Fiber Channel

1. Įvadas

Pastaraisiais metais sparčiai besivystanti pramonė sukūrė poreikį labai greitoms duomenų sąsajoms. Aukštos kokybės, galingi kompiuteriai sulaukia vis daugiau dėmesio iš duomenų perdavimo pramonės. Greitaveikos tobulėjimas paskui save atnešė ir itin daug tinklo resursų reikalaujančias programas, tokias kaip multimedija ir mokslinės vizualizacijos programos. Atsirado problema, jog dabartiniai tinklai nebesugeba dirbti tokiais greičiais.
Optinės skaidulos (kabelio) paskirtis, yra išvystyti nebrangų, praktišką, ir lengvai pakeičiamą būdą greitai perduoti duomenis. Fiber channel (FC) iš esmės yra integruotų standartų visuma, kuriama "ANSI" (American National Standards Institute). Yra du pagrindiniai duomenų perdavimo tipai tarp procesorių ir tarp procesorių ir perifireijos įrenginių: kanalai ir tinklai. Kanalas suteikia tiesioginį "point-to-point" ryšį tarp komunikuojančių įrenginių. Kanalas paparastai yra paremtas aparatine įranga ir perduoda duomenis dideliu greičiu su mažais nuostoliais. Kitaip nei kanalas, tinklas yra paskirstymo mazgų agregacija, su savu protokolu, kuris palaiko bendravimą tarp jame esančių mazgų. tinklas turi didesnes sąnaudas, nes jis yra paremtas programine įranga, ir todėl yra lėtesnis. Tinklai gali atlikti daugiau užduočių, nei kanalai, nes jie apima daug daugiau mazgų. Optinės skaidulos tinklai bando įgyvendinti abiejų šių būdų geriausias savybes, kad patenkintų ir kanalų, ir tinklų vartotojus. Fiber channel topologija nepanaši nei i kanalo, nei į tinklo. FC topologija sudaro aktyvi tarpusavio sujungimų schema, vadinama "Pluoštu" (angl. Fabric). Viskas ką turi padaryti prie FC prijungas mazgas, tai palaikyti ryšį su "Pluoštu". FC tai didelės greitaveikos serijinė sąsaja, palaikanti savo, o taip pat ir kitus aukšto lygio protokolus, kaip: FDDI, SCSI, HIPPI and IPI. FC standartas patenkina poreikį itin spračiam didleio kiekio duomenų perdavimui. Ši 1Gbit/s technologija gali būti pritaikyta LAN technologijai, pridedant daugiataškį adresavimą (angl. multipoint addressing). Dar vienas provalumas, jog FC suteikia ir kanalo ir tinklo sąsajos galimybes.

2.Topologija.

FC tinkle komutatorius, jungiantis įrenginius yra vadinamas "pluoštu". Sąsaja yra du vienakrypčiai optiniai kabelia, transliuojantys priešingomis kryptimis, turintys savą siūstuvą ir imtuvą. Kai jungiamasi prie pluošto, tai kabelis gali būti jungiamas vienoje pusėje prie mazgo(N port), o kitoje prie pluošto (F port).
Kadangi Fiber Channel sistema yra priklausoma nuo mazgų susijungimo tarp jų ir pluošto, tai yra nesvarbu, ar pluoštas yra komutatorius, koncentratorius, ar žiedas. Topologija gali būti pasirinkta priklausomai nuo reikalingos sistemos greitaveikos reikalavimų. Galimos FC topologijos yra taškas į tašką, tarptaškinio komutavimo (angl. crosspoint switched) ir komutuoto arba arbitražo žiedo (angl. switched, arbitrated loop).

1 pav. Fiber Channel topologijos.
FC galimos įvairios greitaveikos (133 Mbit/s, 266 Mbit/s, 530 Mbit/s, ir 1 Gbits/s), ir trijų tipų tiek elektroninių, tiek optinių laikmenų. Perdavimo atstumai labai skiriasi, priklausomai nuo greičio ir naudojamų laikmenų. Vieno režimo skaidulinės optikos laikmenos audojant ilgų bangų lazerio šviesos šaltinį suteikia didžiausią našumą (10 km atsumas veikiant 1 Gbit/s greičiu).

3. FC-0 sluoksnis

Fiber Channel yra struktūrizuotas kaip hierarchinių funkcijų rinkinys (2 pav.)

2pav. Fiber Channel struktūra.

Žemiausias lygis - FC-0 apibrėžia fizinį ryšį sistemoje, kaip jungtys, optiniai ir elektriniai įvairių greitaveikų perdavimo parametrai. FC sistemos klaidų skaičius (bit error rate) yra mežesnis nei 10exp-12. Fizinis sluoksnis yra sukurtas naudoti su įvairiomis technologijomis, tam, kad patenkinti kuo platesnį sistemų reikalavimų diapazoną. kelias, nuo pradinio taško iki galinio, tokiame tinkle, gali tureti sujungtą ne vieną technologiją, kad pasiekti maksimalią spartą ir kainos efektyvumą.

3.1 Open Fibre Control protokolas

FC-0 turi apsaugos protokolą - Open Fibre Control protocol (atviros skaidulos kontrolės protokolas), kadangi lazeriai, naudojami perduoti informacijai gerokai viršyja lazerių saugumo standartus. Jei kurnors optinėje skaiduloje atsirado pažeidimas, lazeris nebeskleidžia signalo pilnu galingumu, o leidžia signalus, kurie atitinka saugumo standartus. Kitame gale, imtuvas gavęs šiuos silpnus signalus taip pat nustato siūstuvą siūsti saugius, silpnus signalus. Pašalinus gedimą abu imtuvai ima gauti šiuos silpnus sigalus, ir po tam tikrų saugumo patikrinimų atstato pilną galingumą. taip įvyksta per kelias sekundes.

4. FC-1 sluoksnis

FC-1 apibrėžia perdavimo protokolą, taip pat serijinio kodavimo ir šifravimo taisykles, specialius simbolius ir klaidų kontrolę. Informacija, siunčiama per FC yra užšifruota gabalėliais, po 8 bitus, ir įdedama į 10 bitų perdavimo simbolį. Pagrindinis šio kodavimo tikslas - pagerinti perdavimo charakteristiką per pluoštą. Perdavimo kodas turi būti subalansuotas DC įtampai (DC balanced), kad atitiktų imtuvų reikalavimus. Šie 10 bitų simboliai užtikrina, kad perdavimo sraute būtų pakankamai tarpų, ir imtuvai galėtų atstatyti savo taktinio dažnio generatorių (angl. Clock recovery).

4.1 FC-1 Simbolių konvertavimas

Neužkoduotos informacijos baitas yra sudarytas iš aštuonių informacijos bitų, B, C, D, E, F, G, H ir kontrolinio kintamojo Z. Ši informacija FC-1 yra užkoduojama į 10 bitų perdavimo simbolio a,b,c,d,e,i,f,g,h,j bitus. Kontrolinis kintamasis turi dvi būsenas - D (D-type) skirta raidėms, ir K (K-type) specialiems simboliams. Gauta informacija yra atkuriama po 10 bitų ir D tipo simboliai yra atkoduojami į vieną iš 256 8 bitų kombinacijų. Kaikurie K tipo simboliai yra naudojami protokolo valdymui. Simboliai, kurie gaunami ne D arba K tipo yra laikomi klaidomis.

4.2 Kodavimo taisyklės

Kiekvienas duomenų arba sepcialių simbolių baitas turi du transmisijos kodus. Duomenų baitai ir specialieji simboliai yra užkoduoti nuadojant bėgantį nelyginumą (angl. running disparity, RD). RD yra dvejetainio kodo parametras, kai į kodą yra pridedama 1 arba 0 priklausomai nuo jau esamo 1 ir 0 kiekio. Kaskarta siunčiant vieną simbolį paskaičiuojamas naujas RD. Jei siūstuvo ir imtuvo suskaičiuotas RD nesutampa, imtuvas indikuoja, jog įvyko klaida.

5. FC-2 Sluoksnis

FC-2 yra signalizavimo protokolo sluoksnis. Jis yra Fiber Channel transporto mechanizmas. Jis apibrėžia pagrindines, nekeičiamas taisyklės perduodamai informacijai, mechanizmus trujų perdavimo klasių kontroliavimui ir duomenų perdavimo eiliškumo metodus. Kad būtų lengviau perduoti duomenis per sąsają, sluoksnyje išskiriami šie blokai:
Ordered Set (išrikiuotas rinkinys)
Frame (kadras)
Sequence (seka)
Exchange (apsikeitimas)
Protocol (Protokolas)

5.1 Išrikiuotas rinkinys

Ordered Set yra 4 baitų transliacijos žodžiai, kuriuose yra duomenys ir specialūs simboliai, kurie turi specialias reikšmes. Šie rinkiniai suteikia galimybę išgauti baito ir žodžio sinchronizaciją. Išrikiuotas rinkinys visuomet prasideda nuo specialaus simbolio K28.5. Yra trys pagrindiniai Ordered Set tipai: Kadro skyriklis (frame delimiter) Primityvūs signalai - tuščia eiga ir paruoštas imtuvas(Idle ir Receiver ready) Primityvi seka (Primitive sequence)

5.2 Kadras

Kadras - tai pagrindinis FC ryšio objektas. Kadre yra visa informacija, kurią norima perduoti, siuntėjo ir gavėjo adresas ir ryšio kontrolės iformacija. Kadrai kategorizuojami į duomenų kadrus ir ryšio kontrolės kadrus. Duomenų kadrai gali būti panaudoti kaip ryšio duomenų kadrai, arba kaip įrenginio duomenų kadrai. Ryšio kontrolės kadrai yra klasifikuojami kaip pripažinimo (Acknowledge) ir ryšio atsako (Link_Response (Busy ir Reject)) kadrus. Pirminė pluošto funkcija yra gauti kadrus iš šaltinio ir nukreipti juos į jiems skirtą vietą. FC-2 yra atsakingas, kad duomenys būtų suskaidyti po kadrą, ir surinkti atgal į kadrus. Kiekvienas kadras prasideda ir baigiasi kadro skyrikliu (frame delimiter). Kadro antraštė yra iškart po kadro pradžios bitų, ji skirtakontroliuoti protokolams, ir aptikti prarastus, arba nevietoje esančius kadrus. Iki 2112 baitų dydžio laukas (payload) turi savyje visą informaciją, kurią reikia perduoti iš šaltinio į paskirties vietą. Po jo yra Cikliškas perteklinis patikrinimas (CRC), kuris skirtas surasti perdavimo klaidoms. PAbaigoje yra End of Frame baitai.
3pav. Kadro struktūra.

5.3 Seka

Seka yra formuojama iš vieno ar kelių susijusių kadrų, perduodamų viena kryptimi iš N_Port. Kiekvienas kadras sekoje turi jam suteiktą unikalų numerį. Klaidų kotrolę atlieka aukštesnio sluoksnio protokolas.

5.4 Apsikeitimas

Apsikeitimas susideda iš vienos arba daugiau ne tuo pačiu metu vykstančių sekų, skirtų vienai operacijai atlikti. Apsikeitimai gali būti vienkrypčiai, arba skirtingų krypčių tarp dviejų N_port. Per vieną apsikeitimą vienu metu gali būti aktyvi tik viena seka, bet skirtingų apsikeitimų sekos gali vykti vienu metu.

5.5 Protokolas

Protokolai yra susiję su FC siūlomomis paslaugomis. Protokolai gali būti specifiniai, susiję su aukštesnių sluoksnių paslaugomis, nors FC turi ir savo protokolų rinkinį, skirtą valdyti savo duomenų perdavimo aplinkai. Protokolai apibrėžti standartu: Primityvių sekų protokolai remiasi Primityviomis sekomis. Pluošto prisijungimo protokolas - tarp N_Port ir pluošto N_Port prisijungimo protokolas - prieš perduodant duomenis N_Port apsikeičia savo perdavimo parametrais su kitu N_Port Duomenų perdavimo protokolas - apibūdina aukštesnio sluoksnio protokolo (ULP) duomenų perdavimo metodus naudojant Tekmės kontrolę. N_Port atsijungimo protokolas - atliekamas kai N_Port pareikalauja pašalinti jo aptarnavimo parametrus iš kito N_port. Tai gali būti panaudota, akd atlaisvinti resursus prijungtame N_Port.

5.6 Tekmės kontrolė

Tekmės kontrolė tai FC-2 kontrolės procesas, skirtas sutapdinti kadrų srauta tarp N jungčių tarpusavyje ir tarp N jungčių ir pluošto, tam kad išvengti užtęsimų imtuve. Tekmės kontrolė yra priklausoma nuo paslaugų klasių. Pirmos klases kadrai naudoja pilną (end-to-end) tenkmės kontrolę, o trečios klases - tik buferis-į-buferį tekmės kontrolę. 2 klasės kadrai naudoji abi minėtas kontroles. Tekmės kontrolę organizuoja sekos iniciatorius ir sekos gavėjas. Pilnos (end-to-end) tenkmės kontrolės procesas nustato kadrų greitį tarp N_Port'ų. Šiuo atveju sekos gavėjas yra atsakingas už gautų duomenų kadrų atpažinimą. Buferis-į-buferį tenkmės kontrolė yra organizuojama tarp N ir F port'ų arba tarp N portų point-to-point topologijoje.

6. FC-3 sluoksnis

FC-3 sluoksnis skirtas suteikti pagrindines paslaugas susijusias su pažangiomis funkcijomis. Pvz.:

Striping - Padidinti pralaidumą naudojant keletą N_port'ų lygiagrečiai, perduodant vieną informacijos vienetą per daugelį jungčių. Hunt groups - Galimybė daugiau nei vienam port'ui atsiliepti į tą patį adresą. Tai padidina našumą, nes sumažinama tikimybė petekti į užimtą N_port. Multicast - Grupinis transliavimas tai duomenų perdavimas iškart keliems gavėjams, nurodant grupinį adresą.

7. FC-4 sluoksnis

FC-4 - aukščiausias lygis FC struktūroje. Jis apibrėžia programų sąsajas, kurios glai būti vykdomos per FC. Jis apibrėžia kartografavimo taisykles aukštesnių lygių protokolams, kurie naudoja žemesnius lygius. FC yra vienodai gerai pritaikytas tinklo ir kanalo informacijos transportavimui ir leidžia abiejų rūšių protokolus perduoti ta pačia fizine sąsaja. Šie tinklo ir kanalo protokolai šiuo metu yra apibrėžti, arba yra siūlomi priskirti kaip FC-4:
Small Computer System Interface (SCSI)
Intelligent Peripheral Interface (IPI)
High Performance Parallel Interface (HIPPI) Framing Protocol
Internet Protocol (IP)
ATM Adaptation Layer for computer data (AAL5)
Link Encapsulation (FC-LE)
Single Byte Command Code Set Mapping (SBCCS)
IEEE 802.2