2 CHƯƠNG 2: CƠ BẢN VỀ KÊNH QUANG

20



2 CHƢƠNG 2: CƠ BẢN VỀ KÊNH QUANG

Cơ sở hạ tầng của SAN được xây dựng trên các công nghệ mới, nó là kết quả kế

thừa của một số công nghệ như SCSI, IP. Giống như các chuẩn mạng máy tính khác

FC cũng có các tầng giao thức (từ FC0 đến FC4). Mỗi tầng của giao thức xác định các

chức năng làm việc khác nhau của giao thức FC.



2.1 Kiến trúc của SAN và các thuật ngữ căn bản:

Mục đích chính của SAN là cung cấp cơ sở hạ tầng cho các hệ thống có lượng lớn

dữ liệu cần trao đổi từ máy chủ đến thiết bị lưu trữ (tủ đĩa, tủ tape…). Ngoài ra SAN

còn cho phép chia sẻ các thiết bị lưu trữ trên mạng SAN khi có nhiều máy chủ có yêu

cầu truy cập đến cùng một thiết bị lưu trữ.

Thiết bị lưu trữ SAN (SAN Storage) cho phép tập trung các thiết bị lưu trữ đơn lẻ

thành một mạng riêng hoặc tham gia vào mạng đã tồn tại, cung cấp tốc độ truy cập

giữa các khối trong mạng nhanh, hầu hết các giao thức được triển khai trong SAN là

giao thức kênh quang. Giao thức này hoạt động chủ yếu ở tốc độ 1 Gbits/giây hoặc 2

Gbits/giây. Một số thiết bị hiện đại đã cho phép tốc độ truyền lên đến 10Gbits/giây.

SAN cung cấp thiết bị lưu trữ cho máy chủ khác với mô hình thiết bị lưu trữ đính

kèm server – DAS (Direct Attached Storage), SAN tránh được nghẽn cổ chai khi có

nhiều server gửi dữ liệu đến thiết bị lưu trữ (Hình 2.1 và hình 2.2 ). Giảm được chi phí

khi mở rộng hoặc giảm bớt các thiết bị trên SAN.

Khi nói đến SAN, chúng ta thường liên tưởng đến việc truyền tải dữ liệu SCSI

qua kênh quang. Mặc dù đây là ví dụ phổ biến của SAN, kênh quang còn hỗ trợ nhiều

giao thức khác như HiPPI (High- Performance Parallel Interface ), IP (Internet

Protocol), FDDI (Fiber Distributed Data Interface), VI (Virtual Interface) và ATM.

Trong đó có IP, SCSI, VI được sử dụng phổ biến [1]



21



Hình 2.1 Thiết bị lƣu trữ gắn liền với server



Hình 2.2 Thiết bị lƣu trữ trên SAN



Một SAN được xây dựng từ ba thành phần chính là: thiết bị đích, thiết bị khởi tạo

và thiết bị kết nối. Trong đó thiết bị đích thường là thiết bị lưu trữ như tủ RAID, tủ

nhóm đĩa JBOD (Just a Bunch of Disks). Trong nhóm này còn có thiết bị sao lưu

( Backup device) được sử dụng phổ biến cho các thiết bị lưu trữ nhằm sao lưu cơ sở

dữ liệu hoặc file dữ liệu. Các đĩa của JBOD không hiển thị trên SAN mà được gán



22



một địa chỉ và được quản lý bởi các khối điều khiển. Các khối điều khiển này gộp các

đĩa thành một hoặc nhiều đĩa lớn hơn và có thể có thêm RAID cho các đĩa này sau đó

mới cho phép máy chủ truy cập vào. Điều này có nghĩa rằng máy chủ chỉ truy cập

theo đĩa logic (nhóm các đĩa vật lý) chứ không làm việc với từng đĩa đơn lẻ [8,9]

Thiết bị khởi tạo (initiating device) là thiết bị tương tác với thiết bị đích. Ví dụ

máy chủ hoặc máy trạm (thông thường được gọi là host) yêu cầu truy cập thông tin

trên nhóm đĩa. Sự khác biệt giữa thiết bị khởi tạo và thiết bị đích là thiết bị khởi tạo

chủ động tìm kiếm thiết bị đích và khởi tạo việc giao tiếp trong khi thiết bị đích là

thiết bị bị động.

Thành phần không kém phần quan trọng của SAN là thiết bị kết nối

(interconnecting device), được đặt tên là chuyển mạch (switch). Switch tạo nên nền

tảng của truyền dẫn quang bằng cách cung cấp các đường kết nối tốc độ cao phục vụ

việc định tuyến và vận chuyển các khung dữ liệu. Khi liên kết các switch với nhau thì

switch còn cung cấp các dịch vụ trên Fabric. Khi có một nhóm nhiều switch kết nối

với nhau sẽ được gọi là một Fabric (Hình 2.3).

Có hai thiết bị kết nối khác có thể xuất hiện trên SAN là hub và router. Hub trên

mạng SAN có chức năng giống như hub trên mạng Ethernet. Hub là một hộp gồm

nhiều cổng cung cấp kết nối đến các thiết bị khác. Băng thông của hub là 1 Gbits/giây

và được chia sẻ cho tất cả các thiết bị tham gia kết nối tới hub.

Có ba kiểu kết nối (topology) chính để kết nối các hai thiết bị . Kiểu thứ nhất là

điểm tới điểm (point to point). Kiểu này được sử dụng để kết nối thẳng giữa hai thiết

bị. Trong mô hình này các thiết bị kết nối không có địa chỉ. Tất cả các frame đi trên

mạng được ngầm hiểu là gửi đến thiết bị còn lại. Mô hình kết nối thứ hai được gọi là

vòng lặp phân xử (arbitrate loop). Trong mô hình này các thiết bị được kết nối với

nhau thành một vòng (loop). Arbitrate Loop Physical Address (AL-PA) sử dụng 8 bit

để đánh địa chỉ các thiết bị tham gia trên vòng loop. Mô hình kết nối thức ba được gọi

là Switch Fabric, mô hình này cho phép kết nối nhiều nhất số lượng thiết bị tham gia

trên mạng. Với Switch Fabric các thiết bị có thể gắn vào fabric hoặc bỏ ra mà không

làm ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác [1].



23



Hình 2.3 Một Fabric tiêu biểu



Thông tin gửi trên mạng dưới dạng các frame, frame chứa tiêu đề (header) và dữ

liệu (payload). Tiêu đề chứa thông tin định tuyến, nó quy định dữ liệu đến từ đâu, kiểu

frame là gì, đi đến đâu… Frame được bắt đầu bằng trường khởi đầu khung (Start of

Frame – SOF) và kết thúc bởi trường kết thúc khung (End of Frame – EOF). Ngoài ra

một khung còn chứa nhiều trường khác.

Mỗi node trên mạng SAN đều có một địa chỉ WWN (worldwide name), địa chỉ

này được gán định bởi nhà sản xuất giống như địa chỉ MAC của card mạng. Khác với

địa chỉ MAC, địa chỉ WWN không được sử dụng để truyền khung dữ liệu trên mạng.

Trên



SAN,



WWN



được



sử



dụng



để



cấu



hình



phân



vùng



SAN.



24



2.2 Phân tầng kênh quang

Khi tìm hiểu về kênh quang, các đơn giản là chia cấu trúc kênh thành nhiều tầng.

Người ta cũng dùng cách tiếp cận theo từng tầng khi gỡ rối (khắc phục sự cố) trên

kênh quang. Kênh quang được chia thành 05 tầng được đánh tên từ FC-0 đến FC-4 từ

tầng môi trường truyền dẫn vật lý đến tầng các giao thức mức trên. Hình 2.4 là mô

hình phân tầng tiêu biểu

Channels



FC-4

FC-3



IPI SCS

I



FC-2



HIPPI SBCCS



802.2 IP ATM



Common Services



N

o

d

e



Framing Protocol / Flow Control



FC-1

FC-0



Networks



P

o

r

t



Encode / Decode

133



266



531



1063



2125



4250



Mbits/ s



Mbits/ s



Mbits/ s



Mbits/ s



Mbits/ s



Mbits/ s



Hình 2.4 Phân tầng kênh quang



So sánh giữa mô hình kênh quang với mô hình OSI được thực hiện ở bảng sau.

Mô hình kênh quang



Mô hình OSI



Tên



Tầng



Tầng



Tên



Application



FC-4



7



Application



6



Presentation



Common Services



FC-3



5



Session



Framing Protocol



FC-2



4



Transport



3



Network



Encoding/Decoding



FC-1



2



Link



Physical Variants



FC-0



1



Physical



25



Trong mô hình phân tầng của kênh quang, tầng FC-0 là tầng thấp nhất, đây cũng là

tầng dễ phân biệt nhất bằng cách nhìn sự khác biệt của môi trường truyền dẫn, kiểu,

kiểu đầu kết nôi… Tầng này quy định việc ánh sáng truyền trong cáp quang như thế

nào. Các thiết bị truyền và nhận hoạt động ra sao. Hầu hết các công việc ở tầng này là

làm việc với các khối của bộ thu hoặc phát.

Tầng FC-1 quy định việc mã và giải mã dữ hiệu. Khi gộp cả tầng FC-0 và FC-1

thì người ta thường gọi chung hai tầng này là tầng giao diện tín hiệu (signaling

Interface). Tầng này nhận chuỗi các tín hiệu sau đó mã thành các ký tự có thể sử dụng.

Mã hóa sử dụng là mã 8/10 bits – trong 10 bits có 8 bit là dữ liệu thực còn 2 bit được

sử dụng làm bit chẵn lẻ. (Hình 2.5)



Hình 2.5 Mã hóa và giải mã tại mức FC-1

Tầng FC-2 chịu trách nhiệm xây dựng khung dữ liệu và điều khiển kênh truyền. FC-2

là tầng thực hiện việc chuyển các khung (Frame) giữa nơi gửi và nơi nhận. khung được



phân loại thành khung dữ liệu và khung điều khiển kết nối.

Nếu một khung là khung điều khiển kết nối thì trường dữ liệu của nó có giá trị

bằng 0. Còn nếu là khung dữ liệu thì trường dữ liệu có thể có kích thước từ 0 đến

2112 byte. Khung dữ liệu có thể được sử dụng dưới dạng khung dữ liệu - kết nối

(Link-Data frame) và khung dữ liệu - thiết bị (Device-Data frame). Khung điều khiển

kết nối được phân ra thành các loại: khung xác nhận Acknowldge (ACK) và khung trả

lời liên kết Link-Response (Busy and Reject) [1].



26



Chức năng cơ bản của Fabric là nhận các khung từ cổng nguồn và định tuyến

chúng đến cổng đích. Đây là nhiệm vụ của mức FC-2 để chia dữ liệu cần truyền thành

các khung và tập hợp các khung.

Cấu trúc của một khung được mô tả như hình 2.6. Mỗi khung bắt đầu bằng

trường SOF và kết thúc bằng EOF. Header nằm ngay sau SOF được sử dụng để điều

khiển các ứng dụng kết nối, điều khiển sự chuyển giao các giao thức và phát hiện sự

thiếu hoặc sai thứ tự các khung. Một header phụ có thể chứa nhiều thông tin điều

khiển kết nối khác. Tải tin tối đa 2112 byte chứa các thông tin chính cần truyền giữa

cổng nguồn và cổng đích. 4 byte CRC nằm trước EOF, CRC được sử dụng để phân

tích các lỗi truyền dẫn.



Hình 2.6 Tiêu đề của khung



Như vậy, một khung gồm có sáu phần cơ bản sau:

-



Thứ nhất là đầu khung (SOF). SOF chiếm 4 byte, dấu phẩy và 3 byte chỉ ra

loại dịch vụ kết nối.

Thứ hai là Frame Header (FH). Chứa thông tin điều khiển hoạt động kết nối,

thực hiện định tuyến, xử lý giao thức và phát hiện lỗi hoặc sai thứ tự của

khung. Một trong những chức năng chính của FH là xác định duy nhất các

khung đang hoạt động. Một frame được xác định duy nhất bởi các trường sau:

S_ID, D_ID, OX_ID, RX_ID, SEQ_ID và SEQ_CNT. Sequence Qualifier sẽ

xác định các chuỗi đang hoạt động và đang mở. Sequence Qualifier bao gồm

tất cả các trường trên trừ trường SEQ_CNT. SEQ_CNT được sử dụng để xác



27



định vị trí của khung trong chuỗi. Phần Option Header có thể chứa tới 4 loại

header, đó là: Expiration Security Header (bao lâu thì Frame sẽ bị loại bỏ),

Network Header (chứa thông tin liên quan tới các giao thức mức cao liên quan

tới mạng, như IP), Association Header (gắn Frame với các định danh trao đổi

khác) và Device Header (chứa các thông tin mức cao khác, như SCSI).

Các trường con trong Frame Header:

o R_CTL: Điều khiển định tuyến - phân loại chức năng của khung.

o D_ID: Định danh đích - địa chỉ định danh cổng đích của khung.

o S_ID: Định danh nguồn - địa chỉ định danh cổng nguồn của khung.

o TYPE: Loại cấu trúc dữ liệu - phân loại dữ liệu của khung.

o F_CTL: Điều khiển khung - điều khiển thông tin xử lý khung.

o SEQ_ID: Định danh chuỗi - định danh duy nhất chuỗi khung.

o DF_CTL: Các header tùy chọn trong trường dữ liệu .

o SEQ_CNT: Biến đếm của chuỗi - Số khung nằm trong Sequence hoặc

Exchange.

o OX_ID: Định danh Exchange nguồn .

o RX_ID: Định danh Exchange bên trả lời.

o Parameter: thông tin về khung.

-



-



Tiếp theo là trường Payload. Đối với các khung dữ liệu, trường này sẽ chứa dữ

liệu của người sử dụng. Đối với các khung điều khiển liên kết, payload không

được sử dụng.

Trường CRC được sử dụng để kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu của trường FH và

trường Payload.

Cuối cùng là phân cách kết thúc khung (EOF): là một tập có thứ tự báo hiệu

kết thúc nội dung của khung. Ngoài ra, EOF còn chứa các thông tin về tính

hợp lệ của nội dung khung, mở hoặc đóng kết nối hoặc ngắt kết nối nếu cần.



Khung dữ liệu (gọi là frame type 1 hay FT-1) chứa các thông tin của các giao thức

mức trên như SCSI, IP, IPI…, mỗi giao thức mức trên này tự định nghĩa tập hợp câu

lệnh khi truyền qua kênh quang. Khung dữ liệu cũng thực hiện các dịch vụ kết nối cơ

bản. Có 03 loại khung dữ liệu được sử dụng là:

Kiểu khung dữ liệu

Link data frame

(Khung kết nối dữ

liệu)



Sử dụng để







Bỏ vòng và chuyển đổi khung dữ liệu - Abort sequences

and exchanges

Quản lý thủ tục đăng nhập - Handle login and logout



28







Kiểm tra trạng thái và thời gian đăng nhập- Read

status and timeout values

Xác định khung được chấp nhận hay từ chối Determine whether frames are accepted or rejected



Hỗ trợ các giao thức tầng trên làm

Device data frame

(khung dữ liệu thiết

bị)

Video data frame

(khung dữ liệu video)









Thực hiện câu lệnh SCSI

Truyền dữ liệu của người dùng







Truyền dữ liệu data



Khung điều khiển ( Frame type 0 hay FT-0) là khung trả lời được sử dụng để duy

trì đường kết nối. FT-0 có nhiệm vụ điều khiển đường truyền, phát hiện và quản lý lỗi,

quyết định xem khung được truyền đi thành công hay không. Có 03 loại khung điều

khiển là:

Kiểu khung



Sử dụng cho:



Khung xác nhận-



Xác nhận khung đã được gửi đi



Khung dữ liệu phản

hồi báo bận hoặc từ

chối



Cung cấp thông báo khi khung bị từ chối hoặc không được

sử lý vì nơi nhận bận



Khung câu lệnh kết

nối



Khởi động bộ đệm nơi nhận



Tiêu đề của kênh quang cũng được chia thành 02 loại: Tiêu đề căn bản- tiêu đề này

được bắt đầu mỗi khung sau trường phân cách SOF (Start of Frame). Một số ứng dụng

yêu cầu thêm thông tin ở tiêu đề khi đó khung sẽ thêm phần tiêu đề bổ xung (Optional

Header).

FC-3 Cung cấp các dịch vụ phổ biết cho các port trên kênh quang. Nó quản lý

thông tin đăng nhập của từng port. Trên tầng này mỗi port đều biết trạng thái của các

port còn lại trên Fabric.Một trong những dịch vụ trên fabric là Name server, đây là

dịch vụ cung cấp địa chỉ về các thiết bị kết nối trên fabric. Trên mỗi một switch có

thể có một name server, khi kết nối các switch lại các name server này sẽ chia sẻ

thông tin với nhau, điều này làm name server trên mỗi switch đều có thể nhận biết

được các name server còn lại. Việc phân tán thông tin như vậy được gọi là dịch vụ

phân tán trên fabric (distributed fabric services).



29



FC-4 quy định các dịch vụ mức trên như SCSI, IP, HiPPI, IPI và ATM được

truyền trên kênh quang như thế nào. FC-4 thực hiện việc đóng gói khung dữ liệu của

các giao thức mức trên trên kênh FC. FC-4 đảm bảo rằng dữ liệu hay câu lệnh của các

giao thức mức trên được chia chính xác thành gói tương ứng với các khung dữ liệu

của kênh quang, sau đó khung dữ liệu này được đưa xuống tầng FC-2. Tầng FC-2 gửi

truy vấn đến FC-3 để có thông tin về nơi nhận, sau đó FC-2 thêm thông tin này vào

tiêu đề của khung dữ liệu và gửi xuống tầng FC-1 để chuyển thành mã nhị phân rồi

gửi lên kênh truyền.

Ưu điểm của việc sự dụng các giao thức mạng trên nền kênh quang là tăng tốc độ

truyền dẫn, tăng tính an toàn, linh động trong cấu hình. Các giao thức này gồm có:

SCSI (Small Computer System Interface): là giao thức được sử dụng phổ biến.

SCSI là một chuẩn ghép nối song song cho phép tốc độ gửi nhận dữ liệu lên đến 80

MB/giây. Các thiết bị chuẩn SCSI có thể đâu nối mắt xích với nhau tạo thành chuỗi

các thiết bị SCSI. Khi truyền trên kênh quan chuẩn SCSI có thể đạt tốc độ lên đến 100

MB/giây. FCP là tên của giao thức FC-4 cho SCSI.

IP (Internet Protocol): Truyền dữ liệu IP qua kênh quang được sử dụng khá

phổ biến trong các mảng như: sao lưu dữ liệu, giám sát thiết bị IP qua kênh quang.

Công nghệ truyền dữ liệu IP qua kênh quang cho phép tốc độ truyền dẫn cao hơn

hầu hết các công nghệ mạng Ethernet hiện có.

VI (Vitual Interface): là giao thức chuẩn quy định việc truyền thông thông tin

cluster qua kênh quang. Giao thức này được dùng bởi các cơ sở dữ liệu phân tán,

file hệ thống và các ứng dụng cluster khác nhằm tăng hiệu quả truyền thông tin

giữa các máy tính trên mạng.

HiPPI (High Performance Parallel Interface): Là giao chuẩn giao thức được

sử dụng để truyền dữ liệu với tốc độ 800 Mb/giây cho các siêu máy tính. Các máy

tính này có tốc độ xử lý cao và yêu cầu dữ liệu vào ra ở tốc độ cao. Dữ liệu có thể

đọc từ bộ vi xử lý hoặc bộ nhớ trên từng máy đơn lẻ để hỗ trợ tính toán song song.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface): FDDI là một trong những giao

thức đầu tin được phát triển trên nền kênh quang. FDDI sử dụng thẻ bài (token) để

cấp quyền đăng nhập. Tốc độ truyền của FDDI trên kênh quang có thể lên đến 100

Mbit/giây và được sử dụng phổ biến cho mạng xương sống của mạng WAN.



30



2.3 Các mức dịch vụ và điều khiển luồng dữ liệu

Các mức dịch vụ quy định kỹ thuật nào được sử dụng để truyền dữ liệu, các mức

dịch vụ khác nhau sẽ sử dụng cho kiểu dữ liệu khác nhau. Ngoài ra mức dịch vụ còn

quy định cách thức điều khiển luồng (Flow Control). Trên kênh quang có 02 loại điều

khiển luồng chính là: End to End Flow control- Mỗi khi nhận xong khung dữ liệu nơi

nhận sẽ gửi lại khung xác nhận (ACK Frame) đến nơi gửi. Nơi gửi nhận được khung

này sẽ tăng số trên thẻ xác nhận lên một đơn vị sau đó mới tiếp tục gửi khung tiếp

theo. Kiểu thứ hai là Buffer to buffer flow control. Kiểu này được sử dụng giữa cổng

của fabric với cổng của máy chủ hoặc cổng thiết bị lưu trữ (node port) hay giữa hai

node port với nhau. Với kiểu này để xác định khung có thể nhận, một tín hiệu

(R_RDY – Receiver Ready) được gửi đi nhằm báo sẵn sằng nhận một khung. Khi

nhận được một số khung R_RDY thì nơi nhận sẽ hiểu rằng mình có thể gửi đi một số

khung dữ liệu tương ứng [1,8,9,11].

2.3.1 Mức 1 ( class 1)

Dịch vụ mức một sử dụng đường kết nối giành riêng giữa nơi nhận với nơi gửi.

mọi khung dữ liệu gửi đi đều phải được xác nhận, điều này có nghĩa là khung ACK sẽ

được gửi tới nơi gửi mỗi khi nơi nhận nhận được một khung dữ liệu. Do kênh truyền

là giành riêng nên băng thông được sử dụng tối đa mà không phải chia sẻ cho các thiết

bị khác (Hình 2.7)

Khung dữ liệu trên kết nối mức 1 được đảm bảo sẽ đến nơi nhận đúng theo thứ tự

với nơi gửi. Chỉ có phương pháp điều khiển luồng End to End được sử dụng trong

mức này. Kết nối mức một thường được sử dụng cho các ứng dụng có yêu cầu khắt

khe về mặt thời gian như ứng dụng liên quan đến tiếng nói, stream video.

2.3.2 Mức 2 (class 2)

Là một dịch vụ có tính chuyển mạch khung, không hướng kết nối, cho phép chia sẻ

dải thông bằng cách dồn kênh, ghép các khung từ nhiều nguồn khác nhau lên cùng

một kênh hoặc lên nhiều kênh. Fabric có thể không đảm bảo thứ tự của các khung, các

khung có thể được chuyển đến đích mà không đúng như thứ tự khi truyền