Canal de fibra

Fibre Channel ( FC ) es un protocolo de transferencia de datos de alta velocidad que proporciona una entrega en orden y sin pérdidas ^{[ 1 ]} de datos de bloques sin procesar. ^{[ 2 ]} Fibre Channel se utiliza principalmente para conectar el almacenamiento de datos de computadoras a servidores ^{[ 3 ] [ 4 ]} en redes de área de almacenamiento (SAN) en centros de datos comerciales .

Las redes Fibre Channel forman una estructura conmutada porque los conmutadores de la red operan al unísono como un único conmutador de gran capacidad. Fibre Channel suele funcionar con cables de fibra óptica dentro y entre centros de datos, pero también puede funcionar con cableado de cobre. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Las velocidades de datos admitidas incluyen 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 gigabits por segundo , resultado de las mejoras en las sucesivas generaciones tecnológicas. La industria ahora lo denomina Gigabit Fibre Channel (GFC).

Existen varios protocolos de nivel superior para Fibre Channel, incluyendo dos para almacenamiento en bloques. El protocolo Fibre Channel (FCP) transporta comandos SCSI a través de redes Fibre Channel. ^{[ 3 ] [ 4 ]} FICON transporta comandos ESCON , utilizados por las computadoras centrales de IBM , a través de Fibre Channel. Fibre Channel se puede utilizar para transportar datos desde sistemas de almacenamiento que utilizan memoria flash de estado sólido mediante el transporte de comandos del protocolo NVMe .

Cuando se ideó originalmente la tecnología, funcionaba únicamente a través de cables de fibra óptica y, por ello, se la denominó "Fiber Channel". Posteriormente, se añadió a la especificación la capacidad de funcionar a través de cableado de cobre. Para evitar confusiones y crear un nombre único, la industria decidió cambiar la ortografía y utilizar la palabra inglesa británica " fiber" para el nombre del estándar. ^{[ 5 ]}

Fibre Channel está estandarizado por el Comité Técnico T11 del Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información ( INCITS ), un comité de estándares acreditado por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). Fibre Channel se inició en 1988, con la aprobación del estándar ANSI en 1994, para combinar las ventajas de múltiples implementaciones de capa física, incluyendo SCSI , HIPPI y ESCON .

Fibre Channel se diseñó como una interfaz serial para superar las limitaciones de las interfaces de cable de cobre de señal paralela de capa física SCSI e HIPPI. Estas interfaces se enfrentan al desafío de, entre otras cosas, mantener la coherencia de temporización de la señal en todos los cables de datos (8, 16 y finalmente 32 para SCSI, 50 para HIPPI) para que un receptor pueda determinar cuándo todos los valores de la señal eléctrica son "buenos" (estables y válidos para el muestreo de recepción simultánea). Este desafío se vuelve cada vez más difícil en una tecnología de fabricación en masa a medida que aumentan las frecuencias de la señal de datos, y parte de la compensación técnica consiste en reducir cada vez más la longitud del cable de cobre paralelo de conexión admitido. Véase SCSI paralelo . FC se desarrolló con tecnologías de fibra óptica multimodo de vanguardia que superaron las limitaciones de velocidad del protocolo ESCON. Al aprovechar la gran base de unidades de disco SCSI y las tecnologías de mainframe, Fibre Channel desarrolló economías de escala para tecnologías avanzadas y las implementaciones se volvieron económicas y generalizadas.

Se lanzaron productos comerciales mientras el estándar aún estaba en borrador. ^{[ 6 ]} Para cuando se ratificó el estándar, las versiones de menor velocidad ya estaban cayendo en desuso. ^{[ 7 ]} Fibre Channel fue el primer transporte de almacenamiento en serie en alcanzar velocidades de gigabit ^{[ 8 ]} donde tuvo una amplia adopción, y su éxito creció con cada velocidad sucesiva. Fibre Channel ha duplicado su velocidad cada pocos años desde 1996.

Además de una capa física moderna, Fibre Channel también añadió compatibilidad con una gran cantidad de protocolos de "capa superior", incluidos ATM , IP ( IPFC ) y FICON , siendo SCSI ( FCP ) el de uso predominante.

Fibre Channel ha experimentado un desarrollo activo desde su creación, con numerosas mejoras de velocidad en diversos medios de transporte subyacentes. Las siguientes tablas muestran la progresión de las velocidades nativas de Fibre Channel: ^{[ 9 ]}

FC se utiliza en todas las aplicaciones de infraestructura y dispositivos Fibre Channel, incluidas las interconexiones de borde e ISL. Cada velocidad mantiene la compatibilidad con versiones anteriores de al menos dos generaciones (por ejemplo, 32GFC es compatible con versiones anteriores de 16GFC y 8GFC).

Los enlaces entre conmutadores (ISL) suelen ser interconexiones multicanal utilizadas para conexiones centrales, no de borde, y otras aplicaciones de alta velocidad que requieren el máximo ancho de banda. Los ISL utilizan altas tasas de bits para gestionar la canalización de las conexiones de borde. Algunas soluciones ISL son propiedad de los proveedores.

Dos características principales de las redes Fibre Channel son la entrega en orden y la entrega sin pérdidas de datos de bloques sin procesar. La entrega sin pérdidas de bloques de datos sin procesar se logra mediante un mecanismo de crédito. ^{[ 1 ]}

Existen tres topologías principales de Fibre Channel que describen cómo se conectan varios puertos entre sí. En la terminología de Fibre Channel, un puerto es cualquier entidad que se comunica activamente a través de la red, no necesariamente un puerto de hardware . Este puerto suele implementarse en un dispositivo como un disco duro, una conexión de red de adaptador de bus de host ( HBA ) en un servidor o un conmutador Fibre Channel . ^{[ 3 ]}

• Punto a punto (verFC-FS-3). Dos dispositivos se conectan directamente entre sí mediantepuertos de nodo. Esta es la topología más simple, con conectividad limitada. ^{[ 3 ]} El ancho de banda es dedicado.
• Bucle arbitrado (véase FC-AL-2 ). En este diseño, todos los dispositivos forman un bucle o anillo, similar a una red Token Ring . Agregar o quitar un dispositivo del bucle interrumpe toda la actividad en él. La falla de un dispositivo provoca una interrupción en el anillo. Existen concentradores Fibre Channel para conectar varios dispositivos entre sí y pueden evitar los puertos que fallen. También se puede crear un bucle conectando cada puerto con el siguiente en el anillo.
  • Un bucle mínimo que contiene solo dos puertos, si bien parece similar a una conexión punto a punto, difiere considerablemente en términos de protocolo.
  • Solo un par de puertos puede comunicarse simultáneamente en un bucle.
  • Velocidad máxima de 8GFC.
  • El protocolo Arbitrated Loop se ha utilizado muy poco después de 2010 y su compatibilidad con los switches de nueva generación se está interrumpiendo.
• Tejido conmutado (véase FC-SW-6 ). En este diseño, todos los dispositivos están conectados a conmutadores Fibre Channel , de forma conceptualmente similar a las implementaciones Ethernet modernas . Las ventajas de esta topología sobre el punto a punto o el bucle arbitrado incluyen:
  • La plataforma Fabric puede escalar a decenas de miles de puertos.
  • Los conmutadores gestionan el estado de la red Fabric, proporcionando rutas optimizadas mediante el protocolo de enrutamiento de datos Fabric Shortest Path First (FSPF).
  • El tráfico entre dos puertos fluye a través de los conmutadores y no a través de ningún otro puerto, como en el bucle arbitrado.
  • El fallo de un puerto se limita a ese enlace y no debería afectar al funcionamiento de los demás puertos.
  • En una red Fabric, varios pares de puertos pueden comunicarse simultáneamente.

Fibre Channel no sigue la estructura de capas del modelo OSI , sino que se divide en cinco capas:

• FC-4 : capa de mapeo de protocolos, en la que los protocolos de nivel superior, como NVM Express (NVMe), SCSI , IP y FICON, se encapsulan en unidades de información (IU) para su entrega a FC-2. Los FC-4 actuales incluyen FCP-4, FC-SB-5 y FC-NVMe .
• FC-3 – Capa de servicios comunes, una capa delgada que eventualmente podría implementar funciones como algoritmos de cifrado o redundancia RAID ; conexiones multipuerto;
• FC-2 – Protocolo de señalización, definido por el estándar Fibre Channel Framing and Signaling , consta de los protocolos de red Fibre Channel de bajo nivel ; conexiones de puerto a puerto;
• FC-1 – Protocolo de transmisión, que implementa la codificación de línea de las señales;
• FC-0 – capa física , definida por el estándar de interfaces físicas de Fibre Channel , incluye cableado, conectores , etc.;

Los productos Fibre Channel están disponibles a 1, 2, 4, 8, 10, 16, 32, 64 y 128 Gbit/s ; estas variantes de protocolo se denominan respectivamente 1GFC, 2GFC, 4GFC, 8GFC, 10GFC, 16GFC, 32GFC, 64GFC o 128GFC. El estándar 32GFC fue aprobado por el comité INCITS T11 en 2013, y esos productos estuvieron disponibles en 2016. Los diseños 1GFC, 2GFC, 4GFC y 8GFC utilizan codificación 8b/10b , mientras que el estándar 10GFC y 16GFC utiliza codificación 64b/66b . A diferencia de los estándares 10GFC, 16GFC ofrece compatibilidad con versiones anteriores de 4GFC y 8GFC, ya que proporciona exactamente el doble de rendimiento que 8GFC o cuatro veces el de 4GFC.

Los puertos Fibre Channel vienen en una variedad de configuraciones lógicas. Los tipos de puertos más comunes son:

• N_Port (Puerto de nodo) Un N_Port es típicamente un puerto HBA que se conecta a un F_Port de un conmutador u otro N_Port. Nx_Port se comunica a través de un PN_Port que no está operando una máquina de estados de puerto de bucle. ^{[ 13 ]}
• Puerto F (Puerto de tejido) Un puerto F es un puerto de conmutador que está conectado a un puerto N. ^{[ 14 ]}
• Puerto E (Puerto de expansión) Puerto de conmutador que se conecta a otro puerto E para crear un enlace entre conmutadores. ^{[ 14 ]}

Los protocolos de bucle de Fibre Channel crean varios tipos de puertos de bucle:

• Puerto L (puerto de bucle) Puerto FC que contiene funciones de bucle arbitrado asociadas con la topología de bucle arbitrado. ^{[ 14 ]}
• FL_Port (puerto de bucle de tela) L_Port que puede realizar la función de un F_Port, conectado mediante un enlace a uno o más NL_Ports en una topología de bucle arbitrado. ^{[ 14 ]}
• NL_Port (puerto de bucle de nodo) PN_Port que opera una máquina de estados de puerto de bucle. ^{[ 14 ]}

Si un puerto puede admitir funcionalidad en bucle y sin bucle, el puerto se conoce como:

• Puerto de conmutación Fx_Port capaz de funcionar como un F_Port o FL_Port. ^{[ 13 ]}
• Punto final Nx_Port para la comunicación de tramas Fibre Channel, que posee un identificador de dirección y un Name_Identifier distintos, que proporciona un conjunto independiente de funciones FC-2V a niveles superiores y que tiene la capacidad de actuar como Originador, Respondedor o ambos. ^{[ 13 ]}

Los puertos tienen componentes virtuales y componentes físicos y se describen de la siguiente manera:

• Entidad PN_Port que incluye una Link_Control_Facility y uno o más Nx_Ports. ^{[ 14 ]}
• VF_Port (Puerto F virtual) instancia del subnivel FC-2V que se conecta a uno o más VN_Ports. ^{[ 14 ]}
• VN_Port (Puerto N virtual) es una instancia del subnivel FC-2V. VN_Port se utiliza cuando se desea enfatizar la compatibilidad con múltiples Nx_Ports en un único multiplexor (por ejemplo, a través de un único PN_Port). ^{[ 13 ]}
• Instancia de VE_Port (E_Port virtual) del subnivel FC-2V que se conecta a otro VE_Port o a un B_Port para crear un enlace entre conmutadores. ^{[ 14 ]}

En Fibre Channel también se utilizan los siguientes tipos de puertos:

• A_Port (Puerto adyacente) combinación de un PA_Port y un VA_Port que operan juntos. ^{[ 14 ]}
• B_Port (Puerto puente) Puerto entre elementos de la estructura utilizado para conectar dispositivos puente con E_Ports en un conmutador. ^{[ 13 ]}
• Puerto D (Puerto de diagnóstico) Un puerto configurado que se utiliza para realizar pruebas de diagnóstico en un enlace con otro puerto D. ^{[ 15 ]}
• EX_Port Un tipo de E_Port utilizado para conectarse a una estructura de enrutador FC. ^{[ 15 ]}
• G_Port (Puerto genérico de tejido) Puerto del conmutador que puede funcionar como E_Port, A_Port o F_Port. ^{[ 14 ]}
• GL_Port (Puerto genérico de bucle de tejido) Puerto de conmutador que puede funcionar como E_Port, A_Port o Fx_Port. ^{[ 14 ]}
• PE_Port LCF dentro de la Fabric que se conecta a otro PE_Port o a un B_Port a través de un enlace. ^{[ 13 ]}
• PF_Port LCF dentro de una Fabric que se conecta a un PN_Port a través de un enlace. ^{[ 13 ]}
• TE_Port (Trunking E_Port) Un puerto de expansión de trunking que amplía la funcionalidad de los puertos E para admitir trunking VSAN, parámetros de calidad de servicio (QoS) de transporte y la función de rastreo de Fibre Channel (fctrace). ^{[ 16 ]}
• U_Port (Puerto universal) Un puerto que espera convertirse en otro tipo de puerto ^{[ 15 ]}
• Instancia de VA_Port (Puerto A virtual) del subnivel FC-2V de Fibre Channel que se conecta a otro VA_Port. ^{[ 14 ]}
• Los puertos VEX_Port no son diferentes de los puertos EX_Port, excepto que el transporte subyacente es IP en lugar de FC. ^{[ 15 ]}

La capa física de Fibre Channel se basa en conexiones seriales que utilizan fibra óptica y cobre entre módulos conectables. Estos módulos pueden tener uno, dos o cuatro carriles, correspondientes a los formatos SFP, SFP-DD y QSFP. Fibre Channel no utiliza módulos de 8 o 16 carriles (como CFP8, QSFP-DD o COBO, empleados en 400 GbE) y no hay planes para utilizar estos módulos costosos y complejos.

El módulo SFP ( Small Form-factor Pluggable ) y sus versiones mejoradas SFP+, SFP28 y SFP56 son formatos comunes para puertos Fibre Channel. Los módulos SFP admiten diversas distancias mediante fibra óptica multimodo y monomodo, como se muestra en la tabla a continuación. Los módulos SFP utilizan cableado de fibra dúplex con conectores LC.

Los módulos SFP-DD se utilizan en aplicaciones de alta densidad que requieren duplicar el rendimiento de un puerto SFP. SFP-DD se define mediante el estándar SFP-DD MSA y permite la conexión a dos puertos SFP. Dos filas de contactos eléctricos permiten duplicar el rendimiento de los módulos SFP de forma similar a QSFP-DD.

El módulo Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP) se empezó a utilizar para la interconexión de conmutadores y posteriormente se adoptó para su uso en implementaciones de 4 carriles de Fibre Channel Gen-6 compatibles con 128GFC. El QSFP utiliza conectores LC para 128GFC-CWDM4 o conectores MPO para 128GFC-SW4 o 128GFC-PSM4. El cableado MPO utiliza una infraestructura de cableado de 8 o 12 fibras que se conecta a otro puerto 128GFC o puede dividirse en cuatro conexiones LC dúplex a puertos SFP+ de 32GFC. Los conmutadores Fibre Channel utilizan módulos SFP o QSFP.

Los dispositivos Fibre Channel modernos admiten transceptores SFP+, principalmente con conector de fibra LC (Lucent Connector). Los dispositivos 1GFC más antiguos utilizaban transceptores GBIC , principalmente con conectores de fibra SC (Subscriber Connector).

El objetivo de Fibre Channel es crear una red de área de almacenamiento (SAN) para conectar servidores con el almacenamiento.

La SAN es una red dedicada que permite que varios servidores accedan a los datos de uno o más dispositivos de almacenamiento. El almacenamiento empresarial utiliza la SAN para realizar copias de seguridad en dispositivos de almacenamiento secundarios, como matrices de discos , bibliotecas de cintas y otros sistemas de respaldo, mientras el servidor sigue teniendo acceso al almacenamiento. Los servidores también pueden acceder al almacenamiento de varios dispositivos a través de la red.

Las redes SAN suelen diseñarse con arquitecturas duales para aumentar la tolerancia a fallos. Dos arquitecturas completamente independientes están operativas y, si la arquitectura principal falla, la segunda se convierte en la principal.

Los conmutadores Fibre Channel se pueden dividir en dos clases. Estas clases no forman parte del estándar, y la clasificación de cada conmutador es una decisión de marketing del fabricante:

• Los directores ofrecen un elevado número de puertos en un chasis modular (basado en ranuras) sin un único punto de fallo (alta disponibilidad).
• Los conmutadores suelen ser dispositivos más pequeños, de configuración fija (a veces semimodulares) y con menor redundancia.

Una red compuesta íntegramente por productos de un solo proveedor se considera homogénea . Esto se suele denominar funcionamiento en su "modo nativo" y permite al proveedor añadir funciones propias que podrían no ser compatibles con el estándar Fibre Channel.

Si se utilizan conmutadores de varios proveedores en la misma red, esta es heterogénea . Los conmutadores solo pueden establecer adyacencia si todos se configuran en sus modos de interoperabilidad. Esto se conoce como modo de red abierta , ya que cada conmutador de proveedor puede tener que desactivar sus funciones propietarias para cumplir con el estándar Fibre Channel.

Algunos fabricantes de conmutadores ofrecen diversos modos de interoperabilidad que van más allá de los estados "nativo" y "red abierta". Estos modos de "interoperabilidad nativa" permiten que los conmutadores funcionen en el modo nativo de otro proveedor, manteniendo algunas de las características propietarias de ambos. Sin embargo, operar en modo de interoperabilidad nativa puede deshabilitar algunas funciones propietarias y generar redes con una estabilidad cuestionable.

Los adaptadores HBA de Fibre Channel , así como los adaptadores CNA , están disponibles para todos los principales sistemas abiertos , arquitecturas informáticas y buses, incluidos PCI y SBus . Los adaptadores HBA conectan servidores a la red Fibre Channel y forman parte de una clase de dispositivos conocidos como dispositivos de traducción. Algunos dependen del sistema operativo. Cada adaptador HBA tiene un nombre mundial único (WWN), similar a una dirección MAC de Ethernet , ya que utiliza un identificador único de organización (OUI) asignado por el IEEE . Sin embargo, los WWN son más largos (8 bytes ). Existen dos tipos de WWN en un adaptador HBA: un nombre de nodo mundial (WWNN), que puede ser compartido por algunos o todos los puertos de un dispositivo, y un nombre de puerto mundial (WWPN), que es necesariamente único para cada puerto. Los adaptadores o enrutadores pueden conectar redes Fibre Channel a redes IP o Ethernet. ^{[ 18 ]}

• Clark, T. Diseño de redes de área de almacenamiento , Addison-Wesley, 1999. ISBN 0-201-61584-3

• RFC 2625 – IP y ARP sobre Fibre Channel 
• RFC 2837 – Definiciones de objetos gestionados para el elemento de tejido en el estándar Fibre Channel 
• RFC 3723 – Protección de protocolos de almacenamiento en bloques sobre IP 
• RFC 4044 – MIB de gestión de Fibre Channel 
• RFC 4625 – MIB de información de enrutamiento de Fibre Channel 
• RFC 4626 – MIB para el protocolo de ruta más corta primero (FSPF) de Fibre Channel 

• Asociación de la Industria del Canal de Fibra (FCIA)
• Comité técnico de INCITS responsable de las normas FC (T11)
• Asociación de la Industria de Redes de Almacenamiento (SNIA)
• Guía de supervivencia de IBM SAN
• Introducción a las redes de área de almacenamiento
• Descripción general de Fibre Channel
• Tutorial sobre el canal de fibra óptica (UNH-IOL)
• Canal de fibra virtual en Hyper V