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11.07.2012

10 Jahre iSCSI - Vernetzung im Rechenzentrum heute

Laut einer Studie von IDC ist der Umsatz mit iSCSI von 18 Millionen US-Dollar im Jahr 2003 auf drei Milliarden US-Dollar im Jahr 2011 gewachsen. Das iSCSI Protokoll hat sich damit im vergangenen Jahr einen Anteil von etwa 15 Prozent am gesamten Netzwerkspeichermarkt und einen Anteil von rund 20 Prozent bei den Blockspeichern sichern können.

Der immense Druck zum Kostensparen hat im Rechenzentrum unter anderem dazu geführt, die etablierten, komplexen Netzwerkinfrastrukturen zu vereinfachen. In erster Linie geht es vielerorts darum, ehemals getrennte Speicher- und Datennetze auf Basis einer gemeinsamen Technologie zusammenzuführen. Der Weg dorthin führt über Virtualisierung und I/O-Konsolidierung. Mit FCoE und iSCSI konkurieren zwei sehr unterschiedliche Verfahren um die Ablöse der vorherrschenden Fibre-Channel-Technologie in Rechenzentrumsnetzen.

Noch dominiert in Speichernetzen ganz klar Fibre-Channel (FC): Laut Marktforschungsinstitut Dell´Oro wurden 2009 weltweit nicht weniger als 2,72 Millionen Server-Ports mit dieser Technologie abgesetzt. Server-Ports, die FC über Ethernet transportieren (FC over Ethernet, FCoE), fanden demnach dagegen lediglich 25.000 Käufer. FCoE steht als vergleichsweise junge Konvergenz-Technologie noch am Anfang seiner Entwicklung. Der Hauptstandard wurde erst im Juni 2009 durch das FC-BB-5-Projekt innerhalb der Arbeitsgruppe T11 des INCITS/ANSI-Gremiums verabschiedet – einige Nebenstandards sind nach wie vor in Arbeit. iSCSI dagegen ist bereits seit vielen Jahren etabliert. Allerdings hat die auf Basis von Internet-Protokollen aufgesetzte "Small Computer Systems Interface"-Technologie, wie der Name schon andeutet, ihre Wurzeln in kleineren Computersystemen und wurde lange Zeit als verlängerter Arm der hier üblichen DAS-Strukturen (Direct-Attached-Storage) eingesetzt. In Form von NAS (Network Attached Storage) verblieben iSCSI-Speichersysteme im Datennetz – separate Speichernetze (SANs – Storage Area Networks) waren und sind das Dorado von FC. Als Konvergenz-Technologie für Rechenzentren wurde iSCSI von der FC-Fraktion lediglich belächelt – als zu schwach galt ihre Leistungsfähigkeit. Mit 10 Gigiabit Ethernet (10 GbE) als Basis ist dieses Argument inzwischen jedoch entkräftet und iSCSI wird nicht mehr lediglich in seinem Stammmarkt der kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMUs), sondern auch in großen Unternehmen wahrgenommen.

Eine Technologie gehört in jedem Fall zu den Gewinnern, egal ob FCoE oder iSCSI: In allen Fällen kristallisiert sich Ethernet als Konvergenzbasis heraus. Aktuell in Form von 10 GbE, dessen Bedeutung auch unter diesem Gesichtspunkt nicht zu unterschätzen ist – immer öfter auch in Form von 40 und zukünftig auch 100 GbE. Sowohl FCoE als auch iSCSI nutzen 10 GbE (FCoE zwingend, iSCSI läuft auch schon mit GbE) und profitieren in hohem Maße von dessen Performance-Gewinnen. FCoE braucht allerdings mehr als reines 10 GbE: Die FC-Protokolle erwarten – auch wenn sie über Ethernet transportiert werden – verlustfreie Verbindungen und ein differenziertes Verkehrsmanagement unter anderem mit der Fähigkeit, bestimmte Datenströme zu priorisieren. Ersteres widerspricht der Natur des Ethernet – Ethernet-Switches pflegen Datenpakete zu verwerfen, sobald Überlastung droht, letzteres ist nur unzureichend möglich – zumindest gemessen an den Anforderungen von FCoE. Um Ethernet für FCoE fit zu machen sind also weitreichende Modifikationen notwendig – und hier beginnen die Komplikationen.

Um FCoE für den Transport in Ethernet-Frames fit zu machen, muss Ethernet mit den Technologien des Data Center Bridging (DCB) ausgestattet sein. DCB, manchmal auch noch als Converged Enhanced Ethernet (CEE) oder im Falle von Cisco als Data Center Ethernet (DCE) bezeichnet, umfasst insgesamt vier verschiedene Sub-Standards:

- 802.1Qbb (Priority-based-Flow-Control, kurz PFC),
- 802.1Qaz (Enhanced-Transmission-Selection, kurz ETS),
- 802.1Qaz (DCB-Exchange-Protocol, kurz DCBX) und
- 802.1Qau (Congestion-Notification, kurz CN).

Die Standards müssten nicht allesamt implementiert werden (DCBX und PFC sind Pflicht) – beispielsweise braucht ein Switch, dessen Technik die Entstehung von Verkehrsstaus von vorne herein vermeidet auch keinen Mechanismus, der Staus überwacht und meldet (CN). Das Gross der am Markt befindlichen 10 GbE-Switches verfügt allerdings nicht über eine entsprechende Ausstattung – hier ist nur bei vollständiger Implementation aller vier hinter den Standards stehenden Technologien gewähreistet, dass Ethernet FCoE performant und stabil abbildet. In der Tat sehen führende Beratungsunternehmen wie etwa Comconsult in DCB mehr als "nur" eine Konvergenzbasis für FCoE und empfehlen, generell bei der Neuanschaffung von Switches auf die Unterstützung von DCB zu achten.

In der Praxis ist das allerdings nicht ganz so einfach, denn – wie die Vielfalt bei der Namensgebung bereits erahnen lässt, kochen bei DCE verschiedene Hersteller ihr eigenes Süppchen. Die DCE-Standards sind noch sehr jung, einige befinden sogar sich noch in einem (wenn auch fortgeschrittenen) Draft-Stadium. Unter dem Strich bleibt im Moment die Tatsache, dass die Standards noch nicht vollständig ratifiziert sind. Daraus ergeben sich Implementierungsfreiräume, die insbesonders die ganz Großen der Netzwerkbranche für eigene Spezialitäten nutzen, um so erneut Anwender an das eigene Unternehmen zu binden. Ein weiteres Problem ergibt sich durch Technologien, die zwar standardisiert sind, aber nicht direkt zum Kern von DCB gehören und deswegen von manchen Herstellern ignoriert werden. Ein Beispiel dafür ist der IETF-Standard "Transparent Interconnection of Lots of Links" (TRILL), der einen effizienteren Weg liefert, Daten über konvergierte Fabrics zu bewegen. Den für das eigene Unternehmen geeigneten DCB-fähigen Switch zu finden erfordert also gründliche Recherche. Außerdem zu beachten: Die installierte Basis an nicht-DCB-fähigen Switches lässt sich in den allermeisten Fällen nicht mit DCB-Unterstützung nachrüsten.


Aufbau einer FCoE-Netzwerk-Architektur

Damit FCoE über 10 GbE implementiert werden kann, sind bestimmte Hardware-Voraussetzungen zu erfüllen. Genau genommen ist eine Kombination von Produkten erforderlich, die zusammen die FCoE-Architektur formen. Dazu gehören neben FCoE-fähigen Switches vor allem Converged Network Adapter für die Hosts und FCoE-Gateways beziehungsweise FCoE Forwarder (FCF), wenn beispielsweise auch klassische FC-Speichersysteme in das Netz integriert werden sollen.

Der Hauptgrund für die Implementierung von FCoE ist, den Betreibern von Rechenzentren eine konvergierte Transportebene zur Verfügung zu stellen, eben Ethernet, während gleichzeitig die Fiber Channel-Protokolle für den High-end-Speicherverkehr erhalten bleiben. Volle Konvergenz beginnt mit der Schaffung eines konvergenten Netzwerkadapters (Converged Network Adapter, kurz CNA). FCoE setzt FC- Kommandos und -Daten direkt in Ethernet-Pakete um. Das bedeutet also, dass FC zusammen mit IP-Datenverkehr über ein gemeinsames Ethernet Port läuft. FC-0 (physikalische Ebene) und FC-1 (Kodierung/Dekodierung) werden dabei durch physikalische Schnittstellen (PHYs) und Media Access Controller (MACs) des Standard-Ethernets ersetzt – ergänzt um die FC-Umsetzungsfunktion. Die höheren Ebenen des FC-Protokoll-Stapels wie FC-2 (Framing), FC-3 (Dienste) und FC-4 (Protokollzuordnung) bleiben unberührt. CNAs ersetzen oder erweitern die bisher in einer getrennten Infrastruktur betriebenen FC Host Bus Adapter (HBAs) – sowohl in den Servern als auch in den Speichersystemen eines Rechenzentrums. Immerhin ist das ja eines der Hauptargumente für eine konvergierte Infrastruktur – lassen sich so doch immense Kosteneinsparungen bei der Verkabelung und – ebenfalls nicht zu vergessen – beim Energieverbrauch realisieren.

Die CNAs verbinden sich mit passenden, DCB-fähigen Switches, deren Hauptaufgabe wie erwähnt darin besteht, FC-Verkehr in verlustfreier Art und Weise zu transportieren. Neben der Unterstützung der DCB-Standards gehören hier blockierungsfreie 10 GbE an möglichst allen Switch-Ports sowie tiefe Port-Puffer zu den wichtigsten Eigenschaften, die einen Switch für den FCoE-Transport prädestinieren. Letztere stellen sicher, dass FCoE-Pakete auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger auch bei hohen Verkehrslasten nicht verlorengehen.

Anders als ein FCoE-fähiger Ethernet-Switch implementiert ein FCF sowohl Ethernet-, als auch FC-Ports, um so auch ein reines FC-SAN anbinden zu können. Seine Hauptaufgabe besteht in der Ein- und Entkapselung von FC-Frames während der Kommunikation mit einem FCoE-Netzwerk. Zusätzlich können FC-2 bis FC-4-Funktionen des FC-Protokoll-Stapels in einem FCF implementiert sein. Derzeit entwickeln zahlreiche FC-Switch-Hersteller FCF-fähige Produkte. Sie sind für den Einsatz auf der Aggregationsebene eines FCoE-Netzwerks bestimmt – nicht für die Access-Ebene.


Fazit

Auf lange Sicht hat FCoE im Rechenzentrum sicher ein hohes Potenzial. Aktuell ist die Technologie jedoch nicht sehr attraktiv, denn im gegenwärtigen Stadium hat sie von FC noch das komplizierte Management geerbt und von Ethernet noch die im Vergleich zu FC schwächere Übertragungssicherheit. Zudem fehlen Security-Bridges zwischen beiden Technologien. Die Beseitigung dieser Mankos wird sicherlich noch drei bis vier Jahre in Anspruch nehmen.

Dieses Jahr hat das iSCSI Storage-Area Network seinen zehnten Geburtstag. Die anfänglichen Zweifel, ob das Speicherprotokoll eine echte Alternative zu Fibre Channel sein kann, sind verflogen. Heute hat sich die Technik in vielen mittelständischen Installationen etabliert und mit dem Siegeszug von 10-Gigabit-Ethernet (10 GbE) und Verbesserungen bei Ethernet Storage dürfte iSCSI auch zunehmend für die großen Unternehmen eine Alternative sein.

Der Charme von iSCSI liegt in seiner Einfachheit, gepaart mit praxiserprobter Funktionalität. Mit 10 GbE als Basis sticht iSCSI FCoE nun auch unter Performance-Aspekten aus. Storage Arrays müssen in der Lage sein, mit neuen Multi-Core-Prozessoren und Protokoll-Stacks mitzuhalten, die heute gerne schon mal iSCSI-Ein-Ausgaben im Millionen-Bereich je Sekunde erzeugen. Der Markt bietet Swiches, die solche Lasten blockierungsfrei bewältigen.

Während FCoE langsam reift, wird für einen Großteil der Unternehmen iSCSI sicher der interessantere Weg sein, Speicher- und Datennetze zu konsolidieren. Unternehmen mit High-end-Storage-Anwendungen auf FC-Basis werden sicher die Entwicklung von FCoE genau verfolgen – die Implementierung wird jedoch, wie die Markttrends zeigen, bis auf weiteres eher vorsichtig erfolgen.



Autor: Dieter Seipt - Geschäftsführer
SEiCOM Communication Systems GmbH

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