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4Gb光纤通道的尴尬

51CTO.com  董唯元丨2006-02-13 11:38 标签:光纤通道 IP SAN 

【51CTO.com独家特稿】

作者简介:

董唯元——51CTO存储专家

2000年成功实施当时国内最大的SAN系统。2001年作为唯一一名技术专家,对大地集团拟投资8千万的投资项目进行技术论证。2001年创立国内首家专业存储技术论坛——ChinaStor.com,2002年以个人身份加入SNIA(国际存储工业协会),成为其大陆地区第三个个人会员。2003年作为6名技术专家之一,唯一一名存储技术专家,参与上海印钞厂安防系统标书评审。上海印钞厂拟在亚洲率先尝试全开放式参观游览服务,因此,此安防系统的要求达到世界最顶尖的水平。2003年应邀任中科院计算所工程中心863项目组产品化顾问。2006年应中国最大的网络技术网站51CTO.com邀请,担任专栏作者及特聘专家。

发展步履缓慢

2005年,在2Gb光纤通道协议推出两年之后,4Gb版本如期而至,摩尔定律又一次闪烁着灵验的光辉。当然,业内人士都知道,这种灵验背后大多带有浓重的“政治”色彩,光纤协议技术的升级也难逃嫌疑。依笔者看来,4Gb FC技术本身和周边配套设备,似乎都在暗示着4Gb FC更像是一个迟来的“新”技术。

在物理层上,4Gb FC并无设计阻力,采用的是与2Gb FC完全相同的接口标准——LC SFP。而且有理由相信,在未来下一个版本的FC技术中,依然会沿用这一标准。因为这本来就是10Gbps以太网络中的XFP标准。也就是说,光纤技术在突破10Gb之前,物理介质方面根本没有技术瓶颈。

也许有人认为芯片的设计是4Gb FC的瓶颈,但是实际上早在2002年的时候,Brocade公司就已经开始在其Fabric光纤交换机中使用8Gb带宽的端口控制芯片了。同样是在2002年,Vixel公司被Emulex收购之前,推出过一款做在芯片上的交换机。这款SOC(Switch on Chip)在一颗芯片上就实现了20个FC端口的交换。在2Gb FC推出之后,SOC迅速支持了2Gb FC,其总交换带宽在2003年就已经达到了40Gb之多。由此可见,区区4Gb的带宽要求,在IC设计工程师眼中,绝对是小菜一碟。

记得当年光纤通道技术从1Gb向2Gb过渡的时候,PCI总线带宽曾经是个经常被提及的瓶颈。以33MHz外频工作的32位PCI总线,其理论带宽上限也只有1Gb多一点,实难担负2Gb FC的工作负载。然而时过境迁,如今的PCI技术不仅可以支持全64位工作,而且外频也急速攀升,从66MHz、133MHz发展到266MHz甚至533MHz。掐指一算,533MHz外频的64位PCI-X总线已经可以达到将近40Gb的带宽。这个数字是4Gb FC理论带宽的10倍之多!

 

图1. PCI总线与光纤通道的发展

从存储设备的角度来看,中端磁盘阵列中,控制器可以支持8Gb甚至更大带宽的俯首皆拾。由于光纤通道协议升级不够及时,为了充分发挥控制器的能力,迫使各磁盘阵列厂商在设计控制器时拼命的增加后端磁盘环路数量。记得2001年之前,主流中端磁盘阵列一般只需要两个后端环路。不知道从什么时候起,四个甚至八个后端磁盘环路的设计开始盛行。要是4Gb FC发布的早些,这些阵列控制器的设计肯定会精炼得多。

了解过物理介质、核心芯片、总线技术和阵列控制器的发展状况之后,回头再看4Gb FC的出现。总觉得这一新技术的闪亮登场,其实并没有多么光芒耀眼,甚至有发展速度滞后的感觉。

光纤通道技术发展略为迟滞,隐约也有其“政治”原因。打开“光纤协会”网页就会发现,与其他IT技术协会相比,这个协会中缺少几个重要的会员——IBM、英特尔、微软、思科,甚至连惠普和Sun均缺席其列。这些公司对IT技术发展的影响之大路人皆知,因没有这些公司的支持而没落甚至胎死腹中的例子也比比皆是。古有NetWare与Windows NT之争,今有1394“火线”技术与USB之战,还有数不清的大小战役,都结结实实的证明了强者与趋势之间的同一关系。而翻看“光纤协会”的会员名单,其中强者寥寥,更多的是名不见经传的“潜力股”或是本行业中位列二流的“趋势追随者”。以这样的班底,实难长期领跑于产业前沿。

在那些“巨无霸”之中,最让人看不懂的就是思科公司。事实上,思科公司在两年以前就已经开始生产光纤交换设备。时至今日,其该领域全球市场份额已经位列三甲之中。但“光纤协会”的会员列表中,至今也没有思科的影子。桌面上的理由版本众多,而真正的玄机恐怕要到几年之后才能揭晓。

对手虎视眈眈

IT行业的更新速度,经常被形容为“催命般的”。用时下流行的话说,就是“长江后浪推前浪,前浪死在沙滩上。”技术的更新何尝不是如此!就在光纤通道技术发展略微迟滞的间隙,汹涌的“后浪”已经聚积成势了。

从技术角度看,光纤通道以往占据的阵地有两个:一是高端磁盘的端口;二是高端系统中主机与存储设备连接。而随着SAS技术和iSCSI技术这些“后浪”的日益成熟,两个阵地都遭受着强烈的炮火轰击,随时有失守的可能。

在磁盘端口方面,光纤通道技术在扩展连接能力、性能和管理能力等方面明显优于传统SCSI技术,所以博得了高端用户的青睐。自产生之初,就牢牢的占据了高端磁盘端口这个阵地。然而SAS(串行SCSI)的出现,已经彻底打破了光纤通道技术的优势。

表面上4Gb FC与3Gb SAS相比,仍然具有一定的性能优势。但是实验室中的测试结果证明,事实并非如此。为什么呢?原因其实也很简单。大家都知道单个磁盘的性能瓶颈,主要是盘体内的机械部分,而绝非端口部分。也就是说,对单个磁盘而言,无论是3Gb SAS还是4Gb FC,都已经足够宽阔。磁盘端口协议的瓶颈效应,只有在磁盘数量足够多的时候才会显现。而SAS技术的优势也正是在此体现。

对光纤通道技术的研究表明,当50~60颗磁盘连接在一个光纤环路上的时候,光纤通道基本达到性能上限。换句话讲,当一个光纤环路连接的磁盘数量少于50的时候,最大性能由盘体决定。而当磁盘数量超过60时,所有磁盘的总体性能就基本等于此光纤通道的最大性能。请记住:是一条光纤通道的最大性能!在SAS磁盘系统中,各个磁盘是以交换的方式连接,不存在共享的通道带宽,自然就不存在性能上限瓶颈。在达到前端控制器最大能力之前,总体性能基本完全由盘体决定。而SAS磁盘和光纤磁盘的盘体部分,包括NCQ(指令优化队列深度)都完全相同。自此不难得出结论:当磁盘数量较少时,SAS磁盘系统与光纤通道磁盘系统的性能基本相同;当磁盘数量超过60时,SAS磁盘系统性能更优。

环路连接方式不仅拖累了光纤通道磁盘系统的性能,也影响了系统扩展能力。光纤通道协议规定,每个环路最多可以连接126个设备。这其实也是一些中高端磁盘阵列厂商拼命增加环路数的原因之一,否则怎能推出那些动辄支持数百上千颗磁盘的系统呢。SAS技术在这一点上进步了不小,其协议机制可以支持到每交换域16384个节点,比光纤通道的扩展连接能力足足提高了一百多倍。

 

4Gb FC-AL

SAS

协议带宽

全双工 4Gb/s

全双工 3Gb/s

扩展能力

每环路126设备

每交换域16,384设备

连接机制

共享环路带宽

交换式结构

连接距离

10公里

8

主机连接

每线缆 400MB/s

每线缆 1200MB/s

1. 4Gb光纤环路与SAS比较

当然,光纤技术可以将其交换机制使用在这个阵地上,依此收复一些性能和连接性方面的失地。但那样做的结果只能是,性能方面勉强与SAS技术持平,价格方面却高出太多。要知道,脱胎于SCSI技术的SAS,其控制芯片成本比光纤环路控制芯片都要低很多,更不要说光纤交换芯片了。

与SAS技术相比,光纤通道技术唯一的优势就是连接距离。SAS可以支持8米的连接线缆,而光纤通道技术则是傲人的10公里之多。不过很遗憾,在磁盘端口这个阵地上,光纤通道的这个强项恐怕无用武之地了。谁会需要磁盘与背板之间的连接在数公里之遥?

磁盘端口这个阵地频频吃紧的同时,主机连接那个阵地上,光纤通道技术的日子也不好过。面临来自iSCSI和SAS的双重威胁,光纤通道技术已经难有腾挪的空间了。

SAS技术支持了交换式连接机制,也可以构建具有相当复杂结构的存储网络。而且SAS由传统SCSI脱胎而来,很快各个主流服务器厂商就会在其主板内附带SAS控制器。显然,届时基于SAS的SAN,将比基于光纤通道的SAN更具成本优势。

目前的SAS主机连接端口采用4条均衡负载的3Gb SAS链路,这样不仅提高了连接可靠性和容错能力,更重要的是使每根实际物理连接承载的带宽达到了12Gb。这一性能是4Gb FC的三倍之多。如此看来,以SAS实现DAS或SAN的连接,不仅成本非常低,而且性能也会比4Gb FC高出很多。如此说来,为什么还需要4Gb FC呢?答案是…

 

图2. 3Gb SAS实际提供12Gb主机连接带宽

其实,SAS的威胁还算小的。在这个阵地上,iSCSI对光纤通道的威胁才是最大的。
在iSCSI技术刚刚诞生之初,一些心存芥蒂的业者曾经贬其为低端技术,冠以“小型系统适用”的名分。而当时iSCSI性能的确乏善可陈,客观上纵容了这种言论流行坊间。然而,随着万兆以太网的降临,这种言论已经越来越站不住脚了。4Gb FC与10Gb以太网哪个更快?这个问题小学生都可以回答。

笔者曾经遇到过一些对iSCSI性能表现的微词,其中最常见的就是以太网的性能保证问题。用术语讲,叫做QoS问题。可惜置疑这些问题的人们,大多引用的都是过时的老黄历。以今天以太网交换技术的发展,识别并保证数据库和媒体应用数据流的QoS都不在话下,iSCSI协议里面这点小问题早就不成问题了。

另外一个较新版本的微词是针对磁盘动作的,大意是讲iSCSI协议需要经过太多的拆包动作才可以指挥磁盘。不像光纤通道,主机端与磁盘端口协议相同,根本无需拆包。这个说法看似有理,实则纯属无稽。除非我们讨论的是iSCSI接口的JBOD,否则主机端根本无需也无法直接与磁盘通讯。磁盘动作实际上是经由磁盘阵列控制器指挥完成的。而在这种情况下,主机与阵列控制器间无论采用iSCSI还是光纤通道连接,都要经过拆包,将数据还原为SCSI-3指令。两者的劳动量和复杂程度几乎是一样的。此前iSCSI设备性能较低,其实是因为这个拆包动作由主CPU完成,耗费过多系统资源,且效率不高。而光纤通道技术从诞生第一天,采用的就是专用芯片处理拆包。所幸现在各个主流适配器厂商都发布了基于硬件处理的iSCSI适配器。iSCSI的拆装包效率,已经完全不逊色于光纤通道技术了。

至于iSCSI技术的连接能力、扩展能力以及先天的成熟性等方面的优势,业内已经有太多的讨论,笔者就不再赘述了。这里只重复一点,在安全性方面,iSCSI完全是压倒式胜出。细数光纤通道技术中对安全性的设计,就会发现,这里简直就是光纤通道技术的不毛之地。仅有的分区(zoning)和卷隔离(LUN Masking)概念,也完全是照搬以太网几辈子之前的老套路。如果哪天光纤通道技术从这个世界上消失了,罪魁祸首绝对是安全性方面的严重设计缺陷。以架设存储专用网络为初衷的技术,怎么对安全性的关注这么低?难到存储专用网络就不是网络,就不需要安全了吗?

在光纤通道与iSCSI的对抗中,笔者更看好iSCSI,不仅仅是出于技术层面的原因。“政治”因素才真正使iSCSI胜券在握。看看iSCSI阵营中的主力——IBM、英特尔、微软、思科……当今IT世界中主掌生杀大权的角色悉数到齐。这场角逐实力对比之悬殊,不需多言。实际上,光纤通道阵营中已经有识时务者开始明里暗里的倒戈投降了,连一向立场极为坚定的EMC公司也发布了支持iSCSI的磁盘阵列产品。目前仍在真正奋力抗争的,只剩下McData和博科这样的公司。他们的业务几乎100%是来自光纤通道市场,如果让他们放弃光纤通道技术,基本等于自杀。不过,最近有消息说这些公司也在考虑以某种方式介入iSCSI市场。不禁让人想起了当年Novell公司那婉转的投降标语:“从今天起,不要讲‘Novell or NT’,而要说‘Novell and NT’就对了。

可惜当初Novell的这一口号,丝毫没有挽回其每况愈下的颓势。看来,白旗该如何挥舞还真值得认真想一想。

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(责任编辑:石海峰 shihf@51cto.com


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