Applicazioni diverse richiedono soluzioni di comunicazione differenti, ma le necessità di ottimizzazione stanno partando a una convergenza che permetterà risparmiare sui costi di hardware e personale.
Tradizionalmente, in un data center l'infrastruttura si basa su Ethernet per la connessione tra loro dei server, con una rete Fibre Channel separata per il trasferimento veloce di dati tra server e storage, da cui la convivenza di due reti separate che hanno finora soddisfatto esigenze diverse. Ma la pervasiva presenza di Ethernet ha stimolato la ricerca di un'integrazione finalizzata non solo a semplificare la connettività di rete complessiva, ma anche a ridurre i costi delle risorse fisiche, umane ed energetiche, e Fibre Channel over Ethernet (FCoE), che consente di mappare i frame Fibre Channel su una rete standard IEEE 802.3, pare si stia finalmente affermando come strumento per modificare in modo radicale l'organizzazione di data center, storage e networking aziendali.
Channel vs Network
Fibre Channel, tecnologia attualmente supportata dalla Fibre Channel Industry Association (FCIA) e usata principalmente per implementazioni nell'ambito Storage Area Network, risale a 1988. Come dettaglio, una Storage Area Network (SAN) è una rete ad alta velocità, dell'ordine dei gigabit, per il trasferimento dati tra computer e storage (unità di momorizzazione di massa), costituita da un’infrastruttura di comunicazione che fornisce le connessioni fisiche e da un livello di gestione che organizza connessioni tra storage e computer. Al di là della sua denominazione, una rete Fibre Channel può prevedere sia cavi in rame che fibre ottiche, e anche se uno dei maggiori plus è rappresentato da velocità e prestazioni nettamente superiori alle tradizionali reti Ethernet, è stata concepita principalmente per semplificare il tipo di connessione e incrementare le distanze di cablaggio. Per meglio comprendere il senso di Fibre Channel, va evidenziato che esistono due tipologie base di comunicazione dati tra computer, e tra processori e periferiche: channel e network. Un channel, o canale, mette a disposizione una connessione punto a punto diretta o commutata tra due device, è tipicamente "hardware-intensive" e trasporta dati ad alta velocità con basso overhead, cioè con limitate informazioni addizionali necessarie a gestire il trasferimento rispetto ai dati veri e propri. Diversamente una network, una rete, in quanto aggregazione di nodi distribuiti, prevede uno specifico protocollo, da intendersi come insieme di regole che definiscono il format dei messaggi e il timing del data transfer, a supporto dell'interazione tra i nodi o partner della rete. In questo caso l'ambientazione è software-intensive e la necessità di un overhead in genere significativo comporta livelli di velocità inferiori. Inoltre una rete può gestire un insieme di task superiore rispetto a quanto può fare un canale, operando in un contesto di connessioni non fissate o previste a priori mentre un canale opera solo tra pochi device con indirizzi predeterminati. Obiettivo di Fibre Channel è quello di coniugare il meglio delle due metodologie di comunicazioni pèer soddisfare le esigenze degli utenti sia di canale che di rete, e malgrado la sua esplicita denominazione "channel" non rappresenta nè una topologia a canale nè a rete, permettendo tra l'altro, per collegare i device, un'intelligente schema attivo di interconnessione chiamato Fabric, termine che richiama il concetto di tessuto, di trama, con ciascuna Fibre Channel Port che deve solo gestire una connessione punto a punto tra sè stessa e il Fabric. Per precisione, in ambito Fibre Channel una porta è qualsiasi entità che comunica attivamente sulla rete, generalmente implementata in apparati quali disk storage, host bus adapter su un server o switch Fibre Channel.
Alcuni dettagli tecnici
La tecnologia Fibre Channel consente data rate fino a 4 Gbps con un trend ormai prossimo ai 10 Gbps; come media fisici si può utilizzare la fibra ottica, da cui distanze anche fino a 10Km, ma anche il cavo coassiale o il doppino in rame, per prestazioni più contenute fino ai 30m. Gli interfacciamenti possono essere point-to-point (FC-P2P), arbitrated loop (FC-AL) e switched fabric (FC-SW), da cui tre diverse topologie che descrivono come più porte sono tra loro collegate. Se nel punto a punto, la topologia più semplice, due device sono direttamente connessi, nell'arbitrated loop tutti i device sono disposti ad anello, come nella classica topologia token ring; qui l'aggiunta o l'eliminazione di un device comporta l'interruzione dell'operatività del ring, così come il guasto di un device del ring, ma sono disponibili Hub Fibre Channel per l'interconnessione di device con la possibilità di escludere le porte in caso di malfunzionamento. Nella topologia switched fabric i device sono invece collegati a degli switch Fibre Channel, tenendo presente che in questo contesto lo switch che collega i device e che gestisce l'ottimizzazione delle interconnessioni, assume il nome di Fabric. Come protocollo, sono definiti 5 layer secondo una logica OSI, Open System Interconnection. Il primo, FC0, è il livello fisico vero e proprio, con definizione dei parametri per diversi mezzi fisici e per differenti data rate. L'implementazione di codifica e decodifica del segnale avviene nel livello Data Link FC1: un byte di informazione non codificato, costituito da 8 bit più una variabile di controllo che definisce se dati o carattere speciale per funzioni di gestione protocollo, viene codificato in un Transmission Character a 10 bit, con decodifica in sede di ricezione. Il terzo livello FC2 (Signaling Protocol) è dedicato a Framing e Flow Control ed è il "core" di Fibre Channel operando da meccanismo di trasporto che definisce le regole di framing dei dati trasmessi tra le porte (payload, indirizzi sorgenti e destinazione, informazioni di link control), i diversi meccanismi di controllo delle tre previste classi di servizio in funzione di lunghezza dei pacchetti e durata della trasmissione, e le regole di gestione della sequenza di trasferimento dati. Le diverse classi permettono di ottimizzare le prestazioni a seconda delle caratteristiche dell'applicazione: come dettaglio, la Classe 1, che riguarda le connessioni dedicate, garantisce una larghezza di banda massima tra due porte, mentre la Classe 2, Frame-switched, permette una condivisione di banda multiplexando i frame da sorgenti multiple in uno stesso canale, e la Classe 3 è per realtime broadcast, con una frame delivery senza acknowledge che garantisce la trasmissione più rapida. Proseguendo nei livelli, con FC3 di hanno dei "common service" per features avanzate, quali moltiplicazione di larghezza di banda usando porte multiple in parallelo per la trasmissione di una singola informazione, attribuzione a una porta della capacità di rispondere ad alcuni indirizzi alias, e multicast con singola trasmissione verso porte destinazione multiple. Da ultimo il livello FC4 dedicato alla definizione delle interfacce applicative, con supporto di protocolli di rete e canali quali: Small Computer System Interface (SCSI), Intelligent Peripheral Interface (IPI), High Performance Parallel Interface (HIPPI) Framing Protocol, Internet Protocol (IP), ATM Adaptation Layer for computer data (AAL5), Link Encapsulation (FC-LE), Single Byte Command Code Set Mapping (SBCCS), IEEE 802.2 LLC Logical LInk Control.
Fibre Channel over Ethernet
Se si considera un tipico data center, sono individuabili tre tipologie di traffico dati: LAN classico su IPv4 e IPv6, non particolarmente sensibile alla latenza; comunicazione tra processi in computer cluster (insieme di computer connessi tra loro tramite rete) con piccoli pacchetti di segnalazione e sincronizzazione solitamente sensibili alla latenza, e pacchetti di grandi dimensioni per trasferimento di significative quantità di dati tra sistemi; Fibre Channel per connettività dedicata ai sistemi di storage, in genere condivisi tra i cluster. Un'unica infrastruttura, pur in grado di mantenere la specificità delle singole tecnologie, permetterebbe di semplificare cablaggio e costi dell'hardware e in effetti le soluzioni Ethernet a 10 gigabit garantirebbero la banda sufficiente per il trasporto conteporaneo su un'unica connessione sia del traffico IP che di quello Fibre Channel. Ma vi è una problematica: Ethernet è di tipo "lossy", cioè può tollerare la perdita di un pacchetto, con comunque opportuni rapidi meccanismi di ritrasmissione, mentre in Fibre Channel si impone una rinegoziazione della connessione, onerosa in termini di tempo e potenziale causa di errori a livello applicativo. Ethernet prevede lo scarto di un pacchetto in caso di Frame Error, Collision e Congestion o buffer overflow (non è possibile inviare su una linea tutti i pacchetti che si hanno in ingresso in quanto la velocità di trasmissione risulta inferiore alla velocità con cui i pacchetti sono ricevuti). A garanzia di una connessione lossless, Fibre Channel utilizza un sistema a credit Buffer-to-Buffer in cui, in fase di inizializzazione, i due estremi di un link si scambiano le informazioni relative alla configurazione dei buffer, con lo scambio di dati che avviene solo se è disponibile almeno un buffer libero. Il protocollo Ethernet deve essere quindi rafforzato per garantire il rilascio di ogni singolo pacchetto assicurando che le reti siano al riparo da perdite, e da questo la nascita di Fibre Channel over Ethernet come soluzione per canalizzare il traffico Fibre Channel attraverso l’infrastruttura Ethernet. Non per nulla si parla anche di FCoCEE, acronimo di Fibre Channel over Convergence Enhanced Ethernet, cioè Fibre Channel sulla rete Ethernet evoluta con le tecnologie abilitanti necessarie per il protocollo FCoE: per Ethernet, FCoE diventa semplicemente un altro protocollo di livello superiore da trasportare nello stesso modo di IPv4 o IPv6, e per Fibre Channel si tratta di una modalità di collegamento tramite un nuovo tipo di cavo, di fatto la rete Ethernet.
Soluzioni per FCoE
Una soluzione atta a garantire una connessione su lossless Ethernet supportando il protocollo FCoE è rappresentata dalle schede di rete CNA, Converged Network Adapter, costituite da due diversi sottosistemi, la scheda di rete Ethernet e il Controller Fibre Channel, visti come componenti separati anche a livello di sistema operativo e quindi con necessità di due diversi driver, uno per la sezione Fibre Channel e uno per quella LAN. Ma è proprio la presenza/necessità di queste due unità che rende la tecnologia particolarmente promettente. Infatti, rispetto a un sistema tradizionale con connessioni separate per LAN e storage, cambia solo la parte CNA e le altre rimangono invariate. FCoE non richiede, per essere implementato, nessuna modifica agli attuali sistemi operativi nè all'infrastruttura di LAN o SAN, con unici player coinvolti la scheda CNA e lo switch con supporto FCoE cui sono attestate le varie CNA. In una scheda Converged Network Adapter sono presenti uno o più controller Fibre Channel con le stesse funzionalità dei normali controller su schede Fibre Channel; come unica differenza quella per cui questi controller incapsulano i pacchetti in un frame Ethernet e li passano quindi per la trasmissione al controller Ethernet che li riceve e semplicemente li inoltra sulla connessione lossless Ethernet; in ricezione il controller Ethernet passa i pacchetti FCoE direttamente al controller Fibre Channel. Da evidenziare che attualmente in merito a FCoE l'ostacolo maggiore è da attribuirsi alla complessità che si aggiunge alle responsabilità gestionali di un’organizzazione, dato che usualmente storage, reti e server sono gestiti da tre diversi team con differenti skill. Una rete convergente, che deve incorporare elementi di tutte e tre le componenti, potrebbe richiedere un solo amministratore, che però dovrà possedere conoscenze su ogni fronte, tal per cui la tecnologia richiede approccio gestionale e risorse umane molto differenti.
