簡(jiǎn)介

現(xiàn)在這個(gè)在強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施之上建設(shè)成功IT機(jī)構(gòu)的時(shí)代，讓企業(yè)可以提高他們的要害任務(wù)型應(yīng)用的自動(dòng)化水平和運(yùn)行速度。企業(yè)對(duì)于技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的依靠性還將不斷加強(qiáng)，從而使得企業(yè)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的性能和可擴(kuò)展性的要求不斷提高。這種要求的提高意味著供給商在設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境（包括存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施）時(shí)，需要越來越多地考慮到如何提高性能、可擴(kuò)展性和效率。對(duì)于性能的更高要求促使供給商設(shè)計(jì)和部署速度更快、更加便于擴(kuò)展的IT環(huán)境——從應(yīng)用到存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

過去，一種公認(rèn)的觀點(diǎn)是，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施中速度最慢的環(huán)節(jié)是存儲(chǔ)的訪問。存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（SAN）在很大程度上消除了應(yīng)用環(huán)境中的這個(gè)瓶頸。但是，人們目前對(duì)于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的需求已經(jīng)超過了今天的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品——即光纖通道交換機(jī)，所能達(dá)到的性能和可擴(kuò)展性水平。可擴(kuò)展性不僅指的是網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長(zhǎng)能力，還包括能否利用現(xiàn)有的光纖通道交換機(jī)產(chǎn)品的端口數(shù)量，有效地建設(shè)大規(guī)模的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。隨著存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增長(zhǎng)，用戶迫切需要一種高性能的、能夠通過擴(kuò)展?jié)M足帶寬和端口數(shù)量要求的、強(qiáng)大的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。這樣的平臺(tái)必須能夠提供投資保護(hù)，即它可以支持未來的需求、傳輸方式和端口密度，并能在短期內(nèi)產(chǎn)生投資回報(bào)。

Cisco MDS 9000系列多層光纖通道交換機(jī)平臺(tái)是一種高度可擴(kuò)展的模塊化交換機(jī)，它采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)，不僅可以超越目前的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的性能和密度要求，還可以確保兼容性，能夠支持未來的性能和可擴(kuò)展性要求。Cisco MDS 9000系列可以為未來提供出色的投資保護(hù)，并且可以滿足用戶目前的需要。

圖1 Cisco MDS 9500系列控制器級(jí)交換機(jī)及9216光纖通道交換機(jī)

Cisco MDS 9000系列光纖通道交換機(jī)是思科全新開發(fā)的一款產(chǎn)品，旨在提供出色的性能和較高的端口密度。但是，同樣重要的是，它能夠優(yōu)化存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源的配置。Cisco MDS 9000系列可以通過一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的架構(gòu)和相關(guān)的功能集，為用戶提供很多智能化的手段，幫助用戶控制帶寬的部署和使用方式。此外，該產(chǎn)品中的很多工具可以就存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中資源的使用情況提供精確的報(bào)告。以下將著重介紹Cisco MDS 9000系列交換機(jī)的性能和可擴(kuò)展性，以及怎樣利用這些功能建立高性能、高密度的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的配置。

有助于提升性能的架構(gòu)

Cisco MDS 9500系列控制器采用了一種高度可擴(kuò)展的架構(gòu)，并具有Cisco IOS SAN操作系統(tǒng)中的一組智能化功能，從而可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。核心硬件架構(gòu)是這種高性能平臺(tái)的基礎(chǔ)。核心硬件架構(gòu)建立在一種業(yè)界獨(dú)一無二、強(qiáng)大的高性能骨干網(wǎng)的基礎(chǔ)之上。硬件本身包含的很多改進(jìn)措施可以進(jìn)一步提高平臺(tái)的性能，滿足和超越用戶目前的需求。

圖2 Cisco MDS 9500系列性能架構(gòu)

Cisco MDS 9216光纖通道交換機(jī)由于只配置了單個(gè)處理器，因此不屬于控制器級(jí)別，但在系統(tǒng)中的所有端口之間提供一個(gè)高達(dá)80Gbps帶寬的交換路徑陣列，所以系統(tǒng)能夠以全速運(yùn)行。

交叉交換矩陣(Crossbar)

用戶對(duì)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的性能和容量的需求一直在迅速增長(zhǎng)。為了滿足這種性能需求，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)平臺(tái)也必須不斷地提升性能和容量。這種增長(zhǎng)方式包括支持新的協(xié)議、新的線速或者新的傳輸方式。但是，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的這種增長(zhǎng)不應(yīng)當(dāng)以反復(fù)更換核心系統(tǒng)組件或者進(jìn)行徹底升級(jí)為代價(jià)。目前部署在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的平臺(tái)必須能夠隨著人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的需求的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

目前有很多供給商都選擇在較小的交換機(jī)特定用途集成電路（ASIC）的群集的基礎(chǔ)上開發(fā)他們的交換機(jī)產(chǎn)品。盡管這種架構(gòu)讓很多供給商都能夠以相對(duì)較快的速度，推出不同端口配置的低密度產(chǎn)品，但是人們對(duì)于更高性能和密度的要求很快就讓這種架構(gòu)毫無用武之地。當(dāng)這種架構(gòu)需要擴(kuò)展規(guī)模時(shí)，它們內(nèi)部的性能會(huì)變得無法猜測(cè)，最終不可避免地會(huì)出現(xiàn)過載。它的另外一個(gè)缺點(diǎn)是不能迅速地支持新的協(xié)議、新的傳輸方式和新的線速，這是交換ASIC的固定特性造成的。

圖3 ASIC群集交換機(jī)與基于交叉矩陣的控制器級(jí)交換機(jī)的比較

利用思科在開發(fā)高度可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方面所積累的經(jīng)驗(yàn)，Cisco MDS 9000系列建立在一種高性能、強(qiáng)大的交叉交換矩陣架構(gòu)的基礎(chǔ)上。在像Cisco MDS 9000系列這樣的系統(tǒng)中使用交叉交換矩陣，就可以通過一個(gè)靈活的機(jī)型提供很高的交換容量，而且這種機(jī)型可以根據(jù)未來的需要進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)。交叉矩陣的特性是無論所要轉(zhuǎn)發(fā)的是什么協(xié)議和什么格式的數(shù)據(jù)幀，它都能夠以很高的速率轉(zhuǎn)發(fā)流量。因此，一個(gè)基于交叉矩陣的系統(tǒng)可以方便地滿足光纖通道目前的高性能要求，并可以在將來方便地加以改進(jìn)，從而可以在不需要更換任何設(shè)備的情況下支持新的協(xié)議、傳輸方式或者線速。

Cisco MDS 9500系列具有1.44Tbps的原始交換性能。在一個(gè)九插槽的系統(tǒng)中，這相當(dāng)于系統(tǒng)中的每個(gè)插槽具有160Gbps的純帶寬。要提供這樣的性能，用戶還必須考慮到高可用性。為了確保可用性不會(huì)因?yàn)樾阅艿奶岣叨档停?.44Tbps的交換容量實(shí)際上是通過兩個(gè)720Gbps的交叉矩陣實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)冗余矩陣以一種活動(dòng)－活動(dòng)負(fù)載分擔(dān)方式工作。Cisco MDS 9500系列采用的架構(gòu)是，假如某個(gè)交叉矩陣發(fā)生故障，另外一個(gè)交叉矩陣將會(huì)無縫地接管全部的負(fù)載，整個(gè)過程中系統(tǒng)的性能不會(huì)受到任何影響。因?yàn)閯傞_始時(shí)每個(gè)交換模塊并不需要超過80Gbps的帶寬，所以系統(tǒng)的冗余容量為160Gbps。

Supervisor處理器模塊

Supervisor處理器模塊是Cisco MDS 9000系列交換機(jī)的控制中心。它的控制引擎包含一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器，它負(fù)責(zé)運(yùn)行系統(tǒng)軟件和所有相關(guān)功能。Supervisor中的處理器還負(fù)責(zé)治理所有相關(guān)的交換陣列服務(wù)、狀態(tài)表、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)中的很多其他功能。為了確保交換陣列的可擴(kuò)展性，Cisco MDS 9000系列交換機(jī)具有由一個(gè)高速的Intel Pentium 3處理器提供的、很高的Supervisor處理能力。這代表了目前市場(chǎng)中一個(gè)控制器級(jí)光纖通道交換機(jī)所能獲得的最高處理能力。這樣強(qiáng)大的處理能力使得Cisco MDS 9000系列能夠支持更多的附加設(shè)備，具有端口密度更高、規(guī)模更大的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過改進(jìn)的智能化交換陣列服務(wù)，范圍廣泛的故障診斷和治理功能。

MDS 9216交換機(jī)和9500控制器級(jí)使用的是同樣的Supervisor處理器，只不過9216交換機(jī)的Supervisor處理器是固定在機(jī)箱中，而9500控制器的Supervisor處理器是以可熱插拔的模塊并且配備了雙Supervisor處理器模塊以支持在線軟件升級(jí)功能。

圖4 Cisco MDS 9500系列Supervisor 處理器模塊

為了確保可靠性，Cisco MDS 9500系列控制器配備了兩個(gè)全狀態(tài)同步的Supervisor處理器模塊，可以實(shí)現(xiàn)迅速、不間斷的軟件升級(jí)和故障恢復(fù)。

為了進(jìn)一步提高Cisco MDS 9500平臺(tái)的可擴(kuò)展性，一個(gè)配置齊全的系統(tǒng)（包含兩個(gè)交叉矩陣模塊和兩個(gè)Supervisor處理器模塊）只需要占用兩個(gè)插槽。這是通過使用一個(gè)能夠安放一個(gè)Supervisor模塊和一個(gè)集成化交叉矩陣的模塊而實(shí)現(xiàn)的。通過將被占用的插槽總數(shù)限制到兩個(gè)，可以為系統(tǒng)添加兩個(gè)接口交換模塊，從而可以增加最多64個(gè)1/2Gbps的光纖通道端口。

虛擬輸出隊(duì)列（VoQ）

在光纖通道交換機(jī)中，通常每個(gè)端口都設(shè)有一個(gè)輸入隊(duì)列，用于存放從一個(gè)端口發(fā)往交換機(jī)中另外一個(gè)端口的數(shù)據(jù)幀。所有數(shù)據(jù)幀（無論要發(fā)往哪個(gè)目的地端口）都按照它們被接收的順序排列。假如某個(gè)目的地端口發(fā)生阻塞，這種方式可能會(huì)導(dǎo)致末端阻塞。假如發(fā)生這種情況，輸入隊(duì)列中的所有其他幀都將被堵住，直到隊(duì)列前端的某個(gè)幀被發(fā)送到發(fā)生阻塞的輸出端口。在這種情況下，輸入隊(duì)列會(huì)被防止清空，而很多I/O交換都可能會(huì)出現(xiàn)不必要的延時(shí)。數(shù)據(jù)幀將會(huì)在隊(duì)列中溢出，最終源設(shè)備將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

在圖5所示的例子中，某個(gè)連接到交換機(jī)上 “端口1”的設(shè)備正在與另外三個(gè)分別連接到“端口4、5和6”上的設(shè)備通信。假如某個(gè)輸出端口發(fā)生擁塞，一個(gè)沒有VoQ的交換機(jī)可能會(huì)發(fā)生末端阻塞，并且導(dǎo)致延時(shí)。尤其需要指出的是，假如不使用VoQ，那么一旦“端口4”上的設(shè)備因?yàn)闊o法處理流量負(fù)載而出現(xiàn)擁塞，那么所有發(fā)往端口4的數(shù)據(jù)幀都將被堵塞在“端口1”隊(duì)列中。而且，這種情況還會(huì)是使得從“端口1”發(fā)出的所有其他幀都無法到達(dá)它們各自的目的地端口，例如“端口5”和“端口6”。因此，一個(gè)目的地端口上發(fā)生的擁塞可能會(huì)影響始發(fā)端口的所有其他流量。在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等要害的環(huán)境中以這種低效率、不可猜測(cè)的方式轉(zhuǎn)發(fā)流量無疑是讓人無法接受的。

利用VoQ可以解決這種問題。如圖5所示，交換機(jī)中的每個(gè)目的地端口都在輸入端口擁有它自己?jiǎn)为?dú)的虛擬輸出隊(duì)列。因此，假如“端口4”發(fā)生擁塞，它將不會(huì)對(duì)發(fā)往其他端口（例如“端口5”和“端口6”）的流量產(chǎn)生任何影響。這可以大大提高整個(gè)矩陣的效率。此外，VoQ有助于在整個(gè)交換機(jī)中確保統(tǒng)一的性能，同時(shí)最大限度地降端口或者設(shè)備擁塞所產(chǎn)生的影響。

Cisco MDS 9000系列交換機(jī)中的每個(gè)交換模塊都采用了VoQ。交換模塊上的每個(gè)端口都為交換機(jī)的每個(gè)目的地端口設(shè)置了一個(gè)虛擬輸出隊(duì)列。此外，每個(gè)目的地虛擬輸出隊(duì)列實(shí)際上包含4個(gè)不同的隊(duì)列，從而可以在系統(tǒng)的每個(gè)輸出端口上，為各個(gè)等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量分別（QoS）設(shè)置一個(gè)隊(duì)列（每個(gè)端口4個(gè)等級(jí)）。這樣做的結(jié)果是每個(gè)物理輸入端口最多可以有1024個(gè)虛擬輸出隊(duì)列（256個(gè)可能的目的地端口×4個(gè)QoS等級(jí)）。VoQ可以在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)提供必要的保障，并可以提供一種有效的隔離手段，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)于應(yīng)用的整體影響。

圖5 虛擬輸出隊(duì)列模式可以解決線端阻塞問題

超級(jí)幀

Cisco MDS 9000系列中的交叉矩陣可以在系統(tǒng)的各個(gè)交換模塊之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。但是，為了獲得對(duì)交叉矩陣的訪問權(quán)限，需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的交換模塊必須申請(qǐng)對(duì)交叉矩陣的訪問權(quán)限。仲裁流程就是對(duì)訪問交換矩陣的訪問權(quán)限進(jìn)行集中的控制。因此，每個(gè)需要從系統(tǒng)的一個(gè)端口發(fā)送到另一端口的數(shù)據(jù)幀都必須申請(qǐng)對(duì)交叉矩陣的訪問權(quán)限。申請(qǐng)方和交換模塊之間使用一個(gè)基于信用點(diǎn)的系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)授予通過交叉矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)幀的權(quán)限。但是，在交換小型數(shù)據(jù)幀的情況下，這種方式的效率很低，因?yàn)樵谥俨闷陂g提供的每個(gè)信用點(diǎn)只能提供通過交叉矩陣發(fā)送少量字節(jié)的權(quán)限。為了優(yōu)化交叉矩陣的資源利用率，思科在Cisco MDS 9000系列交換機(jī)中加入了一種名為“超級(jí)幀”的功能。超級(jí)幀技術(shù)是指將多個(gè)較小的數(shù)據(jù)幀整合成一個(gè)較大的超級(jí)幀，再在一個(gè)仲裁周期中通過交叉矩陣發(fā)送。超級(jí)幀可以提高交叉矩陣的工作效率，因?yàn)樗恍枰褂眯庞命c(diǎn)，無需等待負(fù)責(zé)接收的交換模塊認(rèn)可并使用每個(gè)數(shù)據(jù)幀的信用點(diǎn)。

在創(chuàng)建超級(jí)幀時(shí)，需要遵循兩個(gè)主要的原則：

• 數(shù)據(jù)幀必須來自于同一個(gè)源光纖通道ID（FC_ID）。
  
• 數(shù)據(jù)幀必須發(fā)往同一個(gè)目的地光纖通道ID（FC_ID）。

當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)幀離開虛擬輸出隊(duì)列（VoQ）時(shí)，系統(tǒng)將檢查隊(duì)列中是否有其他符合超級(jí)幀條件的數(shù)據(jù)幀。假如存在符合超級(jí)幀條件的數(shù)據(jù)幀，就會(huì)再創(chuàng)建一個(gè)超級(jí)幀，并在獲得一個(gè)信用點(diǎn)之后立即發(fā)送。這樣，只需要為整個(gè)超級(jí)幀申請(qǐng)一次仲裁，而不需要為每個(gè)數(shù)據(jù)幀申請(qǐng)仲裁。對(duì)于穿越交叉矩陣的小型數(shù)據(jù)幀，這可以最大限度地提高仲裁效率。利用超級(jí)幀技術(shù)，Cisco MDS 9000系列的交換容量可以達(dá)到超過每秒10億個(gè)光纖通道數(shù)據(jù)幀。

高密度系統(tǒng)

Cisco MDS 9000系列的設(shè)計(jì)目的不僅是提供很高的性能，而且還是一種能夠優(yōu)化機(jī)架單元使用率的機(jī)型，提供很高的端口密度。這可以滿足用戶對(duì)于建設(shè)規(guī)模大于市場(chǎng)現(xiàn)有系統(tǒng)的大型存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求；Cisco MDS 9000系列支持一系列交換模塊，從而可以為用戶提供多種性能和端口密度選擇方案。無論端口密度如何，每個(gè)交換模塊都支持多種性能優(yōu)化功能，包括虛擬輸出隊(duì)列和超級(jí)幀。

此外，Cisco MDS 9000系列交換模塊還支持分布式轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)(Distributed Forwarding)。分布式轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)讓系統(tǒng)可以在交換模塊級(jí)別來制定幀轉(zhuǎn)發(fā)策略，而不需要通過一個(gè)集中式的處理引擎制定這些策略。每個(gè)交換模塊都擁有它自己的轉(zhuǎn)發(fā)處理引擎，從而讓它可以在本地制定關(guān)于將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到哪里的策略。一旦策略制定完畢，數(shù)據(jù)幀就會(huì)被立即納入隊(duì)列，并通過交叉矩陣發(fā)送到目的地交換模塊和端口。為了向交換模塊提供用于制定轉(zhuǎn)發(fā)策略的信息，系統(tǒng)Supervisor處理器將參與和治理所有控制協(xié)議，例如交換陣列注冊(cè)和交換陣列最短路徑優(yōu)先（PSPF）升級(jí)。當(dāng)這些協(xié)議發(fā)生變化時(shí)，升級(jí)信息將會(huì)從Supervisor處理器發(fā)送到在本地存儲(chǔ)這些協(xié)議的交換模塊。這些信息讓交換模塊可以非常迅速地制定它們自己的轉(zhuǎn)發(fā)策略，而不需要求助于系統(tǒng)Supervisor處理器，也不需要通過交叉矩陣連接到某個(gè)集中轉(zhuǎn)發(fā)處理引擎。

分布式轉(zhuǎn)發(fā)的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是用戶可以方便地把其他的協(xié)議和傳輸方式集成到Cisco MDS 9000系列交換機(jī)中。例如，要在Cisco MDS 9000系統(tǒng)中加入一個(gè)新協(xié)議，用戶需要設(shè)置一個(gè)具有本地轉(zhuǎn)發(fā)智能的新交換模塊，由它將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到系統(tǒng)中其他現(xiàn)有的、支持同一種協(xié)議的交換模塊和端口。控制協(xié)議仍然在Supervisor處理器中運(yùn)行，轉(zhuǎn)發(fā)信息的一個(gè)散列的、同步的復(fù)本將會(huì)被發(fā)送到新的交換模塊。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于在加入新的協(xié)議之后，仍然可以使用與原來相同的交換矩陣、機(jī)箱、電源和Supervisor處理器。此外，不同協(xié)議的交換模塊可以共存于同一個(gè)系統(tǒng)，而不需要改動(dòng)現(xiàn)有的接口交換模塊。只有基于交叉矩陣的系統(tǒng)才能做到這一點(diǎn)。