存儲網(wǎng)絡的光域互聯(lián)

隨著電信行業(yè)大環(huán)境的整體滑坡和網(wǎng)絡泡沫的破滅，預計在未來幾年內，進一步挖掘已建網(wǎng)絡的潛力是運營商在網(wǎng)絡建設中的主要思路。而通過新技術對現(xiàn)有的網(wǎng)絡進行優(yōu)化，實現(xiàn)增值業(yè)務的適量開發(fā)，以少量的投入獲得最佳效益，將是拓展網(wǎng)絡生命力的有效手段。

存儲網(wǎng)絡承載著大量的增值業(yè)務和后臺信息，是電信運營商的主要支撐網(wǎng)絡。因此，提高存儲網(wǎng)絡的存儲效率和可靠性，是優(yōu)化電信支撐網(wǎng)絡的關鍵。光網(wǎng)絡依靠其固有的容量大、速率高、傳輸距離長和QoS好等優(yōu)勢，比傳統(tǒng)的SCSI方式具有更廣闊的發(fā)展空間。因此，利用光網(wǎng)絡實現(xiàn)存儲網(wǎng)絡的互聯(lián)，不僅有利于存儲網(wǎng)絡的發(fā)展，也將是未來光網(wǎng)絡的一個熱點。

1、VSR下的激光器

VSR（Very Short Reach，甚短距離傳輸）被ITU-T G.693定義為小于300 m的設備之間互聯(lián)，已被視為降低中心局接口價格的主要手段。對于本地間的SAN備份，完全可以選擇經(jīng)濟合理的光源，VSR是一個理想的解決方案。

VSR繼續(xù)沿用各種SDH標準光接口，通過并行光技術來取代昂貴的串行互聯(lián)。以10 Gbit/s為例，16路STM-4信號被12只850 nm VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）組成的激光器陣列映射到12條1.244 Gbit/s的光纖鏈路中，經(jīng)過重新組合后再以10 Gbit/s的速率發(fā)送出去。VCSEL陣列制作在一塊芯片上，它的封裝成本與封裝一只單波長激光器的成本相同，因此業(yè)務提供者可節(jié)省大量的投資成本。由于信號在多條線路上發(fā)送，而每條線路的速率很低，可降低發(fā)射功率，直接調制，所以這種技術只需要低成本的光設備。VCSEL的基本結構如圖1所示。

圖1　VCSEL的基本結構

目前常用的SDH設備和存儲設備都使用半導體激光二極管（LD）作為光發(fā)送機的光源。半導體激光二極管是通過F-P（Fabry-Perot）諧振腔提供光反饋，使光在諧振腔內來回反射，不斷得到放大振蕩，最后利用異質結的電子輻射躍遷，在側面實現(xiàn)光的受激輻射。VCSEL光源的諧振腔位于晶粒層之間，光束是從晶粒的垂直面而非傳統(tǒng)的側面發(fā)射的。

目前廣泛使用的VCSEL的波長大多為850 nm。相對于VSR而言，由于無需考慮1 310 nm和1 550 nm兩個窗口的長距離傳輸，加上光功率受限，因此使用VCSEL解決VSR是一個非常理想的方案。國內在VCSEL上已實現(xiàn)1.25 Gbit/s和2.5 Gbit/s兩種速率，下一步將是向10 Gbit/s和Array VCSEL邁進。

通過在SAN設備中或光纖通道交換機上內置VSR激光器，就可以更經(jīng)濟更方便地解決本地SAN備份問題。在長距離SAN備份時，則可以利用VSR做激光器的內部轉接。

2、光纖操作系統(tǒng)

傳統(tǒng)的存儲網(wǎng)絡通過并行SCSI實現(xiàn)DAS（直接存儲），但這種68 PIN的“菊花鏈”式連接的設備數(shù)目有限，而且是在68 PIN上同時進行信號的接收和發(fā)射，線纜之間的干擾非常嚴重，導致在提高速率時（并行SCSI的速率可以是40 Mbit/s、80 Mbit/s和160 Mbit/s），物理連接距離從理論上的25 m降低到了實際上的12 m。

作為業(yè)界的四大存儲巨頭之一，IBM在解決并行SCSI傳輸?shù)膯栴}上提出了獨有的ESCON和FICON兩種方法。ESCON是一種主機信道，在光纖上支持200 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，可以達到3～10 km的傳輸距離。FICON是另一種主機信道，在光纖上支持1 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離為10～20 km。在某些部分，F(xiàn)ICON借鑒了FC（Fiber Channel）的概念對ESCON進行了適量修改，但在故障恢復等一些關鍵機制上還是和FC有很大的區(qū)別。最為關鍵的是，ESCON和FICON是IBM私有的協(xié)議接口，任何廠商使用該接口互聯(lián)都必須經(jīng)過IBM的嚴格測試，這在一定程度上限制了ESCON和FICON的普及，也就成了FC誕生的催化劑。

使用FC構建SAN是業(yè)界普遍認可的方案。它的具體思路是，盡量擺脫電纜的連接，將各種存儲服務器用光纖連接，提供企業(yè)級擴展能力、可管理能力、可靠性和可用能力的存儲網(wǎng)絡。通常而言，它比仲裁環(huán)、PTP的FC連接有更好的性能，即各服務器直接用FC接口連接到Fabric交換機上，由Fabric交換機負責對外的連接。

FC的分層協(xié)議結構如圖2所示。

圖2　FC的分層協(xié)議結構

作為一種串行全雙工技術，在ANSI標準X3.230-1994中FC的傳輸速率可達1.06 Gbit/s，傳輸距離為10～20 km。在糾錯能力和流程控制上，F(xiàn)C是原有銅線網(wǎng)絡的1000倍。FC支持設備上的熱插拔，增減設備對網(wǎng)絡無影響。FC還是一種基于協(xié)議的技術，在物理層上光纖和銅纜兩種連接可選，這也正是我們使用“FC”而不是“Fiber Channel”的原因。

隨著存儲技術的不斷進步，業(yè)界提出了iSCSI和InfiniBand的概念。iSCSI是SCSI和IP相結合的產(chǎn)物，通過對SCSI數(shù)據(jù)塊進行TCP/IP打包，由IP網(wǎng)絡來承載SCSI，具有很強的通用性。iSCSI的幀結構與FC類似，由起始標識、幀頭、地址段、應用數(shù)據(jù)和幀尾組成。iSCSI給存儲網(wǎng)絡帶來了另一個發(fā)展方向——IP存儲技術，進一步擴展了存儲網(wǎng)絡的傳輸距離。更重要的是，利用iSCSI構建IP SAN，與FC SAN互聯(lián)，可更方便地實現(xiàn)NAS和FC SAN的連接。而InfiniBand是一個協(xié)議組，目標是協(xié)調來自不同廠商的多種不同標準，其設計思路是通過一種交換連接來消除PCI總線的性能瓶頸。從最近的動態(tài)看，InfiniBand進展緩慢，是否能夠進入商用很成問題。

3、GFP/LCAS/VCAT

SAN是一類需要帶寬利用率高、對線路編碼數(shù)據(jù)透明傳輸時延敏感的業(yè)務。作為一種創(chuàng)新的適配機制，GFP為SAN在SDH光網(wǎng)絡的互聯(lián)及數(shù)據(jù)傳輸提供了一種有效的解決方案。

數(shù)據(jù)包在SDH網(wǎng)絡上傳送主要有3類映射方式：PPP/ML-PPP（HDLC類）、LAPS和GFP。前兩類方式由于涉及對客戶信號切割/映射等效率低的操作等諸多弊病，在實際應用中并不理想。GFP在傳送用戶信號方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢：采用專有字節(jié)進行全新的幀定界，引進多服務等級的概念等。

GFP因客戶信號的差異分為幀映射（GFP-F）和透明映射（GFP-T），其基本用戶幀由核心頭部（4字節(jié)）和凈負荷（4～65 535字節(jié)）兩部分組成。幀頭用來支持上層協(xié)議對數(shù)據(jù)鏈路的一些管理功能（依特定高層客戶信號而定），由類型域及其HEC檢驗字節(jié)和可選的GFP擴展幀頭組成，提供了用于鏈路管理、業(yè)務種類區(qū)分等的必要開銷（如凈負荷類型標識、凈負荷標識、擴展幀頭標識和用戶凈負荷類型標識）。8個比特組成的用戶凈負荷類型標識所包含的封裝SAN類客戶信號的類型代碼見表1（對于Infiniband等客戶信號的透明映射GFP形式，目前仍在研究中）。

表1　用戶凈負荷類型標識對應的客戶信號類型

GFP-T的特點是幀長固定，適用于處理DVB等實時業(yè)務和以塊碼（Block-code）為主導、基于8B/10 B編碼的連續(xù)固定比特流信號，如SAN中應用的FC/FICON、ESCON/SBCON等。具體操作是：對這類塊狀編碼的業(yè)務信號字節(jié)首先進行解碼處理，將8B/10B數(shù)據(jù)信息還原為8比特數(shù)據(jù)值和原先的控制字符，然后再將這些字符按一定的規(guī)則映射為64B/65B塊碼；每8個65B塊碼構成一個（536，520）超級塊（Super Block），多個超級塊映射到定長的GFP幀時立即發(fā)送，無需等待整個業(yè)務信號幀接收完畢。GFP-T不僅提供了比8B/10B編碼方式高6.25%～16.25%的帶寬利用率，而且與GFP-F需對整個客戶信號進行緩沖相比，極短的映射/解映射時間對于傳輸時延敏感的SAN協(xié)議至關重要。

虛級聯(lián)（VCAT）技術在傳送網(wǎng)中提供了一種更加靈活的通道容量組織方式。當需要承載的業(yè)務帶寬不能和SDH定義的一套標準虛容器（VC）有效匹配時，可以使用VC級聯(lián)，它的優(yōu)勢是僅要求通道兩端的設備支持虛級聯(lián)并且可大量節(jié)省傳輸帶寬。

LCAS（由ITU-T G.7042標準化）是在虛級聯(lián)技術基礎上發(fā)展的一種雙方握手的傳送層信令協(xié)議。虛級聯(lián)只是規(guī)定了可以把不同的VC級聯(lián)起來，但是實際傳送中數(shù)據(jù)業(yè)務流的帶寬是動態(tài)的。該機制可根據(jù)業(yè)務流量模式對所分配的虛容器帶寬進行動態(tài)調整（尤其在支持GFP時），使數(shù)據(jù)業(yè)務在SDH平臺上能夠高效地傳送，提高了虛級聯(lián)的健壯性。

4、MSTP/CWDM/DWDM

實現(xiàn)存儲網(wǎng)絡的異地備份有Mirror（鏡像）、Cluster（集群）、Replication（文件復制）和SSI（單系統(tǒng)鏡像）等多種方式，但無論采用何種策略，在WAN側建立一個合適的跨域連接是組網(wǎng)的基礎。

一般而言，當異地備份的距離在10 km以內時（如同城的兩個IDC機房），一些FC交換機（如Brocade的Silk Worm）可以直接通過自身的光口互聯(lián)，企業(yè)只需向ISP租借光纖即可，這也是目前國內比較常見的異地備份方式。如果是距離超過了50 km，甚至上百千米的國內分支機構的互聯(lián)，就不僅要利用ISP的光纖資源，而且要考慮ISP的設備資源。

在傳統(tǒng)含義上，利用DWDM是最有效的WAN連接方式。通過T-MUX實現(xiàn)多波長的FC匯聚，再由OTU實現(xiàn)G.692波長的轉換。在傳輸過程中，ESCON/FICON/FC信號被G.709定義的Digital Wrapper進行完全透明的數(shù)字封包。到達業(yè)務終點，數(shù)據(jù)幀再由交換機的E_PORT端口送回SAN網(wǎng)絡。值得注意的是，考慮到距離因素和光報文，兩臺交換機使用DWDM互聯(lián)時，需要配置更多的可利用的幀緩存。

與DWDM相比，CWDM是一種更經(jīng)濟有效的傳輸方案。但需要指出的是，雖然使用CWDM不存在任何技術上的問題，但任何運營商組網(wǎng)時更多的是考慮網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展性，不可能僅為SAN而組建一個光網(wǎng)絡。因此，為了便于業(yè)務的擴展，DWDM方案的采用往往領先于CWDM。由于目前已有個別廠商承諾，能夠對部分CWDM波長實現(xiàn)更細致的DWDM劃分，這種能向DWDM過渡的CWDM產(chǎn)品將會是存儲系統(tǒng)的首選。

誠然，GFP的出現(xiàn)給SAN的發(fā)展帶來一個新的機遇。部分廠商通過提供ESCON/FICON/FC接口，使得存儲交換機可以直接連接MSTP，實現(xiàn)業(yè)務的透傳。但是否使用SDH完成SAN的互聯(lián)在業(yè)界一直存在很大爭議。一些廠商認為，只有WDM能完全透明地傳送，而SCSI、FC和SDH幀進行互相映射時，勢必要添加一個轉換器，而且MSTP網(wǎng)絡的互通遠沒有開放型WDM那么方便，導致不同公司的存儲私有協(xié)議難以互通。此外，各種專有協(xié)議接口的集成、測試和認證，將耗費大量的人力、物力和財力。一個典型的使用存儲網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距異地備份的方案如圖3所示。

圖3　使用存儲網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距異地備份的方案

5、結束語

目前，國外的各大企業(yè)、銀行的存儲網(wǎng)絡通過光域實現(xiàn)互聯(lián)已成為非常普遍的現(xiàn)象，而國內由于種種客觀原因，通過光域互聯(lián)的存儲網(wǎng)絡還不太多，但光網(wǎng)絡在存儲網(wǎng)絡中的應用趨勢不應受到懷疑。預計SAN和OTN的結合將是光網(wǎng)絡繼ASON和FSO之后的下一個發(fā)展熱點。