Data Center Bridging – DCB

D ► DCB DCB Data Center Bridging Autor: Prof. Dr.-Ing. Moderne Netzwerke im lokalen Bereich – sog. Local Area Networks Anatol Badach (LANs) – basieren heutzutage ausschließlich auf der Ethernet- Technologie und verwenden das bekannte Internet Protocol (IP). In den Datacentern dieser Netzwerke findet man aber noch separate Speichernetzwerke, sog. Storage Area Networks (SANs). Sie dienen dazu, Servern die Nutzung externer Speichersysteme zu ermögli- chen. Im Gegensatz zu LANs basieren SANs auf der Netzwerktech- nologie Fibre Channel (FC). Der Einsatz zweier verschiedener Netzwerktechnologien – also von Ethernet und Fibre Channel – in Datacentern hat allerdings mehrere Nachteile.1 Auszug aus dem Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, wurde das Konzept von Werk: Fibre Channel over Ethernet (FCoE) entwickelt. Es stellt aber be- stimmte Anforderungen an Gigabit Ethernets (GEs), in diesem Fall an GEs mit Bitraten ab 10 GBit/s. Unter anderem aus diesem Grund müssen klassische GEs um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Alle solchen Erweiterungen von GEs, um verschiedene Verkehrsar- ten in Datacentern – also Daten- und Storage-Verkehr sowie sog. Interprocess Communication (IPC) – einheitlich verwirklichen und folglich konvergente Netzwerklösungen aufbauen zu können, nennt man Data Center Bridging (DCB). FCoE ist die wichtigste Anwen- dung von DCB. Herausgeber: Heinz Schulte Manchmal wird statt DCB der Begriff Data Center Ethernet (DCE) WEKA-Verlag verwendet und GEs mit Unterstützung von DCB als Converged Enhanced Ethernet (CEE) bzw. Enhanced Ethernet for Data Center ISBN 978-3-8276- (EEDC) bezeichnet. Folglich gelten DCB, CEE und EEDC als Syn- 9142-2 onyme und man spricht in diesem Zusammenhang auch von Lossless Ethernet (verlustfreies Ethernet) bzw. von Converged Ethernet (konvergentes Ethernet). 1 Ein wichtiger Nachteil entsteht u.a. dadurch, dass man zum Anschluss eines Servers an LAN und SAN zwei verschiedene I/O-Adapter (Input/Output) braucht – und zwar einen Ethernet-NIC (Network Interface Controller) für LAN und einen FC-HBA (Fibre Channel Host Bus Adapter) für SAN. 1 D ► DCB Die Entwicklung von DCB wird von der gleichnamigen Task Group des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) koordi- niert.2 DCB ist ein Rahmenwerk (Framework), das folgende Stan- dards umfasst: • Priority-based Flow Control (PFC) – IEEE 802.1Qbb • Enhanced Transmission Selection (ETS) – IEEE 802.1Qaz • DCB Exchange Protocol (DCBX) – IEEE 802.1Qaz • Congestion Notification (CN) – IEEE 802.1Qau Das Konzept von DCB kann in großen Netzwerken nur dann wir- kungsvoll realisiert werden, wenn die Layer-2-Switches (kurz L2- Switches) die Bildung von Datenpfaden auf dem Layer 2, also quasi von Routen, zur Übermittlung von Ethernet Frames ermöglichen – und dies geschieht vor allem dank der Unterstützung von Shortest Path Bridging (SPB)3 nach dem Standard IEEE 802.1aq. An dieser Stelle sei hervorgehoben, dass in IEEE-Standards statt L2- Switch konsequent der Begriff Bridge verwendet wird und man demzufolge nicht von Switching, sondern von Bridging spricht.4 Typische Situation in Datacentern – Notwendigkeit von DCB Um die Notwendigkeit von DCB näher erläutern zu können, illust- riert Bild 004872 das allgemeine – heute bereits als klassisch gelten- de – Prinzip, nach dem Datacenter in Netzwerken eingerichtet wer- den. 2 http://www.ieee802.org/1/pages/dcbridges.html 3 Für eine Beschreibung von SPB siehe: Schulte, Heinz (Hrsg.): Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA Verlag, -3827691422. 4 Ende der Achtzigerjahre – als bei IEEE die ersten Standards für das Inter- networking spezifiziert wurden – verwendete man in Ethernet-basierten Netzwerken noch die sog. Bridges, um mehrere Ethernet-Segmente miteinan- der zu koppeln. Der spätere Einsatz mehrerer Prozessoren in Multiport Bridges führte zur Entstehung von L2-Switches, sodass ein L2-Switch der Funktion nach vollkommen einer Multiport Bridge entspricht. 2 D ► DCB Bild 004872: Typische Situation in Datacentern – redundante An- bindung von Servern an LAN und SAN AS/CS/DS/GS: Access/Core/Distribution/Aggregation Switch FCS: Fibre Channel Switch Wie hier zum Ausdruck gebracht wurde, wird jeder Server redun- dant angebunden und zwar an das LAN zwecks des Internetzugangs und der Kommunikation mit als Clients bezeichneten Arbeitsplatz- rechnern sowie an das SAN mit Speichersystemen zwecks einer automatischen Datensicherung (Backup). In der Regel basieren SANs auf der Netzwerktechnologie Fibre Channel (FC) [4]. Durch eine redundante Anbindung von Servern – seitens des LAN an zwei Access Switches (Ethernet Switches) und seitens des SAN an zwei Fibre Channel Switches – soll eine hohe Betriebssicherheit des Netzwerkes und folglich eine hohe Verfügbarkeit seiner Dienste garantiert werden. Dies ist aber mit einem hohen Aufwand verbun- den. So wie in Bild 004873 dargestellt, müssen die zwei verschiede- nen Netzwerktechnologien Ethernet und FC verwendet werden und demzufolge benötigt man für die Anbindung jedes Servers zumin- dest zwei verschiedene Netzwerkadapter – und zwar • Network Interface Controller (NIC) für das Ethernet-LAN und • Host Bus Adapter (HBA) für das FC-SAN. 3 D ► DCB Bild 004873: Typische Situation in Datacentern – redundante und getrennte Anbindung von Servern an LAN und an SAN AS/GS: Access/Aggregation Switch FCS: Fibre Channel Switch GE: Gigabit Ethernet HBA: Host Bus Adapter NIC: Network Interface Controller PCIe: Peripheral Component Interconnect Express5 Ein wichtiger Trend in Datacentern, um diese effizient zu gestalten und dabei die Betriebskosten zu reduzieren, ist die Zusammenfüh- rung von LAN und SAN. Man spricht in einem solchen Fall von LAN- und SAN-Konvergenz. Dieses Ziel lässt sich durch die sog. I/O-Konsolidierung (I/O Consolidation) und mithilfe von neuartigen konvergierten Netzwerkadaptern – von sog. Converged Network Adapters (CNAs) – erreichen. Bild 004874 illustriert die Bedeutung der I/O-Konsolidierung. Ein CNA stellt beispielsweise eine 10GE-Adapterkarte dar, mit der das Konzept von FCoE verwirklicht werden kann. Typischerweise werden CNAs mit zwei 10GE-Ports6 – als Dual Port CNA bezeich- net – ausgestattet, um eine redundante Anbindung von Servern an das LAN über zwei Access Switches realisieren zu können (vgl. Bild 004873). Beim Einsatz von CNAs – de facto also einer I/O- Konsolidierung – braucht man kein SAN mehr, denn die Speicher- 5 PCIe ist ein Standard zur Verbindung von Rechnern mit Peripheriegeräten (z.B. mit Adapterkarten). PCIe stellt eine Erweiterung vom PCI-Bussystem dar – siehe: http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress/base 6 40GE und 100GE stehen kurz vor der Tür, folglich werden bald auch 40GE- und 100GE-CNAs verfügbar sein. 4 D ► DCB systeme können dank FCoE direkt an das Ethernet-LAN angebun- den werden. Bild 004874: I/O-Konsolidierung: a) Einsatz der Netzwerkadapter NIC und HBA ohne I/O-Konsolidierung, b) Einsatz eines Netzwerk- adapters CNA bei I/O-Konsolidierung CNA: Converged Network Adapter FC: Fibre Channel GE: Gigabit Ethernet HBA: Host Bus Adapter I/O: Input/Output NIC: Network Interface Controller PCIe: Peripheral Component Interconnect Express Das soeben geschilderte Ziel, ein Datacenter lediglich auf der Basis von Ethernet-LAN einzurichten, ist dank der I/O-Konsolidierung möglich. Die I/O-Konsolidierung setzt aber wiederum die Imple- mentierung von FCoE voraus und es sind deshalb, um FCoE im Ethernet-LAN implementieren zu können, bestimmte Erweiterungen von Gigabit Ethernet notwendig. Der Grund dafür ist, dass FC-SANs im Gegensatz zu Ethernet-LANs verlustfreie Netzwerke (lossless Networks) sind. Diese Erweiterungen von Gigabit Ethernet dienen dazu, ein verlustfreies Netzwerk zu erstellen und sind ein Bestand- teil von Data Center Bridging (DCB). Hauptziele von DCB Nachdem die Notwendigkeit von DCB erläutert wurde, sollen nun kurz die Hauptziele von DCB aufgeführt werden. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen: 5 D ► DCB • Mehrere Verkehrsklassen über Ethernet Links DCB soll ermöglichen, dass über Ethernet Links mehrere Ver- kehrsklassen (Traffic Classes, TCs) übermittelt werden können. Beim Storage-Verkehr müssen beispielsweise Ethernet Frames mit eingekapselten FC-Frames, d.h. als FCoE-Datenverkehr, ei- ne separate Verkehrsklasse bilden. Die parallele Übermittlung von Daten mehrerer Verkehrsklassen über Ethernet Links ist bei DCB entscheidend und für die I/O-Konsolidierung von großer Bedeutung.