang 24

2.3 Các mức dịch vụ và điều khiển luồng dữ liệu 30

2.3.1 Mức 1 ( class 1) 30

2.3.2 Mức 2 (class 2) 30

2.3.3 Mức 3 (class 3) 31

2.3.4 Mức 4 (class 4) 32

2.3.5 Mức F (class F) 33

2.4 Topo mạng lưu trữ: 34

2.4.1 Cách gọi tên port trên mạng 34

2.4.2 Mô hình kết nối điểm tới điểm 36

2.4.3 Mô hình kết nối vòng lặp có trọng tài phân xử (FC- AL) 37

2.4.3.1 Cơ chế thâm nhập mạng FC-AL 38

2.4.3.2 Đánh địa chỉ trên mạng FC-AL 39

2.4.4 Mô hình Switch Fabric 40

2.4.4.1 Switch Fabric làm việc như thế nào? 40

2.4.4.2 Các dịch vụ trên Fabric: 42

2.4.4.3 Đánh đia chỉ trên fabric 43

2.4.4.4 Trình tự đăng nhập fabric của node (Fabric –login sequence) 43

2.4.4.5 Thủ tục N_port login (PLOGIN- Port login) 44

2.5 Cáp truyền dẫn 46

2.5.1 Cáp đồng: 46

2.5.2 Cáp quang đa mode: 47

2.5.3 Cáp đơn mode 47

2.6 Đầu nối cáp (cable connector) 48

2.6.1 Đầu nối cáp đồng DB-9 48

2.6.2 Đầu kết nối HSSDC (High Speed Serial Data Connector) 49

2.6.3 Đầu nối cáp quang SC 49

2.6.4 Đầu nối cáp quang mật độ cao- LC 50

2.6.5 Đầu GBIC 50

2.6.6 Card HBA (Host Bus Adapter) 51

2.7 Hub cho kênh quang 52

2.7.1 Hub không có chức năng quản lý (Unmanaged Hub): 52

2.7.2 Hub có chức năng quản lý (managed hub): 52

2.8 Switch trên kênh quang: 52

2.9 So sánh SAN với các công nghệ lưu trữ khác 53

2.9.1 Ưu điểm của SAN so với DAS 54

2.9.2 Ưu điểm của SAN so với NAS 54

3 CHƯƠNG 3: HIỆU SUẤT LƯU TRỮ SAN 56

3.1 Các nhân tố hiệu năng: 56

3.1.1 Tốc độ dữ liệu: 56

3.1.2 Thời gian đáp ứng (Response Time): 57

3.1.3 Hiệu năng của đĩa cứng: 57

3.2 Nhiễu, suy giảm tín hiệu trên kênh quang 59

3.2.1 Suy hao (Attenuation): 59

3.2.2 Tán sắc (Dispersion): 59

3.2.3 Trễ (Latencies): 59

3.3 Đặc thù môi trường: 60

3.3.1 Các mức RAID và chọn lựa: 60

3.3.2 Các mức RAID : 60

3.3.3 So sánh giữa các mức RAID 61

3.3.4 Tương quang hiệu năng của RAID với thao tác đọc ghi 62

3.3.5 Một số môi trường ứng dụng tiêu biểu: 62

3.3.5.1 SQL Server 2000: 62

3.3.5.2 Oracle 8 : 63

3.3.5.3 Exchange server: 63

3.4 Lên kế hoạch cho thiết bị lưu trữ 63

3.4.1 Luật 1: Sử dụng tổ hợp đĩa (disk array): 63

3.4.2 Luật 2: phân tách vật lý dữ liệu tuần tự với dữ liệu ngẫu nhiên 63

3.4.3 Luật 3: chia datafile lên càng nhiều đĩa càng tốt 64

3.4.4 Luật 4: không dùng RAID 5 cho các ứng dụng có tỷ lệ thao tác ghi cao 64 3.4.5 Luật 5: sử dụng raid 1 vật lý cho các redo log file, và raid 5 cho data file 64 3.4.6 Luật 6 cân bằng lượng IO cho cả tổ hợp đĩa 64

3.4.7 Công nghệ Disk caching 65

3.4.7.1 Read- ahead Caching: 65

3.4.7.2 Write – back Caching: 66

3.4.7.3 Ảnh hưởng của cache: 67

4 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TRIỂN KHAI VÀ DUY TRÌ HOẠT ĐỘNG CHO SAN 69

4.1 Kiến thức căn bản khi thiết kế SAN: 69

4.2 Quan điểm thiết kế SAN của HP (Hewlett-Packard) : 69

4.2.1 Tiếp cận với thiết kế đơn giản của HP 70

4.2.1.1 Thiết kế và triển khai một SAN sử dụng bản thiết kế đơn giản sẵn có của HP 70 4.2.1.2 Một số biến thể của thiết kế sẵn có: 70

4.2.1.3 Thay đổi thiết kế SAN sử dụng các quy định thiết kế: 70

4.3 Xác định các yêu cầu của cơ sở hạ tầng: 71

4.3.1 Vấn đề tồn tại lớn nhất cần giải quyết là gì? 72

4.3.2 Yêu cầu hoạt động nào cần có giải pháp? 72

4.3.3 Các server kết nối với SAN như thế nào? 73

4.3.4 SAN sẽ hỗ trợ, thúc đẩy những ứng dụng nào? 74

4.3.5 Thiết bị nào trong giải pháp đã có ? 74

4.3.6 Thiết bị nào đang chạy chính thức (in Production) ? 74

4.3.7 Thiết bị, thành phần nào cần xây dựng mô hình và thử nghiệm? 75

4.3.8 Thiết bị nào có sẵn để thử nghiệm mô hình? 75

4.3.9 Các phiên backup được tiến hành khi nào và thực hiện như thế nào? 75

4.3.10 Đặc điểm hiệu năng hiện tại như thế nào? 75

4.3.11 Thời gian ngừng cung cấp dịch vụ là bao nhiêu ? 76

4.3.12 Thời gian hoàn thành từng việc của đề án ? 76

4.4 Cân nhắc kế hoạch sau khi thu thập đƣợc thông tin: 77

4.4.1 Cân nhắc hiệu năng 77

4.4.1.1 Quá tải: 77

4.4.1.2 Đặc thù I/O: 77

4.5 Cân nhắc khi cài đặt SAN 78

4.5.1 Đi cáp thế nào để quản lý đơn giản: 78

4.5.2 Cân nhắc khi lắp thiết bị lên tủ: 80

4.5.3 Quản lý in-band hay out-band: 81

4.5.4 Cài đặt các tham số cho switch, dây cáp 82

4.5.5 Nên dùng phiên bản nào của hệ điều hành Fabric ?: 83

4.5.6 Cách quản lý SAN tự động 83

4.5.6.1 Fabric OS API 84

4.5.6.2 Expect Scripting 85

4.5.7 Cân nhắc về phân vùng SAN (SAN zoning) 85

4.6 Một số kinh nghiệm với cấu hình zone: 86

4.6.1 Giảm tương tác không mong muốn: 86

4.6.2 Môi trường phức tạp: 86

4.6.3 Ánh xạ tên (alias): 86

4.6.4 Thêm switch vào fabric: 86

4.6.5 Địa chỉ WWN của node và Port: 86

4.6.6 Sao lưu cấu hình: 87

4.7 Đánh giá Fabric 87

4.7.1 Dựng hỗ sơ ban đầu cho mạng SAN: 87

4.7.2 Mô phỏng sự cố (Fault Injection): 88

4.7.3 Chạy thử tải I/O (Runing I/O load) 88

4.8 Duy trì SAN 88

4.8.1 Duy trì nhật ký cấu hình: 89

4.8.2 Sao lưu và phục hồi cấu hình cho switch: 89

4.8.3 Khởi động fabric: 90

4.8.4 Mở rộng fabric, gộp fabric, thêm switch hoặc thay thế switch 90

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, TỪ NGỮ VIẾT TẮT

ACL - Access Control List

ATM – Asynchronous Tranfer Mode

CRC - Cyclic Redundant Check

DAS - Direct Attached Storage

DES - Data Encryption Standard

EOF - End of Frame

FC - Fibre Channel

FC-AL - Fibre Channel Arbitrated Loop

FCP - Fibre Channel Protocol

FCIP - Fibre Channel over IP

FDDI - Fiber Distributed Data Interface

GBIC - Gigabit Interface Converters

HBA - Host Bus Adapter

HA- High availability

HSSDC -High Speed Serial Data Connector

HiPPI - High- Performance Parallel Interface

iSCSI - Internet Small Computer System Interface

ISL - Inter-Switch Link

iSNS - Internet Storage Name Services

JBOD - Just a Bunch of Disks

LAN - Local Area Network

NAS - Network Attached Storage

NIC - Network Interface Card

OLTP - Online Transaction Processing

RAID - Redundant Array of Independent Disk

SAN - Storage Area Network

SNS - Simple Name Server

SCSI - Small Computer System Interface

SOF - Start of Frame

TCP - Transmission Control Protocol

UDP - User Datagram Protocol

ULP - Upper Layer Protocol

VI - Virtual Interface

WWN - World Wide Name

WWPN - World Wide Port-Name

DANH MỤC HÌNH VẼ SỬ DỤNG

Hình 1.1 Bus kết nối SCSI song song 13

Hình 1.2 Sử dụng kênh quang để tăng khoảng cách 14

Hình 1.3 Vòng kết nối nhiều máy chủ với thiết bị lưu trữ 15

Hình 1.4 Kết nối máy chủ với thiết bị lưu trữ qua chuyển mạch kênh quang 15

Hình 1.5 Mô hình mạng lưu trữ dữ liệu hiện đại 16

Hình 2.1 Thiết bị lưu trữ gắn liền với server 21

Hình 2.2 Thiết bị lưu trữ trên SAN 21

Hình 2.3 Một Fabric tiêu biểu 23

Hình 2.4 Phân tầng kênh quang 24

Hình 2.5 Mã hóa và giải mã tại mức FC-1 25

Hình 2.6 Tiêu đề của khung 26

Hình 2.7 mô tả hoạt động của dịch vụ mức 1 31

Hình 2.8 mô tả hoạt động dịch vụ mức 2 32

Hình 2.9 mô tả hoạt động dịch vụ mức 3 32

Hình 2.10 các topo của mạng lưu trữ dữ liệu - SAN 35

Hình 2.11 Mô hình vòng lặp FC-AL 36

Hình 2.12 Mô hình kết nối điểm điểm 37

Hình 2.13 Mô hình kết nối vòng lặp có trọng tài phân xử 37

Hình 2.14 cơ chế hoạt động của LPSM 38

Hình 2.15 Cấu trúc địa chỉ của mạng FC-AL 39

Hình 2.16 Một mạng Fabric 41

Hình 2.17 Phân vùng trên fabric 41

Hình 2.18 Quá trình đăng nhập fabric của node 44

Hình 2.19 Thủ tục PLOGIN 45

Hình 2.20 Các thành phần khác nhau trên SAN 46

Bảng 2.1 Ước tính tốc độ truyền với khoảng cách cho cáp đồng 47

Bảng 2.2 Điểm khác biệt của khoảng cách truyền trên 02 loại cáp 48

Bảng 2.3 khoảng cách và tốc độ truyền với cáp đơn mode 48

Hình 2.21 đầu nối DB-9 cho kênh quang 49

Hình 2.22 đầu nối HSSDC 49

Hình 2.23 Hai loại đầu nối cáp SC 49

Hình 2.24 Ảnh thực của 02 loại đầu đấu nối 50

Hình 2.25 Đầu GBIC và đầu nối cáp quang 51

Hình 2.26 Hình ảnh bên ngoài của HBA 52

Hình 2.27 Mô hình lưu trữ DAS 53

Hình 2.28 Mô hình lưu trữ NAS 53

Hình 2.29 Mô hình lưu trữ SAN 54

Hình 3.1 Kết quả thống kê giữa kích thước I/O và tốc độ dữ liệu 56

Hình 3.2 Minh họa hiện tượng nghẽn cổ chai 57

Hình 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của đĩa cứng 58

Hình 3.4 Mô tả hiệu năng của tủ với mức RAID và số lượng đĩa trên tủ 58

Hình 3.5 tương quan hiệu năng với thao tác đọc ghi 62

Hình 3.6 So sánh hiệu năng của hệ thống thường với hệ thống sử dụng read ehead caching 66

Hình 3.7 Write – back caching 66

Hình 3.8 hiệu năng của read ahead caching và write – back caching 68

Hình 4.1 một ví dụ về đi cáp ISL gọn gàng 79

Hình 4.2- Cách bố trí không tiện cho quản lý và vận hành 79

Hình 4.3 cách bố trí tốt hơn cho các thiết bị trên hình 4.2 79

Hình 4.4 cách đi cáp đẹp, thuận tiện trong vận hành và bảo trì 80

Hình 4.5 lắp rack và nguồn cho thiết bị High Availibility 81

Hình 4.6 kết nối quản lý in-band 82

Hình 4.7 Khác biệt giữa hard zoning và soft zoning 87

MỞ ĐẦU

Mạng lưu trữ (SAN- Storage Area Network) ngày càng phát triển cùng với sự phát triển của các ứng dụng có yêu cầu lưu trữ số lượng lớn, ví dụ như hệ thống dữ liệu tài chính, ngân hàng, hệ thống lưu trữ quốc gia

SAN là một mạng nhỏ có tốc độ truyền dữ liệu cao và khả năng chia sẻ thiết bị trên cùng mạng như tủ đĩa, tủ tape SAN cho phép kết nối máy chủ, máy trạm với thiết bị lưu trữ trên nền các các công nghệ kết nối như Fibre Channel, SCSI (Small Computer System Interface) Công nghệ kết nối Fibre Channel cung cấp một băng thông ổn định với hiệu suất cao trên một khoảng cách xa, khả năng tạo các đường kết nối dự phòng và cân bằng tải nhằm đảm bảo tính sẵn sàng cao cho hệ thống

Kiến trúc SAN được xây dựng sao cho tất cả các máy chủ, máy trạm đều

có thể truy cập đến các thiết bị lưu trữ Do dữ liệu được lưu trữ riêng biệt không nằm trên máy chủ nên máy chủ được tập trung để xử lý yêu cầu cho ứng dụng Giống như mạng cục bộ (LAN- Local Area Network), các thành phần trên SAN cũng bao gồm SAN switch, router, các máy chủ, máy trạm và các thiết bị lưu trữ SAN hỗ trợ truyền tốc độ cao giữa các máy chủ và thiết bị lưu trữ theo các phương thức: máy chủ đến thiết bị lưu trữ, máy chủ đến máy chủ, thiết bị lưu trữ đến thiết bị lưu trữ SAN cung cấp khả năng linh hoạt chưa từng có về quản

lý và cấu hình, đem lại khả năng sẵn sàng, độ tin cậy cao nhất

Mạng lưu trữ là một đề tại phong phú về nội dung, nhưng do thời gian có hạn đề tài chỉ xin phép được đề cấp khái quát về cấu trúc mạng và đi sâu vào đánh giá hiệu năng, cách thức thiết kế, duy trì mạng SAN Để phản ánh được các tiêu chí này, đề tài sẽ được chia thành 04 chương như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung về mạng lưu trữ dữ liệu

- Chuơng 2: Cơ bản về kênh quang

- Chương 3: Hiệu suất lưu trữ SAN

- Chương 4: Thiết kế SAN, triển khai và duy trì hoạt động cho SAN

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LƯU TRỮ DỮ LIỆU

(STORAGE AREA NETWORK– SAN)

Trong những năm đầu của thập kỷ 80, các hệ thống lưu trữ dữ liệu đính kèm trực tiếp (Direct – Attach Disk Storage) dựa trên công nghệ SCSI (Small Computer Systems Interface) là chuẩn kết nối tiêu biểu giữa máy chủ và thiết bị lưu trữ Cách kết nối này giúp hệ thống máy chủ làm việc ổn định, kết nối với tủ đĩa với tốc độ và hiệu suất cao

Tuy nhiên, với sự ra tăng về tốc độ của các hệ thống máy tính và yêu cầu dung lượng của thiết bị lưu trữ làm cho kiến trúc kết nối SCSI song song bắt đầu chạm phải ngưỡng tối đa công suất và khoảng cách truyền dữ liệu Đáp ứng lại yêu cầu này kênh quang (fiber- channel) được phát triển Kênh quang có khả năng hỗ trợ giao thức SCSI cho thiết bị lưu trữ , hỗ trợ giao thức IP cho mạng máy tính và hỗ trợ giao diện ảo (Virtual Interface) cho cluster Kênh quang cho phép khoảng cách truyền xa đến 10km với tốc độ truyền ở đơn vị gigabit Với tất cả các tính năng này kênh quang hiện đang được sử dụng trong hầu hết các thiết bị lưu trữ cấp cao (hi-end), với dung lượng lớn Nhờ các tính năng và sự chấp nhận của thị trường, kênh quang đang dần thay thế các giao diện SCSI song song trong các thiết bị lưu trữ Cũng dựa trên kênh quang một kỹ thuật mới được sinh ra là Mạng lưu trữ dữ liệu kênh quang (Fibre Channel Storage Area Network –SAN) SAN là một mạng gồm có thiết bị lưu trữ dữ liệu và các thành phần của hệ thống ( ví dụ như máy chủ, card quang, switch…) SAN có khả năng cung cấp đường kết nối có hiệu năng cao cho các thiết bị, cung cấp đường dự phòng cho thiết bị lưu trữ, tăng tốc cho công tác sao lưu dữ liệu và hỗ trợ các hệ thống cluster khả dụng cao (high- availability)

1.1 Tổng quan về SAN

Trong suốt những năm của thập niên 1980, cách thức kết nối truyền thống giữa máy tính (host) với thiết bị lưu trữ là điểm tới điểm (point to point), hay còn gọi là gắn trực tiếp vào máy tính (Direct- Attached) thông qua các chuẩn giao tiếp như IDE (Integrated Drive Electronics) hoặc SCSI song song Trong đó SCSI song song thường

có tốc độ truyền dẫn là 5 hoặc 10 Mbit/giây giữa host với thiết bị lưu trữ Các hệ thống lưu trữ trong thời gian này cũng đã cho phép kết nối nhiều đĩa tới một host thông qua một giao diện duy nhất [1,4,5]

Hình 1.1 Bus kết nối SCSI song song

Với khả năng làm việc khá ổn định, tốc độ kết nối cao, và khả năng cho phép người quản trị kết nối các thiết bị lưu trữ trong và ngoài một cách đơn giản SCSI song song đã đáp ứng được yêu cầu của thị trường trong những năm 1980 Tuy nhiên khi dung lượng hệ thống lưu trữ ngày một lớn hơn, máy chủ có tốc độ xử lý ngày càng nhanh hơn thì một vấn đề nảy sinh là các thiết bị lưu trữ ngoài (external storage device) bắt đầu lớn lên Các thiết bị lưu trữ dựa trên SCSI ngày càng yêu cầu tăng thêm dung lượng Khoảng cách giữa máy chủ với thiết bị lưu trữ cũng đòi hỏi ngày một xa hơn Tốc độ truy cập vào ra (I/O rate) cũng phải tăng lên Để đáp ứng một phần các yêu cầu này một số biến thể (variant) của chuẩn SCSI được phát minh để hỗ trợ khoảng cách giữa máy chủ và thiết bị lưu trữ xa hơn Tuy nhiên yêu cầu về tốc độ truyền dẫn luôn gặp khó khăn với giao tiếp SCSI song song, để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này các giải pháp dần dần được phát triển Một trong hướng phát triển là xây dựng thiết bị lưu trữ truyền dữ liệu nối tiếp với bộ truyền nhận tốc độ cao, kháng nhiễu, đơn giản trong ghép nối, nhiều công ty đã tiến hành thí nghiệm việc truyền dẫn nối tiếp trên các môi trường khác nhau và đã có nhiều mạch tốc độ cao cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 100Mbit/giây ra đời [1]

Công nghệ kênh quang được sử dụng lần đầu tiên vào kết nối thiết bị lưu trữ chỉ để giải quyết việc tăng khoảng cách, đơn giản việc nối cáp Việc tăng khoảng cách truyền này đã căn bản thay thế các thiết bị sử dụng kết nối SCSI cũ bằng kênh truyền nối tiếp quang tốc độ cao

Kết nối kênh quang cung cấp các giao diện kết nối có tốc độ cao hơn, đơn giản về việc đấu nối (cabling), có thể đấu nối server với các thiết bị lưu trữ ở xa đến 10km hoặc 30km khi có hỗ trợ của thiết bị mở rộng

Các thiết bị lưu trữ kênh quang ban đầu sử dụng giao thức Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) Giao thức này cho phép các đĩa trong cùng một vòng tự thỏa thuận địa chỉ với nhau trước khi trao đổi dữ liệu trên vòng kết nối (Hình 1.3) FC-AL giúp việc gắn nối, mở rộng các thiết bị lưu trữ trở nên đơn giản, giúp phân cách thiết bị lưu trữ ra khỏi máy chủ Việc ghép nối giữa máy chủ với thiết bị lưu trữ còn linh hoạt hơn với sự trợ giúp của các thiết bị ghép nối như hub kênh quang (Fiber- channel hub) hoặc switch kênh quang (Fiber – channel switch) Các thiết bị kết nối làm giảm lỗi trên mạng và tăng cường tín hiệu trên đường truyền [4,5,6]

Hình 1.2 Sử dụng kênh quang để tăng khoảng cách

Hình 1.3 Vòng kết nối nhiều máy chủ với thiết bị lưu trữ

Hình 1.4 Kết nối máy chủ với thiết bị lưu trữ qua chuyển mạch kênh quang

Ngày nay mạng lưu trữ -SANcó cấu trúc giống như mạng máy tính Các thiết bị cơ

sở hạ tầng bao gồm hub, switch, bridge và router cũng đóng vai trò chuyển tiếp hoặc định hướng dữ liệu đi trên mạng Giao diện giao tiếp giữa máy chủ với mạng lưu trữ giờ được gọi là Host Bus Adapter- HBA[1]

Hình 1.5 Mô hình mạng lưu trữ dữ liệu hiện đại 1.2 Lợi ích của lưu trữ SAN

1.2.1 Đảm bảo tính sẵn sàng cao:

Dữ liệu số hóa, dữ liệu của các ứng dụng Internet, ngân hàng, điện lực đều tăng theo hàm mũ với biến là thời gian Có khá nhiều kỹ thuật cũng được đưa ra để đáp ứng với sự gia tăng này như web caching, web load balancer, distributed server cluster Tuy nhiên các kỹ thuật này không thể áp dụng vào cho các ứng dụng quan trọng như lưu trữ ảnh, email, cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng ngân hàng, tài chính hay thương mại điện tử Các ứng dụng này đòi hỏi phải đáp ứng khả năng cung cấp thông tin, giá cả trực tuyến thông tin phải trung thực, chính xác Chính vì vậy độ khả dụng cao với những hệ thống này là

cực kỳ quan trọng, việc ngừng cung cấp dịch vụ của hệ thống trong khoảng thời gian ngắn sẽ gây ra những tổn thất lớn lao

Ví dụ: Với phần mềm email server nổi tiếng của microsoft là Exchange Server, việc sử dụng lưu trữ SAN sẽ giúp cho Exchange có khả năng sử dụng

cơ sở dữ liệu có kích thước lớn, đáp ứng được sự gia tăng về số người dùng cũng như dung lượng của từng hòm thư trong doanh nghiệp Các lỗi tại một điểm (single point of failure) được khắc phục bởi tính dự phòng toàn bộ của SAN và các giải pháp Cluster ứng dụng của microsoft

Các hệ thống có độ an toàn cao (HA- High availability) ngày này được sử dụng phổ biến trong thiết kế đảm bảo khả năng kháng lỗi cho thiết bị lưu trữ

Nhìn chung với tính sẵn sàng cao trong thiết bị lưu trữ, đường kết nối và các thiết bị khác SAN cho phép các máy chủ kết nối đến thiết bị lưu trữ bằng nhiều đường khác nhau và cung cấp khả năng dự phòng cho từng đường, linh hoạt, đơn gian hơn trong việc quản lý vùng lưu trữ

1.2.2 Tập trung thiết bị lưu trữ

Dữ liệu của một hệ thống sẽ gia tăng cùng với thời gian, việc gia tăng cũng gây khó khăn trong việc quản lý các thiết bị lưu trữ đơn lẻ được gắn cùng server Để quản lý được sự gia tăng vùng lưu trữ các nhà quản trị hệ thống bắt đầu tập trung các thiết bị lưu trữ Xu hướng sử dụng thiết bị lưu trữ lớn xuất hiện nhiều hơn việc sử dụng các thiết bị lưu trữ cục bộ đơn lẻ

Do các tính năng nổi bật của lưu trữ SAN các nhà quản trị hệ thống đã nhận thấy rằng mặc dù nhu cầu của cơ quan, công ty mình hiện chưa cần chuyển sang lưu trữ SAN nhưng cũng cho rằng việc triển khai SAN vào hệ thống của mình là đúng lúc Ví dụ : Web server đang thiếu vùng lưu trữ dữ liệu trong khi một server bên cạnh – Database server lại còn trống hàng trăm Gigabyte Với các thiết bị lưu trữ cũ không có cách nào để giải quyết được yêu cầu này nên nhiều trường hợp người sử dụng phải trả chi phí lớn cho việc dự toán vùng lưu trữ không hợp lý

1.2.3 Giảm nghẽn mạng khi sao lưu dữ liệu (backup)

Hầu hết các nhà quản trị hệ thống phải đối đầu với việc mạng tắc nghẽn khi thực hiện sao lưu dữ liệu bởi đa số các phần mềm backup (như VERITAS

NetBackup, Legato NetWorker) đều chuyển dữ liệu qua giao thức Internet Protocol (IP), vì vậy mỗi khi thực hiện backup đường mạng Ethernet sẽ dần dần bị chậm đi Mặc dù có cân nhắc đến thời gian backup vào thời điểm ít hoặc không có người dùng trên mạng nhưng một số doanh nghiệp (Ngân Hàng, Tài Chính, Viễn thông …) vẫn phải thực hiện backup thường xuyên để đáp ứng được với sự thay đổi của nội dung dữ liệu

Một trong những kỹ thuật cho phép loại bỏ nghẽn mạng khi backup là dùng giao thức internet trên kênh quang (IP over Fibre channel) Khi IP được truyền trên kênh quang sẽ không ảnh hưởng đến tải trên đường mạng và thừa hưởng được các đặc tính ưu việt của kênh quang

1.2.4 Giảm tải cho máy chủ khi sao lưu dữ liệu

Với phần mềm backup chạy trên giao thức internet đều phải nhờ đến server khi sao lưu, dữ liệu cần sao lưu phải đi qua bộ nhớ của máy chủ, hơn nữa máy chủ phải giành CPU để xử lý việc này

Với sao lưu dữ liệu qua kênh quang, các phần mềm backup có thể điều khiển dữ liệu chạy từ thiết bị lưu trữ đến kênh quang sau đó về thiết bị sao lưu

mà không qua máy chủ Chính vì ưu điểm này nên đã có khá nhiều công ty, doanh nghiệp đã mua thiết bị chuyển đổi từ kênh SCSI sang kênh quang để tận dụng các ưu điểm của kênh quang, tối ưu lại việc sử dụng các thiết bị cũ hiện đang có

Intel, Microsoft và Compag đưa ra giao thức VI (Virtual Interface) nhằm giảm sự điều khiển của CPU khi truyền dữ liệu qua đường mạng Giao thức này cũng được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm cluster của HP và IBM

VI giảm sự phức tạp của IP bằng cách sử dụng DMA (Direct Memory Access) của các thiết bị phần cứng Chuẩn FC- VI là việc triển khai của chuẩn VI ( Virtual Interface cho Ethernet) trên giao thức FC FC-VI cung cấp đường truyền với tốc độ trễ thấp (low- latency) cho các ứng dụng cluster [1]

1.2.5 Tăng tốc độ truy cập dữ liệu

Truyền dữ liệu từ máy chủ đến thiết bị lưu trữ qua kênh quang được đánh giá là kỹ thuật có tốc độ nhanh và hiệu quả nhất hiện nay Một số công ty đã dùng công nghệ lưu trữ dựa trên nền tảng IP cũng có xu hướng chuyển công

nghệ mạng Ethernet hiện tại lên Gigabit Ethernet, tuy nhiên có cùng tốc độ là Gigabit nhưng hiệu năng của Gigabit Ethernet không thể bằng hiệu năng của kênh quang

1.2.6 Đảm bảo khả năng kháng cự với sự cố:

Một trong những ưu điểm của kênh quang là hiệu năng cao, khả năng truyền xa Ban đầu công nghệ SAN được sử dụng để kéo dài khoảng cách giữa các tòa nhà hoặc các khu với nhau Tuy nhiên gần đây công nghệ SAN được sử dụng để cung cấp giải pháp kháng sự cố: đảm bảo an toàn cho hoạt động ngay

cả khi có sự cố với cơ sở hạ tầng thiết bị Khác với mạng LAN, SAN có thể cung cấp rất nhiều tính năng cho các hệ thống đòi hỏi khả năng dự phòng cao như phân chia tải (load sharing), đường dự phòng (stanby path)

2 CHƯƠNG 2: CƠ BẢN VỀ KÊNH QUANG

Cơ sở hạ tầng của SAN được xây dựng trên các công nghệ mới, nó là kết quả kế thừa của một số công nghệ như SCSI, IP Giống như các chuẩn mạng máy tính khác

FC cũng có các tầng giao thức (từ FC0 đến FC4) Mỗi tầng của giao thức xác định các chức năng làm việc khác nhau của giao thức FC

2.1 Kiến trúc của SAN và các thuật ngữ căn bản:

Mục đích chính của SAN là cung cấp cơ sở hạ tầng cho các hệ thống có lượng lớn

dữ liệu cần trao đổi từ máy chủ đến thiết bị lưu trữ (tủ đĩa, tủ tape…) Ngoài ra SAN còn cho phép chia sẻ các thiết bị lưu trữ trên mạng SAN khi có nhiều máy chủ có yêu cầu truy cập đến cùng một thiết bị lưu trữ

Thiết bị lưu trữ SAN (SAN Storage) cho phép tập trung các thiết bị lưu trữ đơn lẻ thành một mạng riêng hoặc tham gia vào mạng đã tồn tại, cung cấp tốc độ truy cập giữa các khối trong mạng nhanh, hầu hết các giao thức được triển khai trong SAN là giao thức kênh quang Giao thức này hoạt động chủ yếu ở tốc độ 1 Gbits/giây hoặc 2 Gbits/giây Một số thiết bị hiện đại đã cho phép tốc độ truyền lên đến 10Gbits/giây SAN cung cấp thiết bị lưu trữ cho máy chủ khác với mô hình thiết bị lưu trữ đính kèm server – DAS (Direct Attached Storage), SAN tránh được nghẽn cổ chai khi có nhiều server gửi dữ liệu đến thiết bị lưu trữ (Hình 2.1 và hình 2.2 ) Giảm được chi phí khi mở rộng hoặc giảm bớt các thiết bị trên SAN

Khi nói đến SAN, chúng ta thường liên tưởng đến việc truyền tải dữ liệu SCSI qua kênh quang Mặc dù đây là ví dụ phổ biến của SAN, kênh quang còn hỗ trợ nhiều giao thức khác như HiPPI (High- Performance Parallel Interface ), IP (Internet Protocol), FDDI (Fiber Distributed Data Interface), VI (Virtual Interface) và ATM Trong đó có IP, SCSI, VI được sử dụng phổ biến [1]

Hình 2.1 Thiết bị lưu trữ gắn liền với server

Hình 2.2 Thiết bị lưu trữ trên SAN

Một SAN được xây dựng từ ba thành phần chính là: thiết bị đích, thiết bị khởi tạo

và thiết bị kết nối Trong đó thiết bị đích thường là thiết bị lưu trữ như tủ RAID, tủ nhóm đĩa JBOD (Just a Bunch of Disks) Trong nhóm này còn có thiết bị sao lưu ( Backup device) được sử dụng phổ biến cho các thiết bị lưu trữ nhằm sao lưu cơ sở

dữ liệu hoặc file dữ liệu Các đĩa của JBOD không hiển thị trên SAN mà được gán

một địa chỉ và được quản lý bởi các khối điều khiển Các khối điều khiển này gộp các đĩa thành một hoặc nhiều đĩa lớn hơn và có thể có thêm RAID cho các đĩa này sau đó mới cho phép máy chủ truy cập vào Điều này có nghĩa rằng máy chủ chỉ truy cập theo đĩa logic (nhóm các đĩa vật lý) chứ không làm việc với từng đĩa đơn lẻ [8,9] Thiết bị khởi tạo (initiating device) là thiết bị tương tác với thiết bị đích Ví dụ máy chủ hoặc máy trạm (thông thường được gọi là host) yêu cầu truy cập thông tin trên nhóm đĩa Sự khác biệt giữa thiết bị khởi tạo và thiết bị đích là thiết bị khởi tạo chủ động tìm kiếm thiết bị đích và khởi tạo việc giao tiếp trong khi thiết bị đích là thiết bị bị động

Thành phần không kém phần quan trọng của SAN là thiết bị kết nối (interconnecting device), được đặt tên là chuyển mạch (switch) Switch tạo nên nền tảng của truyền dẫn quang bằng cách cung cấp các đường kết nối tốc độ cao phục vụ việc định tuyến và vận chuyển các khung dữ liệu Khi liên kết các switch với nhau thì switch còn cung cấp các dịch vụ trên Fabric Khi có một nhóm nhiều switch kết nối với nhau sẽ được gọi là một Fabric (Hình 2.3)

Có hai thiết bị kết nối khác có thể xuất hiện trên SAN là hub và router Hub trên mạng SAN có chức năng giống như hub trên mạng Ethernet Hub là một hộp gồm nhiều cổng cung cấp kết nối đến các thiết bị khác Băng thông của hub là 1 Gbits/giây

và được chia sẻ cho tất cả các thiết bị tham gia kết nối tới hub

Có ba kiểu kết nối (topology) chính để kết nối các hai thiết bị Kiểu thứ nhất là điểm tới điểm (point to point) Kiểu này được sử dụng để kết nối thẳng giữa hai thiết

bị Trong mô hình này các thiết bị kết nối không có địa chỉ Tất cả các frame đi trên mạng được ngầm hiểu là gửi đến thiết bị còn lại Mô hình kết nối thứ hai được gọi là vòng lặp phân xử (arbitrate loop) Trong mô hình này các thiết bị được kết nối với nhau thành một vòng (loop) Arbitrate Loop Physical Address (AL-PA) sử dụng 8 bit

để đánh địa chỉ các thiết bị tham gia trên vòng loop Mô hình kết nối thức ba được gọi

là Switch Fabric, mô hình này cho phép kết nối nhiều nhất số lượng thiết bị tham gia trên mạng Với Switch Fabric các thiết bị có thể gắn vào fabric hoặc bỏ ra mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác [1]

Hình 2.3 Một Fabric tiêu biểu

Thông tin gửi trên mạng dưới dạng các frame, frame chứa tiêu đề (header) và dữ liệu (payload) Tiêu đề chứa thông tin định tuyến, nó quy định dữ liệu đến từ đâu, kiểu frame là gì, đi đến đâu… Frame được bắt đầu bằng trường khởi đầu khung (Start of Frame – SOF) và kết thúc bởi trường kết thúc khung (End of Frame – EOF) Ngoài ra một khung còn chứa nhiều trường khác

Mỗi node trên mạng SAN đều có một địa chỉ WWN (worldwide name), địa chỉ này được gán định bởi nhà sản xuất giống như địa chỉ MAC của card mạng Khác với địa chỉ MAC, địa chỉ WWN không được sử dụng để truyền khung dữ liệu trên mạng Trên SAN, WWN được sử dụng để cấu hình phân vùng SAN

2.2 Phân tầng kênh quang

Khi tìm hiểu về kênh quang, các đơn giản là chia cấu trúc kênh thành nhiều tầng Người ta cũng dùng cách tiếp cận theo từng tầng khi gỡ rối (khắc phục sự cố) trên kênh quang Kênh quang được chia thành 05 tầng được đánh tên từ FC-0 đến FC-4 từ tầng môi trường truyền dẫn vật lý đến tầng các giao thức mức trên Hình 2.4 là mô hình phân tầng tiêu biểu

Hình 2.4 Phân tầng kênh quang

So sánh giữa mô hình kênh quang với mô hình OSI được thực hiện ở bảng sau

Mô hình kênh quang Mô hình OSI

Tên Tầng Tầng Tên

Common Services FC-3

Framing Protocol / Flow Control FC-2

Encode / Decode FC-1

FC-0 1 3

Mbi s/s

Networks Channels

N o d

e

P o r

t

2 6 Mbi s/s

5 1 Mbi s/s

1 6 Mbi s/s

2 2 Mbi s/s

4 5 Mbi s/s

Trong mô hình phân tầng của kênh quang, tầng FC-0 là tầng thấp nhất, đây cũng là tầng dễ phân biệt nhất bằng cách nhìn sự khác biệt của môi trường truyền dẫn, kiểu, kiểu đầu kết nôi… Tầng này quy định việc ánh sáng truyền trong cáp quang như thế nào Các thiết bị truyền và nhận hoạt động ra sao Hầu hết các công việc ở tầng này là làm việc với các khối của bộ thu hoặc phát

Tầng FC-1 quy định việc mã và giải mã dữ hiệu Khi gộp cả tầng FC-0 và FC-1 thì người ta thường gọi chung hai tầng này là tầng giao diện tín hiệu (signaling Interface) Tầng này nhận chuỗi các tín hiệu sau đó mã thành các ký tự có thể sử dụng

Mã hóa sử dụng là mã 8/10 bits – trong 10 bits có 8 bit là dữ liệu thực còn 2 bit được

sử dụng làm bit chẵn lẻ (Hình 2.5)

Hình 2.5 Mã hóa và giải mã tại mức FC-1

Tầng FC-2 chịu trách nhiệm xây dựng khung dữ liệu và điều khiển kênh truyền FC-2

là tầng thực hiện việc chuyển các khung (Frame) giữa nơi gửi và nơi nhận khung được phân loại thành khung dữ liệu và khung điều khiển kết nối

Nếu một khung là khung điều khiển kết nối thì trường dữ liệu của nó có giá trị bằng 0 Còn nếu là khung dữ liệu thì trường dữ liệu có thể có kích thước từ 0 đến

2112 byte Khung dữ liệu có thể được sử dụng dưới dạng khung dữ liệu - kết nối (Link-Data frame) và khung dữ liệu - thiết bị (Device-Data frame) Khung điều khiển kết nối được phân ra thành các loại: khung xác nhận Acknowldge (ACK) và khung trả lời liên kết Link-Response (Busy and Reject) [1]

Chức năng cơ bản của Fabric là nhận các khung từ cổng nguồn và định tuyến chúng đến cổng đích Đây là nhiệm vụ của mức FC-2 để chia dữ liệu cần truyền thành các khung và tập hợp các khung

Cấu trúc của một khung được mô tả như hình 2.6 Mỗi khung bắt đầu bằng trường SOF và kết thúc bằng EOF Header nằm ngay sau SOF được sử dụng để điều khiển các ứng dụng kết nối, điều khiển sự chuyển giao các giao thức và phát hiện sự thiếu hoặc sai thứ tự các khung Một header phụ có thể chứa nhiều thông tin điều khiển kết nối khác Tải tin tối đa 2112 byte chứa các thông tin chính cần truyền giữa cổng nguồn và cổng đích 4 byte CRC nằm trước EOF, CRC được sử dụng để phân tích các lỗi truyền dẫn

Hình 2.6 Tiêu đề của khung

Như vậy, một khung gồm có sáu phần cơ bản sau:

- Thứ nhất là đầu khung (SOF) SOF chiếm 4 byte, dấu phẩy và 3 byte chỉ ra loại dịch vụ kết nối

- Thứ hai là Frame Header (FH) Chứa thông tin điều khiển hoạt động kết nối, thực hiện định tuyến, xử lý giao thức và phát hiện lỗi hoặc sai thứ tự của khung Một trong những chức năng chính của FH là xác định duy nhất các khung đang hoạt động Một frame được xác định duy nhất bởi các trường sau: S_ID, D_ID, OX_ID, RX_ID, SEQ_ID và SEQ_CNT Sequence Qualifier sẽ xác định các chuỗi đang hoạt động và đang mở Sequence Qualifier bao gồm tất cả các trường trên trừ trường SEQ_CNT SEQ_CNT được sử dụng để xác

định vị trí của khung trong chuỗi Phần Option Header có thể chứa tới 4 loại header, đó là: Expiration Security Header (bao lâu thì Frame sẽ bị loại bỏ), Network Header (chứa thông tin liên quan tới các giao thức mức cao liên quan tới mạng, như IP), Association Header (gắn Frame với các định danh trao đổi khác) và Device Header (chứa các thông tin mức cao khác, như SCSI)

Các trường con trong Frame Header:

o R_CTL: Điều khiển định tuyến - phân loại chức năng của khung

o D_ID: Định danh đích - địa chỉ định danh cổng đích của khung

o S_ID: Định danh nguồn - địa chỉ định danh cổng nguồn của khung

o TYPE: Loại cấu trúc dữ liệu - phân loại dữ liệu của khung

o F_CTL: Điều khiển khung - điều khiển thông tin xử lý khung

o SEQ_ID: Định danh chuỗi - định danh duy nhất chuỗi khung

o DF_CTL: Các header tùy chọn trong trường dữ liệu

o SEQ_CNT: Biến đếm của chuỗi - Số khung nằm trong Sequence hoặc Exchange

o OX_ID: Định danh Exchange nguồn

o RX_ID: Định danh Exchange bên trả lời

o Parameter: thông tin về khung

- Tiếp theo là trường Payload Đối với các khung dữ liệu, trường này sẽ chứa dữ liệu của người sử dụng Đối với các khung điều khiển liên kết, payload không được sử dụng

- Trường CRC được sử dụng để kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu của trường FH và trường Payload

- Cuối cùng là phân cách kết thúc khung (EOF): là một tập có thứ tự báo hiệu kết thúc nội dung của khung Ngoài ra, EOF còn chứa các thông tin về tính hợp lệ của nội dung khung, mở hoặc đóng kết nối hoặc ngắt kết nối nếu cần Khung dữ liệu (gọi là frame type 1 hay FT-1) chứa các thông tin của các giao thức mức trên như SCSI, IP, IPI…, mỗi giao thức mức trên này tự định nghĩa tập hợp câu lệnh khi truyền qua kênh quang Khung dữ liệu cũng thực hiện các dịch vụ kết nối cơ bản Có 03 loại khung dữ liệu được sử dụng là:

Kiểu khung dữ liệu Sử dụng để

Link data frame

 Kiểm tra trạng thái và thời gian đăng nhập- Read status and timeout values

 Xác định khung được chấp nhận hay từ chối Determine whether frames are accepted or rejected

-Device data frame

(khung dữ liệu thiết

bị)

Hỗ trợ các giao thức tầng trên làm

 Thực hiện câu lệnh SCSI

 Truyền dữ liệu của người dùng

Video data frame

(khung dữ liệu video)

 Truyền dữ liệu data

Khung điều khiển ( Frame type 0 hay FT-0) là khung trả lời được sử dụng để duy trì đường kết nối FT-0 có nhiệm vụ điều khiển đường truyền, phát hiện và quản lý lỗi, quyết định xem khung được truyền đi thành công hay không Có 03 loại khung điều khiển là:

Kiểu khung Sử dụng cho:

Khung xác nhận- Xác nhận khung đã được gửi đi

FC-3 Cung cấp các dịch vụ phổ biết cho các port trên kênh quang Nó quản lý thông tin đăng nhập của từng port Trên tầng này mỗi port đều biết trạng thái của các port còn lại trên Fabric.Một trong những dịch vụ trên fabric là Name server, đây là dịch vụ cung cấp địa chỉ về các thiết bị kết nối trên fabric Trên mỗi một switch có thể có một name server, khi kết nối các switch lại các name server này sẽ chia sẻ thông tin với nhau, điều này làm name server trên mỗi switch đều có thể nhận biết được các name server còn lại Việc phân tán thông tin như vậy được gọi là dịch vụ phân tán trên fabric (distributed fabric services)

FC-4 quy định các dịch vụ mức trên như SCSI, IP, HiPPI, IPI và ATM được truyền trên kênh quang như thế nào FC-4 thực hiện việc đóng gói khung dữ liệu của các giao thức mức trên trên kênh FC FC-4 đảm bảo rằng dữ liệu hay câu lệnh của các giao thức mức trên được chia chính xác thành gói tương ứng với các khung dữ liệu của kênh quang, sau đó khung dữ liệu này được đưa xuống tầng FC-2 Tầng FC-2 gửi truy vấn đến FC-3 để có thông tin về nơi nhận, sau đó FC-2 thêm thông tin này vào tiêu đề của khung dữ liệu và gửi xuống tầng FC-1 để chuyển thành mã nhị phân rồi gửi lên kênh truyền

Ưu điểm của việc sự dụng các giao thức mạng trên nền kênh quang là tăng tốc độ truyền dẫn, tăng tính an toàn, linh động trong cấu hình Các giao thức này gồm có:

SCSI (Small Computer System Interface): là giao thức được sử dụng phổ biến

SCSI là một chuẩn ghép nối song song cho phép tốc độ gửi nhận dữ liệu lên đến 80 MB/giây Các thiết bị chuẩn SCSI có thể đâu nối mắt xích với nhau tạo thành chuỗi các thiết bị SCSI Khi truyền trên kênh quan chuẩn SCSI có thể đạt tốc độ lên đến 100 MB/giây FCP là tên của giao thức FC-4 cho SCSI

IP (Internet Protocol): Truyền dữ liệu IP qua kênh quang được sử dụng khá

phổ biến trong các mảng như: sao lưu dữ liệu, giám sát thiết bị IP qua kênh quang Công nghệ truyền dữ liệu IP qua kênh quang cho phép tốc độ truyền dẫn cao hơn hầu hết các công nghệ mạng Ethernet hiện có

VI (Vitual Interface): là giao thức chuẩn quy định việc truyền thông thông tin

cluster qua kênh quang Giao thức này được dùng bởi các cơ sở dữ liệu phân tán, file hệ thống và các ứng dụng cluster khác nhằm tăng hiệu quả truyền thông tin giữa các máy tính trên mạng

HiPPI (High Performance Parallel Interface): Là giao chuẩn giao thức được

sử dụng để truyền dữ liệu với tốc độ 800 Mb/giây cho các siêu máy tính Các máy tính này có tốc độ xử lý cao và yêu cầu dữ liệu vào ra ở tốc độ cao Dữ liệu có thể đọc từ bộ vi xử lý hoặc bộ nhớ trên từng máy đơn lẻ để hỗ trợ tính toán song song

FDDI (Fiber Distributed Data Interface): FDDI là một trong những giao

thức đầu tin được phát triển trên nền kênh quang FDDI sử dụng thẻ bài (token) để cấp quyền đăng nhập Tốc độ truyền của FDDI trên kênh quang có thể lên đến 100 Mbit/giây và được sử dụng phổ biến cho mạng xương sống của mạng WAN

2.3 Các mức dịch vụ và điều khiển luồng dữ liệu

Các mức dịch vụ quy định kỹ thuật nào được sử dụng để truyền dữ liệu, các mức dịch vụ khác nhau sẽ sử dụng cho kiểu dữ liệu khác nhau Ngoài ra mức dịch vụ còn quy định cách thức điều khiển luồng (Flow Control) Trên kênh quang có 02 loại điều khiển luồng chính là: End to End Flow control- Mỗi khi nhận xong khung dữ liệu nơi nhận sẽ gửi lại khung xác nhận (ACK Frame) đến nơi gửi Nơi gửi nhận được khung này sẽ tăng số trên thẻ xác nhận lên một đơn vị sau đó mới tiếp tục gửi khung tiếp theo Kiểu thứ hai là Buffer to buffer flow control Kiểu này được sử dụng giữa cổng của fabric với cổng của máy chủ hoặc cổng thiết bị lưu trữ (node port) hay giữa hai node port với nhau Với kiểu này để xác định khung có thể nhận, một tín hiệu (R_RDY – Receiver Ready) được gửi đi nhằm báo sẵn sằng nhận một khung Khi nhận được một số khung R_RDY thì nơi nhận sẽ hiểu rằng mình có thể gửi đi một số khung dữ liệu tương ứng [1,8,9,11]

2.3.1 Mức 1 ( class 1)

Dịch vụ mức một sử dụng đường kết nối giành riêng giữa nơi nhận với nơi gửi mọi khung dữ liệu gửi đi đều phải được xác nhận, điều này có nghĩa là khung ACK sẽ được gửi tới nơi gửi mỗi khi nơi nhận nhận được một khung dữ liệu Do kênh truyền

là giành riêng nên băng thông được sử dụng tối đa mà không phải chia sẻ cho các thiết

bị khác (Hình 2.7)

Khung dữ liệu trên kết nối mức 1 được đảm bảo sẽ đến nơi nhận đúng theo thứ tự với nơi gửi Chỉ có phương pháp điều khiển luồng End to End được sử dụng trong mức này Kết nối mức một thường được sử dụng cho các ứng dụng có yêu cầu khắt khe về mặt thời gian như ứng dụng liên quan đến tiếng nói, stream video

2.3.2 Mức 2 (class 2)

Là một dịch vụ có tính chuyển mạch khung, không hướng kết nối, cho phép chia sẻ dải thông bằng cách dồn kênh, ghép các khung từ nhiều nguồn khác nhau lên cùng một kênh hoặc lên nhiều kênh Fabric có thể không đảm bảo thứ tự của các khung, các khung có thể được chuyển đến đích mà không đúng như thứ tự khi truyền

Hình 2.7 mô tả hoạt động của dịch vụ mức 1

Dịch vụ mức 2 sử dụng cho các kết nối không định đường đi giữa hai port Trong mức dịch vụ này khung dữ liệu được gửi lên switch hay vòng lặp sau đó switch/vòng lặp sẽ có trách nhiệm chuyển khung đến nơi nhận bằng đường gần nhất Mức 2 cho phép các thiết bị chia sẻ băng thông cho tất cả các thiết bị Mức này sử dụng cả 02 phương pháp điều khiển luồng (End to End Flow Control và Buffer to Buffer Flow Control)

Dịch vụ này thường được sử dụng khi thời gian thiết lập kết nối lớn hơn thời gian trễ của một bản tin ngắn Cả hai loại dịch vụ mức 1 và mức 2 đều gửi các khung xác nhận ACK để xác nhận các khung đã được nhận tại cổng đích Nếu khung không được chuyển đi do xung đột, một khung Busy sẽ được gửi trả về và đầu phát sẽ gửi lại khung đó một lần nữa (hình 2.8)

2.3.3 Mức 3 (class 3)

Dịch vụ mức 3 giống như mức 2, ngoại trừ không sử dụng phương pháp điều khiển luồng End to End và có xác nhận ACK khi nơi nhận nhận được khung Dịch vụ mức này được sử dụng phổ biến cho giao thức SCSI cũng chính vì vậy dịch vụ nhóm này được sử dụng phổ biến trên SAN Mức 3 cho phép các thiết bị chia sẻ băng thông của SAN

Hình 2.8 mô tả hoạt động dịch vụ mức 2

Mức 3 được tối ưu sử dụng cho các tài nguyên trên fabric, nhưng các giao thức lớp trên phải đảm bảo các khung nhận được theo trình tự và yêu cầu thiết bị nguồn truyền lại các khung bị lỗi Mức 3 thường là lựa chọn chung cho kênh SCSI

Truyền dữ liệu không cần xác nhận thường được dùng cho các mạng truyền multicast hoặc broadcast hoặc cho các giao diện lưu trữ trên mạng vòng kênh quang

Mức 3 cho phép tăng tốc độ truyền dẫn (có tốc độ lớn nhất trong ba loại) Dịch

vụ này thích hợp với các trường hợp phát tin quảng bá thời gian thực - ở đó thông số thời gian là quan trọng nhất nên các thông tin không nhận được đúng thời gian sẽ không có giá trị

Hình 2.9 mô tả hoạt động dịch vụ mức 3

2.3.4 Mức 4 (class 4)

Dịch vụ mức 4 là dịch vụ không phải phổ biến, nó gần giốn với dịch vụ mức 1 nhưng trong mức 4 băng thông được chia thành các mạch ảo VC (virtual circuit), vì vậy mức 4 còn biết đến như là nhóm có băng thông chia nhỏ Với từng mạch ảo băng

thông được đảm bảo ở một tốc độ nhất định Dữ liệu từ một node sẽ chia thành nhiều khung, mỗi khung có thể đi trên mỗi VC khác nhau

Các mạch ảo được thiết lập giữa hai cổng giúp đảm bảo chất lượng của dịch vụ, bao gồm độ trễ và băng thông Mạch ảo giữa hai N_Port bao gồm hai mạch ảo đơn hướng, do vậy không cần thiết phải có cùng QoS Một N_Port cho phép có 254 mạch

ảo mức 4 kết nối tới cùng một N_Port hoặc các N_Port khác Cũng như mức 1, mức 4 đảm bảo các khung được phân phối tốt tới thiết bị nhận sẽ có xác nhận gửi về cho thiết

bị gửi Ngày nay, switch fabric sẽ chịu trách nhiệm cho việc quản lý các khung của các mạch ảo khác nhau Dịch vụ mức 4 được dùng chủ yếu cho các ứng dụng đa phương tiện như video, audio

Khi một kết nối mức 4 kích hoạt, switch sẽ điều khiển các khung từ node nguồn tới node đích Điều khiển khung là một cơ chế được sử dụng bởi switch nhằm điều chỉnh băng thông được phép trên mỗi mạch ảo Đây là mức điều khiển cho phép quản lý tắc nghẽn trên một switch và đảm bảo truy cập tới node đích Switch trộn lẫn các khung

từ các mạch ảo khác nhau giữa một cặp node

Dịch vụ mức 4 cung cấp khả năng phân phối các khung theo trình tự Điều khiển dòng dữ liệu end-to-end và cung cấp việc đảm bảo phân phối Mức 4 được dùng cho các ứng dụng thời gian thực như video, audio

2.3.5 Mức F (class F)

Dịch vụ mức F được sử dụng để điều khiển nội bộ fabric Khung dữ liệu mức F chỉ

có thể được gửi đi giữa các switch với nhau Vì vậy các thiết bị sẽ không nhận khung

dữ liệu nhóm này

2.4 Topo mạng lưu trữ:

Kênh quang có 03 topo tiêu biểu là: điểm tới điểm (point to point), vòng lặp phân

xử (arbitrated loop) và switch fabric Mỗi topo đều có ưu điểm, nhược điểm riêng và dùng cho các mục đích khác nhau Kiểu kết nối điểm tới điểm chỉ cho phép kết nối 2 thiết bị vì vậy kiểu này chỉ được sử dụng khi cần truyền dữ liệu ở tốc độ cao giữa 2 máy với nhau Kiểu kết nối vòng lặp phân xử cho phép kết nối nhiều thiết bị, nhưng chỉ có một thiết bị có thể gửi dữ liệu nên băng thông bị hạn chế- mô hình này không khác gì so với máy tính kết nối trong mạng tocken ring Ở những mạng SAN lớn kiểu kết nối switch được sử dụng phổ biến như một mạng xương sống, Hình 2.10 mô tả các kiểu topo nói trên

2.4.1 Cách gọi tên port trên mạng

Cũng như mô hình kết nối Switch Fabric, mô hình kết nối FC-AL đặt tên cho từng port khác nhau, tùy thuộc vào vị trí đấu nối Danh sách sau đưa ra các tên có trong mạng Switch Fabric và FC-AL [2]

Cổng kênh quang Mô tả chức năng

N_port Tất cả các port trên server và thiết bị lưu trữ đeuf được gọi là

N_port (node port

L_port Các cổng trên vòng lặp được gọi là L_port ( loop port)

NL_port Khi N_port có chức năng quản lý vòng lặp (arbitrated loop

function) được gọ là NL_port

F_port Cổng trên fabric (switch) được gán tên là F_port

FL_port Khi F_port có chức năng quản lý vòng lặp sẽ được gọi tên là

FL_port (Fabric loop port) E_port Là port được sử dụng để kết nối các switch với nhau Hay còn gọi

là inter-switch link (ISL)

G_port G_Port(generic port) là cổng có thể tự động định kiểu, nó có thể

tự động cấu hình thành

E, N, or NL port

Hình 2.10 các topo của mạng lưu trữ dữ liệu - SAN

Mỗi port đều có một động cơ giám sát trạng thái cổng (Loop Port State Machine- LPSM) làm nhiệm vụ khởi tạo, quản lý loop, mở và đóng vòng lặp

Mỗi LPSM đều có bộ lặp – repeater, repeater có nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin trên vòng lặp để đến được nơi nhận Để đơn giản cho vòng lặp và giảm giá thành các repeater này đều không có bộ đệm Với cấu hình FC-AL, cáp quang nhận và gửi cho

từng cổng chế tạo độc lập Đầu ra của một cổng là đầu vào của cổng tiếp theo trên loop (Hình 2.11)

Hình 2.11 Mô hình vòng lặp FC-AL

Khi một cổng trên vòng lặp có được quyền điều khiển, nó tạo một đường kết nối đến nơi nhận, đưa trạng thái của port nhận về trạng thái mở (open) Nơi gửi và nhận tiến hành truyền dữ liệu Hai cổng này có thể hoạt động ở chế độ song công (Full – duplex) và chiếm toàn bộ băng thông Các cổng khác vẫn phải hoạt động như các khối phát lại (repeater)[2]

2.4.2 Mô hình kết nối điểm tới điểm

Mô hình kết nối điểm tới điểm được sử dụng giới hạn trong một vài trường hợp, một trong những ví dụ tiêu biểu của mô hình này là kết nối từ thiết bị đến switch, đấu nối hai máy chủ với nhau trong các ứng dụng chia sẻ nội dung bộ nhớ (sử dụng phổ biến trong ứng dụng chạy cluster)

Trong mô hình kết nối điểm tới điểm các thiết bị tham gia kết nối không có địa chỉ, khung dữ liệu gửi đi từ nơi gửi mặc định được hiểu là gửi đến nơi nhận Mô hình kết nối điểm tới điểm được cài đặt khá đơn giản bằng cách đấu nối cáp vào đầu connector của nơi gửi và nơi nhận Kết nối điểm điểm cho phép hai thiết bị sử dụng toàn băng thông kênh truyền khi trao đổi dữ liệu (Hình 2.12)[1]

Hình 2.12 Mô hình kết nối điểm điểm

2.4.3 Mô hình kết nối vòng lặp có trọng tài phân xử (FC- AL)

Mô hình kết nối lặp có trọng tài phân xử - Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) cho phép kết nối nhiều thiết bị mà không cần đến thiết bị chuyển mạch trung gian như switch, số thiết bị có thể đấu nối vào một vòng lặp lên tới 127 thiết bị

Hình 2.13 Mô hình kết nối vòng lặp có trọng tài phân xử

Mạng kết nối theo mô hình vòng lặp có trọng tài phân xử thường được triển khai với 02 vòng lặp song song nhằm tăng tính sẵn sàng kháng sự cố Nếu sự cố xảy ra với một vòng thì vòng dự phòng sẽ lập tức được sử dụng thay thế

FC-AL sử dụng bộ lặp tín hiệu ở mỗi node trên vòng Bộ lặp này không sử dụng

bộ đệm mà chỉ đơn thuần là tăng cường tín hiệu FC-AL được triển khai chủ yếu theo mức 3 (class 3) Hầu hết các thiết bị lưu trữ hiện có sử dụng mô hình kết nối FC-AL.[1]

2.4.3.1 Cơ chế thâm nhập mạng FC-AL

Giống như mạng Tocken ring sử dụng thẻ bài để kiểm soát quyền làm chủ bus, FC-AL sử dụng cơ chế hoạt động của LPSM (Loop Port State Machine) để khởi tạo, quản lý, truyền dữ liệu, mở, đóng vòng lặp[2,4,5,6]

Hình 2.14 cơ chế hoạt động của LPSM

Stt Mô tả

1 Khi vòng lặp được khởi tạo lần đầu, LPSM vào trạng thái khởi tạo

(Initializing) và bắt đầu thủ tục khởi tạo vòng lặp

2 Khi kết thúc quá trình khởi tạo, vòng lặp rơi vào trạng thái không sử dụng (idle) và LPSM của các port rơi vào trạng thái giám sát (monitoring)

3 Khi port có yêu cầu truy cập vòng lặp, LPSM sẽ chuyển sang trạng thái đang phân

xử (Arbitrating)

4 Sau khi có được quyền trọng tài loop, LPSM sẽ chuyển trạng thái của mình thành

Arbitration Won, và gửi tín hiệu OPN để mở cổng đích cần gửi dữ liệu đến

5 Khi cổng nhận nhận được tín hiệu mở công OPN, cổng nhận chuyển sang trạng thái OPEN để hoàn tất vong lặp, kể từ lúc này dữ liệu có thể được trao đổi

6 Khi một trong các port kết thúc việc khung dữ liệu gửi đi nó sẽ gửi tín hiệu CLS để

báo kết thúc vòng lặp sau đó chuyển trạng thái về Transmitted Close state

7 Khi cổng còn lại nhận được khung tín hiêu CLS, nó chuyển trạng thái về

Received Close, kết thúc việc gửi các khung dữ liệu và gửi tín hiệu CLS để kết thúc

kết nối

8 Cổng ở trạng thái Transmitted Close nhận được tín hiệu CLS sẽ chuyển trạng thái

của mình về trạng thái giám sát Monitoring

Khi có nhiều port cùng đưa yêu cầu chiếm vòng lặp thì Loop master sẽ căn cứ vào thứ tự ưu tiên của từng port để phân định, port nào có ưu tiên cao hơn sẽ được được quyền sử dụng vòng lặp

Giống như tocken ring, Tại một thời điểm trên vòng lặp FC-AL chỉ có một thiết bị

sử dụng vòng lặp để gửi dữ liệu các thiết bị khác muốn tham gia vòng lặp phải đợi phiên truyền nhận của thiết bị này kết thúc

2.4.3.2 Đánh địa chỉ trên mạng FC-AL

Như đã trình bày ở phần trên, tiêu đề của khung gồm 24 bit để đánh địa chỉ nơi nhận khung và 24 bit để đánh địa chỉ nơi gửi khung FC-AL chỉ sử dụng 08 bit cuối của 24 bit dữ liệu này để đánh địa chỉ nơi truyền hoặc nơi nhận Trong các trường hợp vòng loop được gắn vào fabric thì sẽ sử dụng thêm 16 bit cao để đánh địa chỉ cho FL_port [2] Cấu trúc địa chỉ như sau:

Hình 2.15 Cấu trúc địa chỉ của mạng FC-AL

Từ hình vẽ này cho thấy FC-AL sử dụng dạng rút gọn của dải địa chỉ 24 bit Dạng này được gọi với tên là Arbitrated Loop Physical Address (AL-PA)

Quá trình khởi tạo vòng lặp đòi hỏi phải có một port làm port quản lý vòng tạm thời (temporary loop master) Quy định chọn port này như sau:

- Chọn FL_port đầu tiên, nếu trong vòng lặp chỉ có một FL_port, nếu có nhiều hơn một FL_port thì port nào có giá trị thấp nhất sẽ được chọn

- Nếu không có FL_port thì NL port với giá trị thấp nhất sẽ được chọn

Sau khi chọn được port quản lý vòng lặp tạm thời khi các port còn lại muốn sử dụng kênh truyền phải gửi khung ARB (Arbitrating) lên vòng lặp và port quản lý sẽ gán địa chỉ AL-PA cho port đó

Gán định địa chỉ AL-PA cho từng port là một trong những việc được thực hiện khi khởi tạo vòng lặp bởi port quản lý Ban đầu port quản lý (loop master) sẽ tạo ra một

bảng địa chỉ gồm 128 bit Bảng địa chỉ này sẽ được gửi đi trên vòng lặp tới từng node Mỗi node sẽ nhìn vào bảng này để xác định địa chỉ chưa được gán (unassigned address) và điền vào vào địa chỉ này để đánh dấu rằng địa chỉ này đã được gán cho mình, sau đó truyền tiếp bảng này đến node kế cận Khi bảng địa chỉ về đến node quản

lý nó sẽ nhận được địa chỉ của toàn bộ các node trên vòng lặp

Mô hình FC-AL sử dụng điều khiển luồng dữ liệu mức 2 hoặc mức 3 tùy thuộc theo ứng dụng

2.4.4 Mô hình Switch Fabric

Mô hình kết nối Switch Fabric cho phép kết nối hang nghìn node lại với nhau Switch Fabric cho phép thêm, bớt thiết bị mà ít làm ảnh hưởng đến các thiết bị đang hoạt động trên mạng, đây là một ưu điểm lớn của Switch Fabric so với các mô hình khác[1,5]

2.4.4.1 Switch Fabric làm việc như thế nào?

Giao diện Switch Fabric được thiết kế là duy nhất, các thiết bị kết nối vào mạng Switch Fabric có thể giao tiếp với các thiết bị khác mà không cần biết thiết bị đó được đấu nối theo mô hình nào

Cổng trên host nối trực tiếp vào Switch Fabric được coi là NL_port Trên Switch Fabric có các F_port để đấu nối với các thiết bị khác Mạng FC-AL có thể kết nối vào Switch Fabric qua cổng FL_port

Với mạng Switch Fabric nhiều kết nối có thể hoạt động đồng thời, mạng Switch Fabric còn được gọi là Switch topology, khung dữ liệu trên mạng này được định tuyến qua các switch bởi phần tử thông dịch trên mỗi switch Phần tử thông dịch hoạt động dựa trên trường địa chỉ nơi gửi trên mỗi khung dữ liệu Số lượng port trên Switch Fabric bị giới hạn bởi trường địa chỉ trên khung dữ liệu (24 bits)[2,4,5,6]

Hình 2.16 Một mạng Fabric

Trong nhiều môi trường làm việc của SAN, một node có yêu cầu truy nhập vào các node còn lại trên SAN, Tuy nhiên cũng có nhiều trường hợp phát sinh yêu cầu cấm node đăng nhập vào các node còn lại Switch cho phép chia các node thành các vùng (zone) khác nhau Trên mỗi vùng người quản trị có thể đặt các chính sách đăng nhập khác nhau Một node trên SAN có thể thuộc về nhiều vùng khác nhau, node trên một vùng có thể giao tiếp với các node còn lại trên vùng đó (Hình 2.17)

Hình 2.17 Phân vùng trên fabric