Datacenter-Technologien:
Techniktrends: Ethernet als größter gemeinsamer Nenner im Datacenter
Bei Servern ist 10-Gigabit-Ethernet heute schon Standard. Unter dem Motto »Konvergenz im Rechenzentrum« ist Ethernet angetreten, mit dem Storage-Bereich eine der letzten Bastionen eigenständiger Netzwerkstrukturen zu erobern. Der Weg dazu führt über Fibre Channel over Ethernet, begleitet von einem Ausbau des Ethernet-Standards.
Die Zukunft im Rechenzentrum gehört 10-Gigabit-Ethernet (10GbE). Dieser Standard bewahrt die bekannten Vorteile von Ethernet und eröffnet gleichzeitig neue Optionen. So ist 10GbE beispielsweise ein Weg, um die Bandbreite in virtualisierten Umgebungen zu erhöhen: Mehrere virtuelle Netze können über dieselbe physikalische Verbindung transportiert werden.
Darüber hinaus verbraucht ein 10-Gigabit-Ethernet-Anschluss in der Regel weniger Energie und ist kostengünstiger als mehrere Gigabit-Ethernet-Karten zusammengenommen. Ein weiterer Pluspunkt: 10-Gigabit-Ethernet bietet einen gangbaren Entwicklungspfad für die Zusammenführung von iSCSI und Fibre Channel in einer Storage-Infrastruktur.
Der Standard sorgt dafür, dass genügend Kapazität für eine einheitliche Kommunikation (Effective Unified Network Fabric) zur Verfügung steht und gleichzeitig die im Einsatz befindlichen Ethernet- und IP-Strukturen weiter genutzt werden können.
Fibre Channel over Ethernet als Wegbereiter
Fibre Channel over Ethernet (FCoE) ist ein neues Protokoll für Speichernetze. Es benötigt einige Erweiterungen des herkömmlichen Ethernets, die für eine sichere Zustellung der Frames sorgen. Dagegen kommt iSCSI ohne solche Ergänzungen aus. Sind entsprechende »Add-ons« jedoch vorhanden, profitiert auch iSCSI davon.
Ein Converged-Network-Adapter ermöglicht Anwendern dank der FCoE-Funktionalität die Verbindung der Server mit Fibre-Channel-SANs über eine 10-Gigabit-Enhanced-Ethernet-Fabric.
Für FCoE spricht die Vereinheitlichung des Datenverkehrs im Unternehmensnetz. Ein wichtiger Aspekt ist der Ausbau von Ethernet, um die I/O-Konsolidierung auf eine Unified Fabric zu unterstützen.
Einer gängigen Definition zufolge wird als Fabric in LANs, im Gegensatz zu einer einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindung, ein »Netzwerk von Leitungen, Routern und Switches bezeichnet, das eine gewisse Redundanz und Quervernetzung besitzt und darauf ausgelegt ist, einen Datenfluss mit hohem Durchsatz, hoher Bandbreite und hoher Ausfallsicherheit zu gewährleisten«.
Eine Unified Fabric steht dagegen für die Konsolidierung von Daten- und Speichernetzen, als LANs und SANs. Ein solches konsolidiertes Netz bietet alle Funktionen des Layer-2-Netzwerks, also Multicast- und Broadcast-Verkehr, VLANs, Link Aggregation et cetera.
Die Basistechnologie einer Unified Fabric ist 10GbE, und FCoE ist ein Schlüsselelement einer Unified-Fabric-Strategie. Einer der Faktoren, der die Verbreitung von FCoE fördert, ist, dass teure FC-Hardware künftig durch kostengünstige Ethernet-Komponenten ersetzt werden kann.
Sowohl Fibre Channel (FC) als auch Fibre Channel over Ethernet (FCoE) benötigen weitere Protokolle, um eine Verbindung zu anderen FC- oder FCoE- SANs herstellen zu können. FCIP (Fibre Channel over IP) und FC-IFR (Fibre Channel Inter-Fabric Routing) sind zwei solcher Protokolle.
Zentraler Baustein bei der Einführung von FCoE ist ein Converged-Network-Adapter (CNA). Dell [1] beispielsweise nutzt im ersten Schritt für seine Poweredge-Server einen CNA auf Basis einer Technologie von Qlogic [2].
Der Dual-Port-CNA ermöglicht Anwendern die Verbindung der Server mit Fibre-Channel-SANs über eine FCoE-Fabric. Unternehmen können damit eine Konsolidierung ihrer Infrastruktur hinsichtlich Verkabelung und Adapterbedarf durchführen.
Die gleiche Infrastruktur lässt sich für unterschiedliche Arten des Daten- und Netzverkehrs nutzen, und das bei gleichzeitiger Anbindung an die vorhandene Storage-Lösung.
Gigabit-Ethernet und 10GbE unterstützt
Dell verfolgt kurz- und mittelfristig eine zweigleisige Strategie und unterstützt sowohl GbE als auch 10GbE. FCoE ermöglicht es, native Fibre-Channel-Arrays (FC) in FCoE-Fabrics zu integrieren und dabei weiterhin die vorhandenen FC-Tools zu nutzen.
Fibre Channel over Ethernet ist Teil der Unified Network Fabric, welche die Zahl der Adapter, Kabel und Switches reduziert.
Der Nutzen beim Einsatz mit iSCSI: Die vorhandenen Ethernet-Netze sowie die Management-Tools können weiter verwendet werden und Speicher-Traffic lässt sich über weite Entfernungen und preiswerte Speicherlösungen mit einem Mix von GbE und FCoE routen.
Fibre Channel over Ethernet im Überblick
FCoE bedeutet im Kern ein Mapping von Frames über die Data-Center-Bridging-Spezifikationen (DCB) und erfordert die gleiche verlustfreie Übertragung, wie sie für Fibre-Channel-Netzwerke typisch ist. Die Voraussetzung dafür: Lossless-Ethernet wird zur Transportbasis für Blockzugriffe und Interprozess-Kommunikation.
Die zugehörigen Protokolle öffnen Fibre Channel für Ethernet-Umgebungen und kombinieren beide Technologien, also Fibre Channel und Ethernet. Für FCoE muss das Ethernet-Protokoll auf mehreren Feldern ausgebaut werden.
Hier die vier wichtigsten Erweiterungen des Ethernet-Protokolls auf einen Blick:
Congestion Notification: Dieses Protokoll befasst sich mit der Benachrichtigung bei Netzwerkstaus. In der Arbeitsgruppe IEEE 802.1 wird dazu gegenwärtig ein Vorschlag von Cisco diskutiert, noch aber gibt es keine endgültigen Festlegungen.
Das Thema dabei lautet: Verkehrsmanagement, das Staus an den Rand des Netzwerks verschiebt. Dem Vorschlag von Cisco liegt eine Architektur für das aktive Management von Verkehrsflüssen zugrunde, um Staus im Datenverkehr zu vermeiden. Dieser Ansatz schützt die Integrität der Netzwerk-Kernbereiche und wirkt sich nur auf die Segmente aus, die den Datenstau verursachen.
Priority-based Flow Control (PFC): Dies bezeichnet die Datenflusskontrolle auf der Basis von Prioritäten (siehe IEEE 802.1 Qbb), wobei die Kontrollverfahren eine Erweiterung des Ethernet-Pause-Mechanismus nutzen.
Dazu erstellt PFC auf der physikalischen Verbindung acht getrennte virtuelle Links. PFC sieht vor, differenzierte Quality-of-Service-Strategien (QoS) für die acht virtuellen Links zu verwenden. Jeder dieser Links kann individuell angehalten und neu gestartet werden.
Damit ist es möglich, für einen einzelnen virtuellen Link eine »No-Drop«-Serviceklasse zu erstellen, die neben anderen Verkehrstypen auf der gleichen Schnittstelle existieren kann.
Enhanced Transmission Selection Bandwidth Allocation among Traffic Classes: Während sich mit PFC auf einer physikalischen Verbindung separate virtuelle Link-Typen erstellen lassen, kann es zusätzlich von Vorteil sein, für eine Gruppe zusammengehöriger virtueller Links unterschiedliche Verkehrsklassen zu definieren.
Die Funktion Enhanced Transmission Selection (ETS) bietet priorisierte Verarbeitung und damit eine Verkehrsklassenzuweisung pro Gruppe (Standardisierungsvorschläge dazu laufen unter IEEE 802.1 Qaz). ETS ermöglicht es damit, verschiedene Verkehrsarten innerhalb der gleichen Prioritätsklasse auf unterschiedliche Weise zu behandeln.
Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL): Die Erweiterungen von Ethernet im FCoE-Umfeld verfolgen das Ziel, die Funktionen der aktuellen SAN-Protokolle bestmöglich abzubilden. Das gilt beispielsweise für Latenzzeiten, die durch die Einführung von PFC minimiert werden.
Erforderlich sind aber zusätzlich Funktionen, die den parallelen Betrieb von Verbindungen im Ethernet ermöglichen. Heute erfolgt Multipath-Routing auf Layer 3.
Um dies auch auf Layer 2 zu erreichen, werden gegenwärtig zwei Alternativen diskutiert. Die IETF Standards Group schlägt dazu TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) vor, während IEEE Shortest-Path Bridging (IEEE 802.1 Qat) untersucht. In beiden Varianten geht es um eine Vernetzung zwischen Switches auf Layer 2 und der Nutzung paralleler Pfade zwischen Knoten. Das gewünschte Ergebnis von Layer 2 Multipathing ist eine höhere Bandbreite bei niedrigeren Latenzzeiten.
Data-Center-Bridging: Die Data-Center-Bridging-Spezifikationen liefern eines der letzten noch fehlenden Puzzleteile, um Daten- und Speichernetze in einer Unified Fabric miteinander zu verbinden. Das Data Center Bridging Exchange Protocol (DCBX) entstand aus einer Zusammenarbeit von Cisco, Intel und Nuova. Implementierungen von DCB finden sich unter den Bezeichnungen CEE (Converged Enhanced Ethernet, Brocades Version von DCB) und DCE (Data Center Ethernet, Ciscos Version von DCB).
Cisco verwendete DCE ursprünglich als Bezeichnung für die Weiterentwicklung von Ethernet-Bridging-Standards. Cisco-DCE-Produkte nutzen DCBX, um Peers in Cisco-Data-Center-Ethernet-Netzwerken zu ermitteln und Konfigurationsinformationen zwischen DCE-Switches auszutauschen.
Ausblick
Der Bedarf in den Unternehmen nach konvergenten Netzinfrastrukturen, also einer Verknüpfung von Daten- und Speichernetzen, steigt drastisch an. 10-Gigabit-Ethernet stellt die benötigte Bandbreite bereit, um eine Vielzahl von Storage-Insellösungen miteinander zu verbinden und bietet genügend Raum für weiteres Wachstum.
FCoE-Trends: Fibre Channel over Ethernet wird sich von den Rändern eines Netzes über die Kernbereiche bis ins Zentrum eines Netzes vorarbeiten. Am Ende stehen eigenständige FCoE-Storage-Arrays.
Entscheiden sich Anwender für eine FCoE-Lösung als Brücke zu vorhandenen Fibre-Channel-SANs, können sie im Laufe der Zeit die Vorteile der technischen Weiterentwicklung bei FCoE nutzen. Bei der ersten Generation der FCoE-Lösungen liegt der Schwerpunkt auf der I/O-Konvergenz in den Servern. Dabei kommen vorwiegend Ethernet-Switches zum Einsatz.
In der zweiten Phase werden große FCoE-Netze durch DCB-fähige Switches unterstützt, die mit ähnlichen Funktionen wie Fibre-Channel-Switches aufwarten können. In Kombination erlauben 10-Gigabit-Ethernet und DCB den Aufbau einer einheitlichen Netzwerkinfrastruktur, die Unternehmen vielfältige Optionen eröffnet: Sie können iSCSI, FCoE oder beides verwenden.
FCoE bedeutet zusätzliche Investitionen, während man bei iSCSI die Verfügbarkeit kostengünstiger 10-Gigabit-Ethernet abwarten kann.
In der dritten Phase schließlich, die sicherlich nicht vor 2011 kommt, ist mit der Verfügbarkeit von nativen FCoE-Systemen zum Anschluss an FCoE-Netze zu rechnen.
Der Autor: Hans Schramm ist Field-Product-Manager Enterprise bei Dell in Frankfurt am Main.
[1] http://www.dell.de/
[2] http://www.qlogic.com/
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