存储网络的光域互联

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随着电信行业大环境的整体滑坡和网络泡沫的破灭，预计在未来几年内，进一步挖掘已建网络的潜力是运营商在网络建设中的主要思路。而通过新技术对现有的网络进行优化，实现增值业务的适量开发，以少量的投入获得最佳效益，将是拓展网络生命力的有效手段。
存储网络承载着大量的增值业务和后台信息，是电信运营商的主要支撑网络。因此，提高存储网络的存储效率和可靠性，是优化电信支撑网络的关键。光网络依靠其固有的容量大、速率高、传输距离长和QoS好等优势，比传统的SCSI方式具有更广阔的发展空间。因此，利用光网络实现存储网络的互联，不仅有利于存储网络的发展，也将是未来光网络的一个热点。
1、VSR下的激光器
VSR（Very Short Reach，甚短距离传输）被ITU-T G.693定义为小于300 m的设备之间互联，已被视为降低中心局接口价格的主要手段。对于本地间的SAN备份，完全可以选择经济合理的光源，VSR是一个理想的解决方案。
VSR继续沿用各种SDH标准光接口，通过并行光技术来取代昂贵的串行互联。以10 Gbit/s为例，16路STM-4信号被12只850 nm VCSEL（垂直腔表面发射激光器）组成的激光器阵列映射到12条1.244 Gbit/s的光纤链路中，经过重新组合后再以10 Gbit/s的速率发送出去。VCSEL阵列制作在一块芯片上，它的封装成本与封装一只单波长激光器的成本相同，因此业务提供者可节省大量的投资成本。由于信号在多条线路上发送，而每条线路的速率很低，可降低发射功率，直接调制，所以这种技术只需要低成本的光设备。VCSEL的基本结构如图1所示。

图1　VCSEL的基本结构

目前常用的SDH设备和存储设备都使用半导体激光二极管（LD）作为光发送机的光源。半导体激光二极管是通过F-P（Fabry-Perot）谐振腔提供光反馈，使光在谐振腔内来回反射，不断得到放大振荡，最后利用异质结的电子辐射跃迁，在侧面实现光的受激辐射。VCSEL光源的谐振腔位于晶粒层之间，光束是从晶粒的垂直面而非传统的侧面发射的。
目前广泛使用的VCSEL的波长大多为850 nm。相对于VSR而言，由于无需考虑1 310 nm和1 550 nm两个窗口的长距离传输，加上光功率受限，因此使用VCSEL解决VSR是一个非常理想的方案。国内在VCSEL上已实现1.25 Gbit/s和2.5 Gbit/s两种速率，下一步将是向10 Gbit/s和Array VCSEL迈进。
通过在SAN设备中或光纤通道交换机上内置VSR激光器，就可以更经济更方便地解决本地SAN备份问题。在长距离SAN备份时，则可以利用VSR做激光器的内部转接。
2、光纤操作系统
传统的存储网络通过并行SCSI实现DAS（直接存储），但这种68 PIN的“菊花链”式连接的设备数目有限，而且是在68 PIN上同时进行信号的接收和发射，线缆之间的干扰非常严重，导致在提高速率时（并行SCSI的速率可以是40 Mbit/s、80 Mbit/s和160 Mbit/s），物理连接距离从理论上的25 m降低到了实际上的12 m。
作为业界的四大存储巨头之一，IBM在解决并行SCSI传输的问题上提出了独有的ESCON和FICON两种方法。ESCON是一种主机信道，在光纤上支持200 Mbit/s的数据速率，可以达到3～10 km的传输距离。FICON是另一种主机信道，在光纤上支持1 Gbit/s的数据速率，传输距离为10～20 km。在某些部分，FICON借鉴了FC（Fiber Channel）的概念对ESCON进行了适量修改，但在故障恢复等一些关键机制上还是和FC有很大的区别。最为关键的是，ESCON和FICON是IBM私有的协议接口，任何厂商使用该接口互联都必须经过IBM的严格测试，这在一定程度上限制了ESCON和FICON的普及，也就成了FC诞生的催化剂。
使用FC构建SAN是业界普遍认可的方案。它的具体思路是，尽量摆脱电缆的连接，将各种存储服务器用光纤连接，提供企业级扩展能力、可管理能力、可靠性和可用能力的存储网络。通常而言，它比仲裁环、PTP的FC连接有更好的性能，即各服务器直接用FC接口连接到Fabric交换机上，由Fabric交换机负责对外的连接。
FC的分层协议结构如图2所示。

图2　FC的分层协议结构

作为一种串行全双工技术，在ANSI标准X3.230-1994中FC的传输速率可达1.06 Gbit/s，传输距离为10～20 km。在纠错能力和流程控制上，FC是原有铜线网络的1000倍。FC支持设备上的热插拔，增减设备对网络无影响。FC还是一种基于协议的技术，在物理层上光纤和铜缆两种连接可选，这也正是我们使用“FC”而不是“Fiber Channel”的原因。
随着存储技术的不断进步，业界提出了iSCSI和InfiniBand的概念。iSCSI是SCSI和IP相结合的产物，通过对SCSI数据块进行TCP/IP打包，由IP网络来承载SCSI，具有很强的通用性。iSCSI的帧结构与FC类似，由起始标识、帧头、地址段、应用数据和帧尾组成。iSCSI给存储网络带来了另一个发展方向——IP存储技术，进一步扩展了存储网络的传输距离。更重要的是，利用iSCSI构建IP SAN，与FC SAN互联，可更方便地实现NAS和FC SAN的连接。而InfiniBand是一个协议组，目标是协调来自不同厂商的多种不同标准，其设计思路是通过一种交换连接来消除PCI总线的性能瓶颈。从最近的动态看，InfiniBand进展缓慢，是否能够进入商用很成问题。
3、GFP/LCAS/VCAT
SAN是一类需要带宽利用率高、对线路编码数据透明传输时延敏感的业务。作为一种创新的适配机制，GFP为SAN在SDH光网络的互联及数据传输提供了一种有效的解决方案。
数据包在SDH网络上传送主要有3类映射方式：PPP/ML-PPP（HDLC类）、LAPS和GFP。前两类方式由于涉及对客户信号切割/映射等效率低的操作等诸多弊病，在实际应用中并不理想。GFP在传送用户信号方面表现出独特的优势：采用专有字节进行全新的帧定界，引进多服务等级的概念等。
GFP因客户信号的差异分为帧映射（GFP-F）和透明映射（GFP-T），其基本用户帧由核心头部（4字节）和净负荷（4～65 535字节）两部分组成。帧头用来支持上层协议对数据链路的一些管理功能（依特定高层客户信号而定），由类型域及其HEC检验字节和可选的GFP扩展帧头组成，提供了用于链路管理、业务种类区分等的必要开销（如净负荷类型标识、净负荷标识、扩展帧头标识和用户净负荷类型标识）。8个比特组成的用户净负荷类型标识所包含的封装SAN类客户信号的类型代码见表1（对于Infiniband等客户信号的透明映射GFP形式，目前仍在研究中）。

表1　用户净负荷类型标识对应的客户信号类型

GFP-T的特点是帧长固定，适用于处理DVB等实时业务和以块码（Block-code）为主导、基于8B/10 B编码的连续固定比特流信号，如SAN中应用的FC/FICON、ESCON/SBCON等。具体操作是：对这类块状编码的业务信号字节首先进行解码处理，将8B/10B数据信息还原为8比特数据值和原先的控制字符，然后再将这些字符按一定的规则映射为64B/65B块码；每8个65B块码构成一个（536，520）超级块（Super Block），多个超级块映射到定长的GFP帧时立即发送，无需等待整个业务信号帧接收完毕。GFP-T不仅提供了比8B/10B编码方式高6.25%～16.25%的带宽利用率，而且与GFP-F需对整个客户信号进行缓冲相比，极短的映射/解映射时间对于传输时延敏感的SAN协议至关重要。
虚级联（VCAT）技术在传送网中提供了一种更加灵活的通道容量组织方式。当需要承载的业务带宽不能和SDH定义的一套标准虚容器（VC）有效匹配时，可以使用VC级联，它的优势是仅要求通道两端的设备支持虚级联并且可大量节省传输带宽。
LCAS（由ITU-T G.7042标准化）是在虚级联技术基础上发展的一种双方握手的传送层信令协议。虚级联只是规定了可以把不同的VC级联起来，但是实际传送中数据业务流的带宽是动态的。该机制可根据业务流量模式对所分配的虚容器带宽进行动态调整（尤其在支持GFP时），使数据业务在SDH平台上能够高效地传送，提高了虚级联的健壮性。
4、MSTP/CWDM/DWDM
实现存储网络的异地备份有Mirror（镜像）、Cluster（集群）、Replication（文件复制）和SSI（单系统镜像）等多种方式，但无论采用何种策略，在WAN侧建立一个合适的跨域连接是组网的基础。
一般而言，当异地备份的距离在10 km以内时（如同城的两个IDC机房），一些FC交换机（如Brocade的Silk Worm）可以直接通过自身的光口互联，企业只需向ISP租借光纤即可，这也是目前国内比较常见的异地备份方式。如果是距离超过了50 km，甚至上百千米的国内分支机构的互联，就不仅要利用ISP的光纤资源，而且要考虑ISP的设备资源。
在传统含义上，利用DWDM是最有效的WAN连接方式。通过T-MUX实现多波长的FC汇聚，再由OTU实现G.692波长的转换。在传输过程中，ESCON/FICON/FC信号被G.709定义的Digital Wrapper进行完全透明的数字封包。到达业务终点，数据帧再由交换机的E_PORT端口送回SAN网络。值得注意的是，考虑到距离因素和光报文，两台交换机使用DWDM互联时，需要配置更多的可利用的帧缓存。
与DWDM相比，CWDM是一种更经济有效的传输方案。但需要指出的是，虽然使用CWDM不存在任何技术上的问题，但任何运营商组网时更多的是考虑网络的可持续发展性，不可能仅为SAN而组建一个光网络。因此，为了便于业务的扩展，DWDM方案的采用往往领先于CWDM。由于目前已有个别厂商承诺，能够对部分CWDM波长实现更细致的DWDM划分，这种能向DWDM过渡的CWDM产品将会是存储系统的首选。
诚然，GFP的出现给SAN的发展带来一个新的机遇。部分厂商通过提供ESCON/FICON/FC接口，使得存储交换机可以直接连接MSTP，实现业务的透传。但是否使用SDH完成SAN的互联在业界一直存在很大争议。一些厂商认为，只有WDM能完全透明地传送，而SCSI、FC和SDH帧进行互相映射时，势必要添加一个转换器，而且MSTP网络的互通远没有开放型WDM那么方便，导致不同公司的存储私有协议难以互通。此外，各种专有协议接口的集成、测试和认证，将耗费大量的人力、物力和财力。一个典型的使用存储网络实现远距异地备份的方案如图3所示。

图3　使用存储网络实现远距异地备份的方案

5、结束语
目前，国外的各大企业、银行的存储网络通过光域实现互联已成为非常普遍的现象，而国内由于种种客观原因，通过光域互联的存储网络还不太多，但光网络在存储网络中的应用趋势不应受到怀疑。预计SAN和OTN的结合将是光网络继ASON和FSO之后的下一个发展热点。