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光纤通道网络FC vs 以太网光纤通道FCoE

存储
2022-11-10
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更新：2022-11-10 23:04:06

### FC/光纤通道网络

FC，Fiber Channel，是一套完整的协议栈，有着自己的物理层规范FC-0和FC-1。向上的FC-2P负责帧封装，并通过Buffer-to-Buffer Credit这种可靠传输机制来实现链路层面上的无丢包，功能上类似于TCP滑动窗口。存储节点通过HBA网卡支持FC，其中的FC端口被称为VN_port，每个VN_port都有一个24位的FC-3层地址FCID。FC中不需要进行链路层寻址，通信节点将以FCID作为源/目的地址，FC Switch间交互FSPF（Fibre Channel Shortest Path First，光纤通道最短路径优先）形成转发表，根据目的FCID进行寻址，所以说FC Switch在本质上是一台路由设备。FC-2M夹在FC-2P和FC-3两层之间，负责多个FCID地址的复用。

每个FC结点都有64位的WWN（Wold Wide Name），结点上的每个端口都有64位的WWPN（World Wide Port Name），对FC网络中的元素进行全球唯一的标识，相当于以太网中的MAC地址，只不过FC Switch并不用它来进行寻址。FC结点使用周知的FCID地址FFFFFE向Login Sever发送 FLOGI（Fabric Login，交换网登录）消息以自动获取FCID，这一过程类似于IP中的DHCP。FC获得FCID后要向地址为FFFFFC的Name Server发送PLOGI（Port Login，端口登录）消息，Name Server记录下WWN/WWPN和FCID的映射关系后回复确认消息。此时通信还不能直接开始，类似于TCP握手，源FC还需要通过PLOGI消息与对端进行FC-4层的协商，协商过后应用层才能开始进行通信。FC中也有类似于IP中DNS的名字解析机制，结点/端口命名可以使用基于字符串的Symbolic Port Name，Name Server中会记录Symbolic Port Name与FCID的映射关系，其他端口可以向Name Server查询已登录的端口信息。上述交互过程如下图所示。

可见，FC的通信过程与IP还是有着很多类似的机制的，最主要的区别是FC只使用FCID进行寻址，结点/端口标识WWN/WWPN并不出现在通信的数据帧中，这里的原因也很简单——64位的WWN/WWPN太长了，会影响FC的转发效率。

### FCoE/以太网光纤通道

数据中心服务器既要通过LAN网络提供IP业务的服务，又要通过SAN网络实现存储设备的访问。传统的网络架构中，服务器分别安装独立的以太网卡和FC网卡，以太网卡通过以太网交换机接入IP网络，FC网卡通过FC交换机接入存储网络。由于分别搭建两个网络，使用两套接入网卡，以及相应的线缆，设备投资及维护管理成本非常高。

这里，FC报文通过承载SCSI协议实现存储流量的转发及控制， FC报文中包含源FCID、目的FCID字段， FC交换机负责分配该地址（类似DHCP）并根据此字段进行路由转发（类似以太的源IP、目的IP字段及三层转发）。而FCoE技术的目标是整合以太网和FC存储网络，减少数据中心的网卡，交换设备以及线缆的使用数量，降低成本。

<center>图：FCoE实现I/O整合示意图
</center>

FCoE，Fibre Channel over Ethernet的缩写。FCoE是一个由思科公司开发的技术，采用增强型以太网作为物理网络传输架构，能够提供标准的光纤通道有效内容载荷。简单来讲，FCoE是将FC报文封装为以太格式进行传输和处理的方法， 达到FC网络和以太网络融合的目的。以太网光纤通道 (FCoE) 将光纤通道存储数据压缩到以太网 LAN，消除了数据中心中单独存储网络的管理和成本负担。

> FC组网需要服务器和存储上有HBA网卡（该网卡实现FC协议栈）， 交换机上有FC端口；
>
> FCoE组网需要服务器和存储上有CNA网卡（该网卡有两个协议栈，分别是以太和FC）， 交换机上有支持FCoE功能的以太端口。

将FC整合到以太网中，做法是**使用Ethernet的帧头去代替FC-2**，保留上层的FC-3和FC-4，**FCoE数据封装**如下所示。这里提一句，FCoE将服务器的FC结点称为ENode，FCoE交换机称为FCF。

FCF发送报文时，封装报文源MAC地址为本交换机FCF MAC，目的MAC地址为ENode FPMA地址或对端FCF MAC；ENode发送报文时，封装报文源MAC地址为自己的FPMA地址，目的MAC地址为对端FCF MAC。Priority为FCoE报文优先级，默认为3，可配置。**VLAN ID标识当前承载FCoE流量的VLAN**。

FCoE网络中，服务器通过一块CNA网卡同时支撑IP和FC-3两套协议，相当于HBA和Ethernet NIC的合体。FCoE的以太网类型是0x8906，其外层MAC地址的写法比较讲究，后续通过具体的通信流程进行介绍。

外层的VLAN对于FCoE来说同样非常关键，其原因主要有二：

<span>◼ </span>首先，**FCoE流量必须在无损无丢包的以太网链路上进行传输**，这完全依赖于PFC和ETS机制，而这两种机制都需要根据VLAN标签来对流量进行分类，因此FCoE流量必须承载在特定的VLAN中；

<span>◼ </span>其次，FCF要实现存储网络内部的虚拟化，需要使用不同的VLAN来承载不同VSAN（Virtual Storage Area Network）的流量。那么外层以太网封装时具体该使用哪个VLAN呢？这就要看FCoE的控制平面了。

FCoE使用FIP（FCoE Initialization Protocol）作为**控制平面协议**，其以太网类型为0x8914。FIP主要负责以下三个工作：

<span>◼ </span>VLAN发现。FIP在Native VLAN中通过VLAN发现报文与邻居协商后续FIP信令和FCoE流量所使用的VLAN，其缺省值为1002。

<span>◼ </span>FCF发现。FCF在所有FCoE VLAN内定期组播发现通告报文，使得当前VLAN内的所有的ENode发现自己。

<span>◼ </span>FLOGI/PLOGI。与FC中相应过程一样，FCF作为Login Server为ENode分配FCID，同时作为Name Server记录ENode的登录信息。

经过上述三个阶段后，FCoE网络的初始化工作就完成了，FCoE流量得以无损地在以太网中传输。下面来看一个多跳FCoE网络中典型的报文转发流程。

> 支持FC和FCoE协议的交换机，称为FCF（FCoE Forwarder，FCoE交换机）。

由于FCF本质上是一台路由设备，因此FCoE报文经过FCF转发时FCID不变，而外层的MAC地址会逐跳地改写。我们知道IP和MAC是通过ARP协议联系在一起的，那么FCID和MAC该如何映射呢？FCoE为ENode规定了如下的映射方法：使用FC-MAP填充MAC地址的高24位，低24位填充为FCID，得到FPMA作为自己的以太网地址，而弃用CAN网卡出厂时的MAC地址。其中FC-MAP为FIP的FCF发现阶段中，FCF告诉ENode的信息，每个VSAN内部的ENode都使用相同的FC-MAP，不同的VSAN使用不同的FC-MAP。而对于FCF来说，不进行这种转换，直接使用本机MAC地址FCF-MAC进行外层以太网封装。同一个VSAN内的报文都在同一个VLAN内传输，FCF进行per VLAN的MAC地址学习，保证了VSAN间的隔离，不同VLAN的优先级不同，通过PFC和ETS进行差异化的传输控制。

**使用 FCoE 后的好处**：

1、 每个服务器只需要一个专用适配器（网卡），一套布线（以太网）系统（以前需要多个网卡，多套布线（以太网和光纤）系统）；

2、 机房不再要支持更多设备：空间、耗电、制冷，更加节能绿色

3、 只有一套网络，统一管理维护简单（原来是多套网络无法统一管理，不同的维护人员维护困难）

4、 部署/配置/管理/运维简单 .

**FCoE的局限性**：

虽然FCoE能够提供高速光纤通道流量和统一的I/O架构，但FCoE的采用比预计的要缓慢。

FCoE确实可以通过调整现有的FC系统降低成本，但它也具有FC的局限性：需使用专门的设备和技术，管理起来更加复杂。FCoE不使用IP报文头，从而减少了协议处理开销，但协议分析结果却表明，启用巨帧时，FCoE和iSCSI之间效率是非常接近的。其在部署上还要求对数据中心桥接(Data Center Bridging，简称DCB)以太网进行改进。

业界分析，技术仍不成熟、厂商特性或功能的不一致导致互操作性问题、标准仍不明确、8Gb和16Gb光纤通道与千兆以太网和万兆以太网相比，已不再具备明显的性能优势、成本优势仅在特定环境通过减少重复建设体现出来等原因，导致FCoE的采用没有实现当初的预期。

**参考资料**

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/268891638

2、https://www.sdnlab.com/16654.html

3、https://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/08/11/2633311.html

4、https://support.huawei.com/enterprise/zh/knowledge/EKB1000655699
5、https://www.h3c.com/cn/d_201505/868683_30003_0.htm#_Toc403141614

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