基于FC-BB-3-GFPT的光纤通道长距传送方案

光纤通道（Fibre Channel，FC）以可扩展性好、高带宽、通用性强及传输距离远等优点而成为存储区域网（SAN）的主流技术之一，速率已从1G、2G发展到4G、8G。近年来，企业的存储应用出现了急剧增长，公众对业务连续性和灾难恢复的重要性也有了更多的认识。随着SAN规模的不断扩大，及基于数据安全性的考虑，企业的服务器和数据中心，或主、备数据中心很可能处在不同的地理位置。因此，企业SAN应用也自然而然出现了存储扩展（Storage Extension）的需求，即在企业内部不同存储岛（SAN Island）之间传送数据的需求。

现有的FC长途传送方法
    FC标准ANSI INCITS 404 FC-PI-2规定了1G、2G、和4G FC设备的光接口标准，可在850nm波段多模光纤中传输300米，或在1310nm波段单模光纤中传输10km。这两类接口比较适合校园大小的SAN的楼间或楼内连接。对于更远的FC连接，比较现实的做法是通过已有的城域网（MAN，传送距离200km以上）或广域网（WAN，传送距离1000km以上）来传送FC信号。
    通过现有的MAN或WAN传送FC信号的传统办法有：可以直接把FC信号调制到波分复用（WDM）波长上，通过城域或长途波分复用设备来传送（可经过2R或3R再生），或者先通过ITU-T G.7041同步GFP-T封装然后通过虚级联或相邻级联映射入SDH/SONET帧中传送，或者这两种办法结合起来使用。但本质上来讲，以上提到的这些办法都是对FC信号的完全透明传送（即使在同步GFP-T封装时对FC信号进行了8B/10B编解码），传送设备不需要知道传送的内容是什么，FC完全按照自身的协议控制数据流的传送。FC光信号的传送在物理层上或许因为更小的衰减可以传得更远，然而实际上，由于FC自身的缓存到缓存流量控制（BB Flow Control）协议的限制，当FC信号在传送了一定距离后，数据的有效通量（Effective Throughput）迅速下降。
    FC架构采用了基于信用（Credit）的流量控制协议，以避免接收设备发生拥塞而被迫丢弃帧的事件。FC发送端的Credit代表了FC接收设备接收帧的能力。如果接收端没有颁发信用（Issue Credit）给发送端，发送端就不可以发送帧。这种基于Credit的流量控制机制，有助于避免帧的丢失，减少了重发整个FC序列的概率。FC标准定义了两种流量控制协议，一个是端到端流量控制（EE Flow Control），另一个是缓存到缓存流量控制。
缓存到缓存流量控制是相互通讯的两个FC端口的连接通路上的任意两个相邻的FC端口之间的流量控制。例如两个节点端口（N-Port）直接相连或通过Fabric进行端到端通讯，那么相邻的节点端口到节点端口（N-Port to N-Port）之间，节点端口到Switch端口（N-Port to F-Port）之间，或Switch端口与Switch端口（E-Port to E-Port）之间的流量控制均为缓存到缓存的流量控制。缓存到缓存流量控制的信用（BB-Credit）也是在相邻两个FC端口相互Login时达成的。Login完成后，端口的BB-Credit-CNT置为0。当FC发送端口发送一个数据帧或者链路控制响应帧时，其BB-Credit-CNT增加1。当每个数据帧或链路控制响应帧被接收端口收到并能够处理，接收端口就回发一个原语信号（Primary Signal）R-RDY。当FC发送端口收到一个R-RDY时，其BB-Credit-CNT就减小1。当一个FC端口的BB-Credit-CNT增至Credit时，它就不可以继续发送数据帧或链路控制响应帧。缓存到缓存的流量控制适合Class 2、3、F及帧起始定界符（SOF）为SOFc1的Class 1、6业务类型的传送.
    在缓存到缓存流量控制模式下，如果接收端接收帧的能力有限（即发送端的Credit较低），或者发送端和接收端的距离过远（更确切地说是时延过大）以至于不能很快收到回发的R-RDY，这样，发送端就很快用完了Credit而经常处于等待R-RDY的状态，因而不能持续发帧。这就是为什么FC的传送经过一段距离后就出现了有效通量降低。这个现象降低了MAN或WAN的带宽利用率。在两端口相互Login时增加Credit倒是一个有效的办法，但通常FC设备分配给每一个端口的资源是有限的，不可能无限提高每一个端口的接收能力（很多FC设备的每个端口所能支持的最大Credit在30左右，但也有一些设备分配给特殊端口几百个Credit）。当然，增加帧的平均帧长，也可以缓解Credit不足的压力。测试发现，当传送最大帧长2148字节的1G FC帧并设置信用为32时，在传送距离约80公里的时候开始出现有效通量降低。然而，规定帧以最大帧长发送并不是切实可行的。

新标准
    由此看来，即便是通过现有的MAN或WAN来传送FC，其传送距离的受限很可能不是因为传送网络的限制，而是FC自身的流量控制协议限制了业务的传送。为了克服这个问题，各种距离延伸传送方案也就应运而生了。
2006年7月，T11技术委员会批准了一个新的FC标准，即ANSI INCITS 414 FC-BB-3。在这个标准里针对缓存到缓存流量控制模式的FC业务提出了一种新的长距传送方案，即FC-BB-3-GFPT。这个方案里，距离延伸传送功能是由FC-BB-3-GFPT器件实现的。标准只对FC-BB-3-GFPT器件的功能进行了定义，在具体设计中，可由多个ASIC或FPGA联合实现。这个方案可使FC在基于SONET/SDH/OTN/PDH的MAN或WAN上实现长距离传送。
    FC-BB-3-GFPT是个双向传送的器件。它一端连接客户FC设备，另外一端连接MAN或WAN（在FC-BB-3标准中，传送网一侧在功能上被定义为WAN）。面向FC设备的一端，FC-BB-3-GFPT仿真成一个FC-2层接口并适配到编码层FC-1和物理层FC-0。然而，FC-BB-3-GFPT并不是一个真正的FC器件，它只具有FC协议的最低两层，因此FC-BB-3-GFPT在客户端只是一个FC的物理接口。这个物理接口甚至可以支持同相连的FC客户设备进行链路速率协商。两端客户FC设备，以点对点的方式，通过两端带FC-BB-3-GFPT器件的SONET/SDH/OTN/PDH传送网相连。每一个FC-BB-3-GFPT器件也许面对多个客户端FC接口，然而，每一对经过FC-BB-3-GFPT和传送网络相连的客户FC设备之间的通讯，占用的都是各自专用的传送路径。这里所说的专用传送路径，是逻辑上的概念，或许是物理上走不同的光纤，或许是同一个SONET/SDH帧中不同的支路时隙。
    FC-BB-3-GFPT器件把从一端FC设备收到的帧经过传送网全部转发给另一端的FC设备。FC-BB-3-GFPT器件本身并不产生FC帧，也并不直接参与FC端口的初始化。FC-BB-3-GFPT器件不必遵守关于FC端口认证的要求，它也不干涉通过FC-BB-3-GFPT器件连接的FC设备间所发生的这类过程。FC-BB-3-GFPT器件不具有FC身份和可见性。从管理上来讲，FC-BB-3-GFPT可以同FC设备完全隔离开。
那么，FC-BB-3-GFPT是怎样延长FC传送距离的呢？奥秘在于FC-BB-3-GFPT器件参与了FC的缓存到缓存的流量控制。当FC-BB-3-GFPT器件在收到来自于相连的FC设备的帧后，马上代替远端的FC设备回发了R-RDY，而不必等到远端的FC设备发送R-RDY回来（实际上，FC-BB-3-GFPT器件终结了R-RDY，而不是在两个FC设备之间转发R-RDY）。收到R-RDY后，FC设备的Credit得以释放，从而得以继续发送帧，从而减小或消除了透明传送FC时产生的等待时间，提高了FC业务传送的有效通量。因此，两个FC-BB-3-GFPT器件的距离，也就是传送网的传送距离，被“隐藏”起来了。当然，为配合FC-BB-3-GFPT器件跟FC设备之间的流量控制，两个FC-BB-3-GFPT器件之间也采用了一种称为ASFC（Alternate Simple Flow Control）流量控制协议。基于FC-BB-3-GFPT的长距传送方案可以将1G的FC信号传送5000km，2G的FC信号传送2500km，因此可以非常快地实现跨国甚至跨洲的数据访问、存储。
两个FC-BB-3-GFPT器件及中间的传送网构成了一个传送FC的“桥梁”，桥梁一旦架成之后，就可以传送FC业务了。这个桥梁在FC-BB-3标准中被称为GFPT-WAN。桥梁的两端，即FC-BB-3-GFPT器件，有自己的状态机，并且状态机的转化与承载的FC没有关系。
    FC-BB-3-GFPT的状态机一共有三个状态：S1、S3和S2。其中，S1的状态是最初始的状态，当设备上电时，或外部命令要求初始化时都可以转到这个状态。进入S1后，FC-BB-3-GFPT器件确定传送网络是否正常，即GFPT-WAN有没有缺陷。如没有缺陷，则进入S3状态。进入S3状态后，一端的FC-BB-3-GFPT器件会向另一端的FC-BB-3-GFPT器件发送GFPT-WAN流量控制所用的原语信号PING及PING-ACK来确定GFPT-WAN是否配置了足够的缓存资源。如GFPT-WAN配置的缓存资源足够，则从状态S3进入S2，否则，从状态S3返回S1。S2是FC-BB-3-GFPT器件的正常工作状态，进入S2状态之后，两端FC设备就可以通讯了。在S2状态时，FC-BB-3-GFPT器件仍然周期性地发送PING及PING-ACK来检查当前GFPT-WAN配置的缓存资源是否够用，如果不够用，则从状态S2转入S1。另外，如果在状态S2发现GFPT-WAN有时间长于100毫秒的缺陷，也会转入S1状态。
    进入S2状态后，FC-BB-3-GFPT器件两端的FC设备开始初始化链路，并向对方Login以交换操作参数包括流量控制等信息。FC-BB-3-GFPT器件会对这种Login交换进行监测（LEM）。FC-BB-3-GFPT所支持的FC设备间的Login从高到低有三个级别：ELP（E-Port到E-Port），FLOGI（N-Port到F-Port）和PLOGI（N-Port到N-Port）。在FC-BB-3-GFPT收到Login申请时打开LEM，在收到Login确认（SW-ACC对应ELP，LS-ACC对应FLOGI和PLOGI）后关闭。LEM负责“截获”Login中的Credit信息，并把FC-BB-3-GFPT的Credit设成远端FC设备的Credit。这样，每一个FC设备跟相连的FC-BB-3-GFPT器件通讯时，就如同跟另一端的FC设备通讯一样，只不过距离拉近了。
当两端的FC设备完成注册，并且FC-BB-3-GFPT的LEM成功关闭之后，数据流就可以在两个FC设备之间正常传送了。当一端FC设备由于数据拥塞而不能继续接收来自FC-BB-3-GFPT器件的帧时，这个FC-BB-3-GFPT器件就向远端FC-BB-3-GFPT器件发出停止转发FC帧和原语信号的请求。这个请求是通过发送GFPT-WAN专用的原语信号ASFC-PAUSE来实现的。当本端FC设备可以继续接收帧时，本端的FC-BB-3-GFPT器件就向远端FC-BB-3-GFPT器件发出另一种GFPT-WAN专用的原语信号ASFC-RESUME以表明可以继续转发FC帧和原语信号了。
FC数据在FC-BB-3-GFPT器件中适配和解适配运用了ITU-T G.7041异步GFP-T封装模式。在ITU-T G.7041中，虽然异步GFP-T和同步GFP-T封装都是基于8B/10B编码流的，但它们之间有着根本的不同。后者是两个FC端口间全速、完全透明的传送，只相当于传输线的延长。异步GFP-T允许FC业务向任意带宽的GFPT-WAN上进行适配，虽然一般在实际应用中会给FC业务分配全速的带宽。
    FC业务通过FC-BB-3-GFPT实现了长距离传送，但目前无论是MAN还是WAN，GFP层都不是传送网的最低层。现在的城域SDH多业务平台和城域或长途WDM传送平台都在尽可能集成各种类型的数据或图像业务，为了有效地利用带宽，可以把FC-BB-3-GFPT通过虚级联（VC）和链路容量调整方案（LCAS）映射到城域SDH传送平台，或者再继续映射到OTN/WDM以便在城域或广域WDM传送平台上传送。

除了通过FC-BB-3-GFPT（基于SONET/SDH平台）的办法能够实现FC的长距离传送，FC还可以通过IP方式实现长距离传送，如FCIP和iFCP。但是，除了能够支持Fabric到Fabric的互连及一点到多点的SAN业务路由等优点之外，FC通过IP传送的缺点是显而易见的，如很大的传送时延、较大的抖动、不可预料的可靠性、不能提供小于50毫秒的保护和恢复、较差的配置和升级灵活性、较大的协议开销、很难实现同步备份，还有高带宽要求下的高成本。然而，这些缺点却正是FC-BB-3-GFPT/SDH/SONET传送平台所擅长的地方。
    FC-BB-3-GFPT的传送机制也在不断地完善。下一代传送机制，即FC-BB-4-GFPT已经在酝酿之中了。FC-BB-4-GFPT将准备在FC-BB-3-GFPT的基础上进一步使用压缩技术来传送FC数据流，这样可以更加高效地利用带宽。