簡介

現在這個在強大的技術基礎設施之上建設成功IT機構的時代，讓企業可以提高他們的要害任務型應用的自動化水平和運行速度。企業對于技術基礎設施的依靠性還將不斷加強，從而使得企業對于基礎設施的性能和可擴展性的要求不斷提高。這種要求的提高意味著供給商在設計應用環境（包括存儲基礎設施）時，需要越來越多地考慮到如何提高性能、可擴展性和效率。對于性能的更高要求促使供給商設計和部署速度更快、更加便于擴展的IT環境——從應用到存儲子系統。

過去，一種公認的觀點是，應用基礎設施中速度最慢的環節是存儲的訪問。存儲網絡（SAN）在很大程度上消除了應用環境中的這個瓶頸。但是，人們目前對于存儲網絡的需求已經超過了今天的存儲網絡產品——即光纖通道交換機，所能達到的性能和可擴展性水平。可擴展性不僅指的是網絡帶寬的增長能力，還包括能否利用現有的光纖通道交換機產品的端口數量，有效地建設大規模的存儲網絡。隨著存儲網絡需求的不斷增長，用戶迫切需要一種高性能的、能夠通過擴展滿足帶寬和端口數量要求的、強大的存儲網絡平臺。這樣的平臺必須能夠提供投資保護，即它可以支持未來的需求、傳輸方式和端口密度，并能在短期內產生投資回報。

Cisco MDS 9000系列多層光纖通道交換機平臺是一種高度可擴展的模塊化交換機，它采用了獨特的設計，不僅可以超越目前的存儲網絡的性能和密度要求，還可以確保兼容性，能夠支持未來的性能和可擴展性要求。Cisco MDS 9000系列可以為未來提供出色的投資保護，并且可以滿足用戶目前的需要。

圖1 Cisco MDS 9500系列控制器級交換機及9216光纖通道交換機

Cisco MDS 9000系列光纖通道交換機是思科全新開發的一款產品，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，它能夠優化存儲網絡中的帶寬資源的配置。Cisco MDS 9000系列可以通過一個經過改進的架構和相關的功能集，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，該產品中的很多工具可以就存儲網絡中資源的使用情況提供精確的報告。以下將著重介紹Cisco MDS 9000系列交換機的性能和可擴展性，以及怎樣利用這些功能建立高性能、高密度的存儲網絡和優化網絡資源的配置。

有助于提升性能的架構

Cisco MDS 9500系列控制器采用了一種高度可擴展的架構，并具有Cisco IOS SAN操作系統中的一組智能化功能，從而可以優化網絡性能。核心硬件架構是這種高性能平臺的基礎。核心硬件架構建立在一種業界獨一無二、強大的高性能骨干網的基礎之上。硬件本身包含的很多改進措施可以進一步提高平臺的性能，滿足和超越用戶目前的需求。

圖2 Cisco MDS 9500系列性能架構

Cisco MDS 9216光纖通道交換機由于只配置了單個處理器，因此不屬于控制器級別，但在系統中的所有端口之間提供一個高達80Gbps帶寬的交換路徑陣列，所以系統能夠以全速運行。

交叉交換矩陣(Crossbar)

用戶對存儲網絡的性能和容量的需求一直在迅速增長。為了滿足這種性能需求，存儲網絡交換機平臺也必須不斷地提升性能和容量。這種增長方式包括支持新的協議、新的線速或者新的傳輸方式。但是，存儲網絡平臺的這種增長不應當以反復更換核心系統組件或者進行徹底升級為代價。目前部署在存儲網絡中的平臺必須能夠隨著人們對于網絡基礎設施的需求的增長而增長。

目前有很多供給商都選擇在較小的交換機特定用途集成電路（ASIC）的群集的基礎上開發他們的交換機產品。盡管這種架構讓很多供給商都能夠以相對較快的速度，推出不同端口配置的低密度產品，但是人們對于更高性能和密度的要求很快就讓這種架構毫無用武之地。當這種架構需要擴展規模時，它們內部的性能會變得無法猜測，最終不可避免地會出現過載。它的另外一個缺點是不能迅速地支持新的協議、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群集交換機與基于交叉矩陣的控制器級交換機的比較

利用思科在開發高度可擴展的網絡平臺方面所積累的經驗，Cisco MDS 9000系列建立在一種高性能、強大的交叉交換矩陣架構的基礎上。在像Cisco MDS 9000系列這樣的系統中使用交叉交換矩陣，就可以通過一個靈活的機型提供很高的交換容量，而且這種機型可以根據未來的需要進行相應的改動。交叉矩陣的特性是無論所要轉發的是什么協議和什么格式的數據幀，它都能夠以很高的速率轉發流量。因此，一個基于交叉矩陣的系統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，從而可以在不需要更換任何設備的情況下支持新的協議、傳輸方式或者線速。

Cisco MDS 9500系列具有1.44Tbps的原始交換性能。在一個九插槽的系統中，這相當于系統中的每個插槽具有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因為性能的提高而降低，1.44Tbps的交換容量實際上是通過兩個720Gbps的交叉矩陣實現的。這兩個冗余矩陣以一種活動－活動負載分擔方式工作。Cisco MDS 9500系列采用的架構是，假如某個交叉矩陣發生故障，另外一個交叉矩陣將會無縫地接管全部的負載，整個過程中系統的性能不會受到任何影響。因為剛開始時每個交換模塊并不需要超過80Gbps的帶寬，所以系統的冗余容量為160Gbps。

Supervisor處理器模塊

Supervisor處理器模塊是Cisco MDS 9000系列交換機的控制中心。它的控制引擎包含一個功能強大的處理器，它負責運行系統軟件和所有相關功能。Supervisor中的處理器還負責治理所有相關的交換陣列服務、狀態表、數據庫和系統中的很多其他功能。為了確保交換陣列的可擴展性，Cisco MDS 9000系列交換機具有由一個高速的Intel Pentium 3處理器提供的、很高的Supervisor處理能力。這代表了目前市場中一個控制器級光纖通道交換機所能獲得的最高處理能力。這樣強大的處理能力使得Cisco MDS 9000系列能夠支持更多的附加設備，具有端口密度更高、規模更大的網絡，經過改進的智能化交換陣列服務，范圍廣泛的故障診斷和治理功能。

MDS 9216交換機和9500控制器級使用的是同樣的Supervisor處理器，只不過9216交換機的Supervisor處理器是固定在機箱中，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功能。

圖4 Cisco MDS 9500系列Supervisor 處理器模塊

為了確?？煽啃?，Cisco MDS 9500系列控制器配備了兩個全狀態同步的Supervisor處理器模塊，可以實現迅速、不間斷的軟件升級和故障恢復。

為了進一步提高Cisco MDS 9500平臺的可擴展性，一個配置齊全的系統（包含兩個交叉矩陣模塊和兩個Supervisor處理器模塊）只需要占用兩個插槽。這是通過使用一個能夠安放一個Supervisor模塊和一個集成化交叉矩陣的模塊而實現的。通過將被占用的插槽總數限制到兩個，可以為系統添加兩個接口交換模塊，從而可以增加最多64個1/2Gbps的光纖通道端口。

虛擬輸出隊列（VoQ）

在光纖通道交換機中，通常每個端口都設有一個輸入隊列，用于存放從一個端口發往交換機中另外一個端口的數據幀。所有數據幀（無論要發往哪個目的地端口）都按照它們被接收的順序排列。假如某個目的地端口發生阻塞，這種方式可能會導致末端阻塞。假如發生這種情況，輸入隊列中的所有其他幀都將被堵住，直到隊列前端的某個幀被發送到發生阻塞的輸出端口。在這種情況下，輸入隊列會被防止清空，而很多I/O交換都可能會出現不必要的延時。數據幀將會在隊列中溢出，最終源設備將停止發送數據。

在圖5所示的例子中，某個連接到交換機上 “端口1”的設備正在與另外三個分別連接到“端口4、5和6”上的設備通信。假如某個輸出端口發生擁塞，一個沒有VoQ的交換機可能會發生末端阻塞，并且導致延時。尤其需要指出的是，假如不使用VoQ，那么一旦“端口4”上的設備因為無法處理流量負載而出現擁塞，那么所有發往端口4的數據幀都將被堵塞在“端口1”隊列中。而且，這種情況還會是使得從“端口1”發出的所有其他幀都無法到達它們各自的目的地端口，例如“端口5”和“端口6”。因此，一個目的地端口上發生的擁塞可能會影響始發端口的所有其他流量。在存儲網絡等要害的環境中以這種低效率、不可猜測的方式轉發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，交換機中的每個目的地端口都在輸入端口擁有它自己單獨的虛擬輸出隊列。因此，假如“端口4”發生擁塞，它將不會對發往其他端口（例如“端口5”和“端口6”）的流量產生任何影響。這可以大大提高整個矩陣的效率。此外，VoQ有助于在整個交換機中確保統一的性能，同時最大限度地降端口或者設備擁塞所產生的影響。

Cisco MDS 9000系列交換機中的每個交換模塊都采用了VoQ。交換模塊上的每個端口都為交換機的每個目的地端口設置了一個虛擬輸出隊列。此外，每個目的地虛擬輸出隊列實際上包含4個不同的隊列，從而可以在系統的每個輸出端口上，為各個等級的服務質量分別（QoS）設置一個隊列（每個端口4個等級）。這樣做的結果是每個物理輸入端口最多可以有1024個虛擬輸出隊列（256個可能的目的地端口×4個QoS等級）。VoQ可以在網絡發生擁塞時提供必要的保障，并可以提供一種有效的隔離手段，降低網絡擁塞對于應用的整體影響。

圖5 虛擬輸出隊列模式可以解決線端阻塞問題

超級幀

Cisco MDS 9000系列中的交叉矩陣可以在系統的各個交換模塊之間轉發數據幀。但是，為了獲得對交叉矩陣的訪問權限，需要轉發數據幀的交換模塊必須申請對交叉矩陣的訪問權限。仲裁流程就是對訪問交換矩陣的訪問權限進行集中的控制。因此，每個需要從系統的一個端口發送到另一端口的數據幀都必須申請對交叉矩陣的訪問權限。申請方和交換模塊之間使用一個基于信用點的系統，它負責授予通過交叉矩陣發送數據幀的權限。但是，在交換小型數據幀的情況下，這種方式的效率很低，因為在仲裁期間提供的每個信用點只能提供通過交叉矩陣發送少量字節的權限。為了優化交叉矩陣的資源利用率，思科在Cisco MDS 9000系列交換機中加入了一種名為“超級幀”的功能。超級幀技術是指將多個較小的數據幀整合成一個較大的超級幀，再在一個仲裁周期中通過交叉矩陣發送。超級幀可以提高交叉矩陣的工作效率，因為它不需要使用信用點，無需等待負責接收的交換模塊認可并使用每個數據幀的信用點。

在創建超級幀時，需要遵循兩個主要的原則：

• 數據幀必須來自于同一個源光纖通道ID（FC_ID）。
  
• 數據幀必須發往同一個目的地光纖通道ID（FC_ID）。

當某個數據幀離開虛擬輸出隊列（VoQ）時，系統將檢查隊列中是否有其他符合超級幀條件的數據幀。假如存在符合超級幀條件的數據幀，就會再創建一個超級幀，并在獲得一個信用點之后立即發送。這樣，只需要為整個超級幀申請一次仲裁，而不需要為每個數據幀申請仲裁。對于穿越交叉矩陣的小型數據幀，這可以最大限度地提高仲裁效率。利用超級幀技術，Cisco MDS 9000系列的交換容量可以達到超過每秒10億個光纖通道數據幀。

高密度系統

Cisco MDS 9000系列的設計目的不僅是提供很高的性能，而且還是一種能夠優化機架單元使用率的機型，提供很高的端口密度。這可以滿足用戶對于建設規模大于市場現有系統的大型存儲系統的需求；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，每個交換模塊都支持多種性能優化功能，包括虛擬輸出隊列和超級幀。

此外，Cisco MDS 9000系列交換模塊還支持分布式轉發技術(Distributed Forwarding)。分布式轉發技術讓系統可以在交換模塊級別來制定幀轉發策略，而不需要通過一個集中式的處理引擎制定這些策略。每個交換模塊都擁有它自己的轉發處理引擎，從而讓它可以在本地制定關于將數據幀發送到哪里的策略。一旦策略制定完畢，數據幀就會被立即納入隊列，并通過交叉矩陣發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發策略的信息，系統Supervisor處理器將參與和治理所有控制協議，例如交換陣列注冊和交換陣列最短路徑優先（PSPF）升級。當這些協議發生變化時，升級信息將會從Supervisor處理器發送到在本地存儲這些協議的交換模塊。這些信息讓交換模塊可以非常迅速地制定它們自己的轉發策略，而不需要求助于系統Supervisor處理器，也不需要通過交叉矩陣連接到某個集中轉發處理引擎。

分布式轉發的另外一個優勢是用戶可以方便地把其他的協議和傳輸方式集成到Cisco MDS 9000系列交換機中。例如，要在Cisco MDS 9000系統中加入一個新協議，用戶需要設置一個具有本地轉發智能的新交換模塊，由它將數據幀發送到系統中其他現有的、支持同一種協議的交換模塊和端口。控制協議仍然在Supervisor處理器中運行，轉發信息的一個散列的、同步的復本將會被發送到新的交換模塊。這種系統的優點在于在加入新的協議之后，仍然可以使用與原來相同的交換矩陣、機箱、電源和Supervisor處理器。此外，不同協議的交換模塊可以共存于同一個系統，而不需要改動現有的接口交換模塊。只有基于交叉矩陣的系統才能做到這一點。