光纖線

光纖的完整名稱叫做光導纖維，英文名是 OPTIC FIBER，也有叫OPTICAL FIBER的，是用純石英以特別的工藝拉成細絲，光纖的直徑比頭髮絲還要細。光纖的特點有：傳輸速度快，距離遠，內容多，並且不受電磁干擾，不怕雷電擊，很難在外部竊聽，不導電，在設備之間沒有接地的麻煩等。

在高端的伺服器/工作站硬碟中，還會採用光纖通道作為SCSI硬碟介面。光纖通道是高性能的連接標準，用於伺服器、海量存儲子網路、外設間通過集線器、交換機和點對點連接進行雙向、串列數據通訊。對於需要有效地在伺服器和存儲介質之間傳輸大量資料而言，光纖通道提供遠程連接和高速帶寬。它是適於存儲區域網、集群計算機和其它資料密集計算設施的理想技術。其介面傳輸速度分為1GB和2GB等等。

一、光纖通道技術起源

信息時代數據量的爆炸增長給存儲技術的發展提供了良好的機遇，現在信息主管們更多考慮的事情是，如何對數據進行安全的存儲、管理及使用。因此，人們不僅對存儲設備容量、性能等方面的需求越來越高，同時對存儲系統也提出了高性能、高可靠性、並能夠長距離傳輸的技術要求。光纖通道（Fiber Channel）技術正是在這一需求的驅動下誕生的。

目前，在存儲系統的設計中，凡是涉及到對大型關係資料庫進行操作，對海量數據進行讀取的業務系統，一般都傾向於採用存儲區域網路（Storage Area Networks，）架構。存儲區域網路（以下簡稱“SAN”）是建立在網路化的I/O存儲協議基礎之上，可使伺服器與存儲設備之間進行“any to any”連接通信的網路系統。SAN的發展帶動了光纖通道技術的發展，而光纖通道體系結構的發展，為SAN的技術構想鋪平了道路。

光纖通道技術是一種基於光纖通道的協議體系結構，始於1989年，於1994年10月制定了相應的ANSI標準。光纖通道技術的傳輸介質除光纜之外，還有銅纜等其他傳輸載體，但是國際上通常將其稱為光通道。光纖通道技術能得以迅速發展、廣泛應用（體現在主流採用FC技術的SAN系統大量出現），不僅僅因為光纖通道具有更高的帶寬、更長的連接距離、更好的安全性和擴展性，更重要的是光纖通道技術融合了通道技術和網路技術的優勢，利用光纖通道網路可以創造一個有別於我們所熟知的區域網（LAN）甚至城域網（MAN）的存儲區域網路（SAN）。 SAN不是一種產品，而是配置網路化存儲的一種方法，其主要思路是將傳統網路上的數據交換轉換到主要由存儲設備和資料庫伺服器組成的SAN上。藉助於光纖通道技術，SAN支持遠距離通信，並且將數據存儲與應用服務徹底分開，使得存儲設備能夠成為所有接入SAN的伺服器可高速、安全、可靠訪問的共享資源；同時，SAN也允許各個存儲設備，如磁碟陣列和磁帶庫，無需通過專用的中間伺服器即可協同工作。SAN解決了在傳統LAN中一旦出現大量數據訪問會大幅度降低網路性能的問題，使得數據的訪問、備份和恢復不影響LAN的性能，從根本上保證了應用系統的服務質量，並可大幅度地減少管理費用支出。

二、光纖通道協議和分層模型

光纖通道是一種技術標準，是由美國國家標準協會（ANSI）委託的幾個委員會共同開發的一組集成標準的通用名稱，是為提高多硬碟存儲系統的速度和靈活性而設計的高性能介面標準。它獨立於介質，支持同時傳輸多種不同協議，如IPI、IP、FICON、FCP（SCSI）等協議，適用於伺服器、海量存儲子網路、外設之間通過集線器、交換機和點對點連接進行雙向、串列數據通訊。正如在乙太網中IP、NetBIOS和SNA等協議均可在單一乙太網適配器上同時使用，是因為所有這些協議在乙太網中都被得到映射一樣，各種網路層的通訊協議也可以通過協議映射在光纖通道上得以實現。

光纖通道技術的優點主要體現在：

（1）高帶寬，目前已實現200MB/s數據傳輸率，400MB/s已通過測試；

（2）高容量定址能力及擴容能力，可接入1600萬節點；

（3）數據高度集中及存儲能力的全局共享；

（4）每對節點間的長連接距離，多模光纜達500米，單模光纜可達10公里；

（5）模塊化的擴容和連接方式；

（6）利用光纖交換機及相關軟體可建立高可用或容錯服務系統；

（7）可方便協助建立負載均衡及伺服器集群系統。

光纖通道技術是結合了“通道技術”和“網路技術”的優點而開發出來的新技術：通道技術是硬體密集型技術，是因為它是為了在緩存區間快速傳輸大量的數據而設計的，可以直接連接設備而不需要使用太多的邏輯；網路技術是軟體密集型技術，是因為數據包需要在網路上被路由到許多設備中的某一個節點上，此外網路技術有操作大量節點的能力。光纖通道技術從設計之初就將通道技術和網路技術的上述優勢融合在一起。光纖通道協議中定義了五個獨立層次，從物理介質到傳輸於光纖通道中的高層協議，包含了光纖通道技術的全貌。以下是這五層的功能模塊： ① FC－0，物理層，定義了連接的物理埠特性，包括介質和連接器（驅動器、接收機、發送機等）的物理特性、電氣特性和光特性、傳輸速率以及其它的一些連接埠特性。物理介質有光纖、雙絞線和同軸電纜。該層定義了光如何在光纖上傳輸以及發送器與接收器之間如何在各種物理介質上工作。

②FC－1，傳輸協議，FC－1根據ANSI X3 T11標準，規定了8B/10B的編碼方式和傳輸協議，包括串列編碼、解碼規則、特殊字元和錯誤控制。傳輸編碼必須是直流平衡以滿足接收單元的電氣要求。特殊字元確保在串列比特流中出現的是短字元長度和一定的跳變信號，以便時鐘恢復。該層承擔著取得一系列信號並將其編碼成可用字元數據的責任。

③ FC－2，幀協議，定義了傳輸機制、包括幀定位、幀頭內容、使用規則以及流量控制等。光纖通道數據幀長度可變，可擴展地址。用於傳輸數據的光纖通道數據幀長度最多達到2K，因此非常適合於大容量數據的傳輸。幀頭內容包括控制信息、源地址、目的地址、傳輸序列標識和交換設備等。64位元組可選幀頭用於其它類型網路在光纖通道上傳輸時的協議映射。光纖通道依賴數據幀頭的內容來引發操作。

④ FC－3，公共服務，提供高級特性的公共服務，即埠間的結構協議和流動控制，它定義了三種服務：條帶化（Striping）、搜索組（Hunt Group）和多播（Multicast）。條帶化的目的是為了利用多個埠在多個連接上并行傳輸，這樣I/O傳輸帶寬能擴展到相應的倍數；搜索組用於多個埠去響應一個相同名字地址的情況，它通過降低到達〃佔線〃的埠的概率來提高效率；多播用於將一個信息傳遞到多個目的地址。

⑤ FC－4，協議映射層，定義了光纖通道的底層跟高層協議（Upper Layer Protocol）之間的映射關係以及與現行標準的應用介面，這裡的現行標準包括現有的所有通道標準和網路協議，如SCSI介面和IP、ATM、HIPPI等。

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由此可見，光纖通道協議棧是多種高層數據協議的傳輸載體，尤其以傳輸SCSI和IP數據為主。作為載體傳輸高層數據協議的過程，實際上就是一個把高層數據協議映射到協議棧物理層傳輸服務的過程。其中，最常用到的光纖路徑協議（Fibre Channel Protocol）就是SCSI數據、命令和狀態信息到FC物理層傳輸服務的映射。FCP具有在所有光纖路徑拓撲結構及所有類型服務上工作的獨立性。

以下是映射到光纖通道上的協議：

① 小型計算機系統介面（SCSI），即光纖路徑協議（FCP）的SCSI－3協議的映射，是映射到光纖路徑的主要協議。

② IP協議。

③ 可視化介面結構（VIA）。

④ 高性能并行介面（HIPPI）。

⑤ IEEE 802邏輯鏈接控制層。

⑥ 單位元組指令代碼集（SBCCS），SBCCS是在IBM大型系統中使用的ESCON存儲I/O路徑中指令和控制協議的實現。

⑦ 非同步傳輸模式適配層5（AAL5）。

⑧ 光纖連接（FICON），FICON是將IBM S/390主機架構中的ESCON網路通信協議映射為光纖路徑網路上的一個上層協議。

1．光纖通道網路的物理層

光纖通道網路的物理層由以下三個基本的物理單元組成：

（1）埠：用於連接伺服器系統與光纖交換機的介面、或用於連接存儲設備與光纖交換機的介面。

（2）網路設備：使用光纖協議進行通訊的光纖交換機。

（3）線纜：用於伺服器介面與光纖交換機介面之間的連線、或用於存儲設備的介面與光纖交換機介面之間的連線。

2．網路名字和地址元素

光纖網路中的網路名字和地址的基本元素如下：全局名、埠地址、仲裁環物理地址、簡單名字伺服器。

(1)全局名

全局名World Wide Name（WWN）指分配給每個產品的一個8位元組的標識符，可用於光纖網路中的一個埠。WWN被存儲在非易失性的存儲器中，其格式由IEEE定義，用以為每個產品在其安裝網路中提供唯一的標識。

在一個節點最初登陸到一台交換機上時，可以和該交換機交換一個N埠的完全的WWN，如果交換機上沒有該N埠的信息，就會有一個註冊過程，在此過程中，N埠發送自身信息給交換機，交換機將這些信息放到他的簡單名字伺服器中，從而使其它過程和應用能夠訪問它。

(2)埠地址

在光纖網路中有兩種埠地址：固定地址和動態地址。

① 固定地址：每個光纖通道可識別設備都擁有一個固定光纖通道地址，這與每塊乙太網卡所擁有的MAC地址相似。該固定地址全球唯一，其他設備可以通過這一地址對其進行訪問。

② 動態地址：為支持高層編址，光纖通道在Fabric域內定義了一個24位動態標識地址。每一個N_Port都擁有一個在Fabric域內唯一的24位N_Port標識。N_Ports既可以通過協議獲得其預設定的N_Port標識，也可以在由Fabric在設備登錄時動態分配。

(3)仲裁環物理地址

仲裁環物理地址（ALPA）為單位元組，它唯一地標識了環網上的每一個埠。環網中的每個埠都存儲了該環中所有其他埠的地址，從而提供了在環中通信的機制。通過埠地址可以判別一個環上的埠是公有的還是私有的。

(4)簡單名字伺服器

簡單名字服務提供一種瘦目錄服務。節點、交換式光纖網路和應用程序通過使用簡單名字服務獲取埠的訪問信息。

3．服務級別

服務級別定義了在數據傳輸中採用何種機制，不同的服務級別用於不同的數據。服務級別分為五類：

級別1：帶確認的面向連接的服務；

級別2：帶確認的無連接服務；

級別3：無確認的無連接的服務；

級別4：面向連接的部分帶寬服務；

級別F：交換機間通信格式。

流控制就是一種定義於服務級別中的機制，分為端對端的流控制和緩存區到緩存區的流控制。

（1）端對端的流控制，是接收埠傳輸一個返回幀給發送者來確認收到傳輸幀；當發送者收到了應答幀（ACK）的反饋，就會將信用值設為1，這樣就可以發送下一幀了。

（2）緩存區到緩存區的流控制，是用於fabric埠的節點埠之間的或者兩個節點埠之間的用來保證設備能夠接收到最大數量幀的機制。一個R－RDY（接收方就緒）原語信號發送出去，就表明接收者可以接受幀了；如果接收者發出一定數量的R－RDY信號，說明它有足夠的緩存空間來接收這一數量的幀。

除了流控制之外，服務級別還指明連接是否是專用的。對於一個連接型的傳輸過程，不能發送一個不是傳送到專用接受者地址的幀。另外，不能在某個級別中發送不是同一級別的幀，這樣才可以保證連接能夠使用全部帶寬。

4．埠類型

光纖通道網路中的所有組件（即設備）都使用埠作為網路的連接。光纖通道網路中的埠包括以下幾種基本類型：N－port 埠、F－port 埠、L－port 埠、NL－port 埠、FL－port 埠、E－port 埠、G－port 埠。

其中N、L和NL埠被用於光纖通道網路中的終端結點，F、FL、E和G埠在光纖交換機中實現。

①N－port 埠和F－port 埠

最初的光纖通道網路中包括兩種類型的埠：一種是N－port埠的網路埠；另一種是F－port埠的交換光纖埠。

N－port埠是訪問光纖通道網路上的存儲設備和計算機系統上的埠，任務是初始化及接收幀，如果沒有N－port 埠，就不會有網路上的數據通信；F－port 埠是光纖交換機上的埠，作用是代表N－port 埠提供管理和連接服務，這些服務是為每對N－port 埠之間（主機系統與存儲設備）的通信提供的。

在N－port 埠和F－port 埠之間，是一對一的關係。在光纖存儲區域網中的光纖交換機上，僅有一個N－port埠和F－port 埠相連接，光纖通道網路中其它N－port 埠和該N－port 埠之間的通信，通過其各自在交換機上的埠初始化進程和該N－port 埠的通信來實現。無論N－port 埠是發送還是接收數據，它總是和F－port 埠通信。在沒有數據傳輸的時候，N－port 埠向交換機上對應的F－port 埠發送IDLE幀，在N－port 埠和F－port 埠之間建立一種“心跳”，從而能很快檢測到可能發生的連接中的問題。

②L－port 埠

L－port 埠存在於光纖通道環網中。和交換式網路不同，環狀網路中的節點共享一個線纜帶寬的結構。和交換式網路結構中的N－port 埠用來初始化以和F－port 埠通信相類似，L－port 埠被設計來初始化和該環中的其它L－port 埠的直接通信。

但是，在光纖環網中沒有和F－port 埠相對應的埠名稱。因為光纖環網是一個邏輯環，被設計在沒有網路集線器的環境下工作，因此，如果未被要求，集線器不能為環網提供既定的埠功能。光纖環網中的集線器僅僅起到連接以及防止失效的作用。

③NL－port 埠和FL－port 埠

當光纖通道環路加入到光纖通道網路中時，必須允許N－port 埠節點和L－port 埠節點之間進行通信，為此定義了兩個新的埠：FL－port 埠和NL－port 埠。

FL－port 埠是光纖交換機上的埠，在光纖通道網路中允許其作為一個特殊的節點加入進來。光纖通道環網為FL－port 埠保留僅有的一個地址，即在同一時刻不可能同時有兩個光纖交換機進行通信。

NL－port 埠位於環網內的埠，具有N－port 埠和L－port 埠的雙重能力，同時支持交換式光纖網和光纖環網，從而使得交換式光纖網和光纖環網之間的通信成為了可能。

④E－port 埠和G－port 埠 在光纖交換機中，還有兩種常見的埠，他們分別是E－port 埠和G－port 埠。G－port 埠是“萬能”埠，它能用於交換機中如F－port 埠和FL－port 埠等的不同埠。E－port 埠是一種特別的埠，用於光纖交換機的級聯。

以上是光纖通道網路中能遇到的各種埠。我們在國土資源部的存儲平台中使用的光纖交換機是Brocade光纖交換機。此光纖交換機的埠支持自配置功能。自配置埠能夠檢測到所有連接的另一端的埠模式，並自動配置成支持該模式的操作方式。

5．線纜與介質

SAN的很多特徵是由網路的物理布局規劃來決定的，在SAN中選擇的介質類型將會影響到SAN的擴展性和功能性。

介質類型有兩種選擇：銅芯線和光纖。

①銅芯線

銅芯線的優點在於它是連接SAN部件中最便宜的介質。銅芯線通常是150歐姆的銅芯雙絞線。銅芯線的傳輸速率為100MB/S的千兆位傳輸，它的有效傳輸路徑是在0到25米之內不會有任何衰減。銅芯線的兩端通常使用HSSDC連接器或DB－9陽連接器。

②多模光纖

多模光纖的直徑通常有50和62．5微米兩種規格，它們之間並沒有速度上的差異。多模光纖的波長範圍為850納米和1300納米兩種。850納米波長的光是可見的，對人眼無害。1300納米波長是不可見的，而且對視網膜有害。多模光纖兩端接頭的類型很多，包括SC、LC和 MT－RJ等。多模光纖使用的是一種聚集的LED而不是真正的激光。

③單模光纖

單模光纖適用於長距離的信號傳輸。它的波長是1300納米，是不可視的，對人眼有害。單模光纖的直徑為9微米，由於它的直徑如此之小，使用它進行長距離傳送信號時，光波不易被改變。所以在長距離的SAN中，單模光纖是最好的一種解決方式。由於單模光纖的直徑很小，所以它的潛在發射速度也是最高的，理論極限速度是25Tb/s，而多模光纖的理論極限速度是10Gb/s。

單模光纖本身並不比多模光纖或銅芯線貴出很多，價格的增加主要在於其收發器部件，因為它使用的是激光而不是LED。由於單模光纖的直徑非常小，所以對光纖收發器的精確度要求很高。

④光纖接頭

光纖接頭有很多類型，在實際的使用中只要連接是乾淨的，那麼使用那種接頭對性能都不會有任何影響。在搭建SAN時應該盡量減少連接的數量，因為光會在其路徑設備中質量不好的連接之間來回反射。所以連接數量越少，SAN中產生錯誤信號的概率就越低。

現在許多HBA（光纖介面卡，插在伺服器系統的PCI插槽中）卡中使用的銅芯接頭是HSSDC銅芯接頭。