DCB. Data Center Bridging DCB. Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach

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1 DCB Data Center Bridging Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach Auszug aus dem Werk: Herausgeber: Heinz Schulte WEKA-Verlag ISBN Moderne Netzwerke im lokalen Bereich sog. Local Area Networks (LANs) basieren heutzutage ausschließlich auf der Ethernet- Technologie und verwenden das bekannte Internet Protocol (IP). In den Datacentern dieser Netzwerke findet man aber noch separate Speichernetzwerke, sog. Storage Area Networks (SANs). Sie dienen dazu, Servern die Nutzung externer Speichersysteme zu ermöglichen. Im Gegensatz zu LANs basieren SANs auf der Netzwerktechnologie Fibre Channel (FC). Der Einsatz zweier verschiedener Netzwerktechnologien also von Ethernet und Fibre Channel in Datacentern hat allerdings mehrere Nachteile. 1 Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, wurde das Konzept von Fibre Channel over Ethernet (FCoE) entwickelt. Es stellt aber bestimmte Anforderungen an Gigabit Ethernets (GEs), in diesem Fall an GEs mit Bitraten ab 10 GBit/s. Unter anderem aus diesem Grund müssen klassische GEs um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Alle solchen Erweiterungen von GEs, um verschiedene Verkehrsarten in Datacentern also Daten- und Storage-Verkehr sowie sog. Interprocess Communication (IPC) einheitlich verwirklichen und folglich konvergente Netzwerklösungen aufbauen zu können, nennt man Data Center Bridging (DCB). FCoE ist die wichtigste Anwendung von DCB. Manchmal wird statt DCB der Begriff Data Center Ethernet (DCE) verwendet und GEs mit Unterstützung von DCB als Converged Enhanced Ethernet (CEE) bzw. Enhanced Ethernet for Data Center (EEDC) bezeichnet. Folglich gelten DCB, CEE und EEDC als Synonyme und man spricht in diesem Zusammenhang auch von Lossless Ethernet (verlustfreies Ethernet) bzw. von Converged Ethernet (konvergentes Ethernet). 1 Ein wichtiger Nachteil entsteht u.a. dadurch, dass man zum Anschluss eines Servers an LAN und SAN zwei verschiedene I/O-Adapter (Input/Output) braucht und zwar einen Ethernet-NIC (Network Interface Controller) für LAN und einen FC-HBA (Fibre Channel Host Bus Adapter) für SAN. 1

2 Die Entwicklung von DCB wird von der gleichnamigen Task Group des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) koordiniert. 2 DCB ist ein Rahmenwerk (Framework), das folgende Standards umfasst: Priority-based Flow Control (PFC) IEEE 802.1Qbb Enhanced Transmission Selection (ETS) IEEE 802.1Qaz DCB Exchange Protocol (DCBX) IEEE 802.1Qaz Congestion Notification (CN) IEEE 802.1Qau Das Konzept von DCB kann in großen Netzwerken nur dann wirkungsvoll realisiert werden, wenn die Layer-2-Switches (kurz L2- Switches) die Bildung von Datenpfaden auf dem Layer 2, also quasi von Routen, zur Übermittlung von Ethernet Frames ermöglichen und dies geschieht vor allem dank der Unterstützung von Shortest Path Bridging (SPB) 3 nach dem Standard IEEE 802.1aq. An dieser Stelle sei hervorgehoben, dass in IEEE-Standards statt L2- Switch konsequent der Begriff Bridge verwendet wird und man demzufolge nicht von Switching, sondern von Bridging spricht. 4 Typische Situation in Datacentern Notwendigkeit von DCB Um die Notwendigkeit von DCB näher erläutern zu können, illustriert Bild das allgemeine heute bereits als klassisch geltende Prinzip, nach dem Datacenter in Netzwerken eingerichtet werden Für eine Beschreibung von SPB siehe: Schulte, Heinz (Hrsg.): Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA Verlag, Ende der Achtzigerjahre als bei IEEE die ersten Standards für das Internetworking spezifiziert wurden verwendete man in Ethernet-basierten Netzwerken noch die sog. Bridges, um mehrere Ethernet-Segmente miteinander zu koppeln. Der spätere Einsatz mehrerer Prozessoren in Multiport Bridges führte zur Entstehung von L2-Switches, sodass ein L2-Switch der Funktion nach vollkommen einer Multiport Bridge entspricht. 2

3 Bild : Typische Situation in Datacentern redundante Anbindung von Servern an LAN und SAN AS/CS/DS/GS: Access/Core/Distribution/Aggregation Switch FCS: Fibre Channel Switch Wie hier zum Ausdruck gebracht wurde, wird jeder Server redundant angebunden und zwar an das LAN zwecks des Internetzugangs und der Kommunikation mit als Clients bezeichneten Arbeitsplatzrechnern sowie an das SAN mit Speichersystemen zwecks einer automatischen Datensicherung (Backup). In der Regel basieren SANs auf der Netzwerktechnologie Fibre Channel (FC) [4]. Durch eine redundante Anbindung von Servern seitens des LAN an zwei Access Switches (Ethernet Switches) und seitens des SAN an zwei Fibre Channel Switches soll eine hohe Betriebssicherheit des Netzwerkes und folglich eine hohe Verfügbarkeit seiner Dienste garantiert werden. Dies ist aber mit einem hohen Aufwand verbunden. So wie in Bild dargestellt, müssen die zwei verschiedenen Netzwerktechnologien Ethernet und FC verwendet werden und demzufolge benötigt man für die Anbindung jedes Servers zumindest zwei verschiedene Netzwerkadapter und zwar Network Interface Controller (NIC) für das Ethernet-LAN und Host Bus Adapter (HBA) für das FC-SAN. 3

4 Bild : Typische Situation in Datacentern redundante und getrennte Anbindung von Servern an LAN und an SAN AS/GS: Access/Aggregation Switch FCS: Fibre Channel Switch GE: Gigabit Ethernet HBA: Host Bus Adapter NIC: Network Interface Controller PCIe: Peripheral Component Interconnect Express 5 Ein wichtiger Trend in Datacentern, um diese effizient zu gestalten und dabei die Betriebskosten zu reduzieren, ist die Zusammenführung von LAN und SAN. Man spricht in einem solchen Fall von LAN- und SAN-Konvergenz. Dieses Ziel lässt sich durch die sog. I/O-Konsolidierung (I/O Consolidation) und mithilfe von neuartigen konvergierten Netzwerkadaptern von sog. Converged Network Adapters (CNAs) erreichen. Bild illustriert die Bedeutung der I/O-Konsolidierung. Ein CNA stellt beispielsweise eine 10GE-Adapterkarte dar, mit der das Konzept von FCoE verwirklicht werden kann. Typischerweise werden CNAs mit zwei 10GE-Ports 6 als Dual Port CNA bezeichnet ausgestattet, um eine redundante Anbindung von Servern an das LAN über zwei Access Switches realisieren zu können (vgl. Bild ). Beim Einsatz von CNAs de facto also einer I/O- Konsolidierung braucht man kein SAN mehr, denn die Speicher- 5 PCIe ist ein Standard zur Verbindung von Rechnern mit Peripheriegeräten (z.b. mit Adapterkarten). PCIe stellt eine Erweiterung vom PCI-Bussystem dar siehe: 6 40GE und 100GE stehen kurz vor der Tür, folglich werden bald auch 40GE- und 100GE-CNAs verfügbar sein. 4

5 systeme können dank FCoE direkt an das Ethernet-LAN angebunden werden. Bild : I/O-Konsolidierung: a) Einsatz der Netzwerkadapter NIC und HBA ohne I/O-Konsolidierung, b) Einsatz eines Netzwerkadapters CNA bei I/O-Konsolidierung CNA: FC: GE: HBA: I/O: NIC: PCIe: Converged Network Adapter Fibre Channel Gigabit Ethernet Host Bus Adapter Input/Output Network Interface Controller Peripheral Component Interconnect Express Das soeben geschilderte Ziel, ein Datacenter lediglich auf der Basis von Ethernet-LAN einzurichten, ist dank der I/O-Konsolidierung möglich. Die I/O-Konsolidierung setzt aber wiederum die Implementierung von FCoE voraus und es sind deshalb, um FCoE im Ethernet-LAN implementieren zu können, bestimmte Erweiterungen von Gigabit Ethernet notwendig. Der Grund dafür ist, dass FC-SANs im Gegensatz zu Ethernet-LANs verlustfreie Netzwerke (lossless Networks) sind. Diese Erweiterungen von Gigabit Ethernet dienen dazu, ein verlustfreies Netzwerk zu erstellen und sind ein Bestandteil von Data Center Bridging (DCB). Hauptziele von DCB Nachdem die Notwendigkeit von DCB erläutert wurde, sollen nun kurz die Hauptziele von DCB aufgeführt werden. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen: 5

6 Mehrere Verkehrsklassen über Ethernet Links DCB soll ermöglichen, dass über Ethernet Links mehrere Verkehrsklassen (Traffic Classes, TCs) übermittelt werden können. Beim Storage-Verkehr müssen beispielsweise Ethernet Frames mit eingekapselten FC-Frames, d.h. als FCoE-Datenverkehr, eine separate Verkehrsklasse bilden. Die parallele Übermittlung von Daten mehrerer Verkehrsklassen über Ethernet Links ist bei DCB entscheidend und für die I/O-Konsolidierung von großer Bedeutung. Individuelle Behandlung einzelner Verkehrsklassen Auch sollte es möglich sein, die Verkehrsklassen nach festgelegten Prioritäten zu behandeln, d.h. diese so weiter zu differenzieren, dass man innerhalb einer Verkehrsklasse de facto innerhalb einer Prioritätsklasse verschiedene Verkehrsarten zulässt und diese dann unterschiedlich behandeln und dadurch die von jeder Verkehrsklasse geforderten QoS 7 -Parameter garantieren kann. Für die Erfüllung dieser Anforderungen wurde bei DCB die Funktion Enhanced Transmission Selection (ETS) vorgesehen (vgl. Bild ). Verlustfreie Datenübermittlung wie in FC-Netzwerken Damit die abgeschickten Daten nicht verloren gehen, sondern immer am Ziel aufgenommen werden können (Verlustfreiheit!), muss DCB die Realisierung einer individuellen Flusskontrolle (Flow Control) während der Übermittlung von Daten jeder der Verkehrsklassen gewährleisten. Diese Anforderung eine verlustfreie mit der in FC-Netzwerken realisierten Datenübermittlung vergleichbare Datenübermittlung zu garantieren wird bei DCB durch die Funktion PFC (Priority-based Flow Control) erfüllt (vgl. Bild ). Überlastkontrolle (Congestion Control) DCB muss gewährleisten, dass jeder überlastete Switch eine Ü- berlastanzeige übermitteln kann, um die Datenquellen über seinen Überlastungszustand zu informieren und somit zu veranlassen, dass diese ihre gesendeten Datenmengen entsprechend reduzieren und infolgedessen dazu beitragen, den Überlastungszustand im Netzwerk zu verringern. Damit diese Anforderung er- 7 Quality of Service 6

7 füllt werden kann, wurde bei DCB die Funktion Congestion Notification (CN) vorgesehen (vg. Bild , Bild und Bild ). Entdeckung von Nachbarschaft u. Parameterübermittlung Jeder DCB-fähige Switch muss in der Lage sein, seine benachbarten DCB-fähigen Switches zu entdecken, ihnen seine Parameter mitzuteilen und deren Parameter abzufragen; man muss sich also gegenseitig vorstellen. Diese Funktionalität wird bei DCB mit dem DCB Exchange Protocol (DCBX) realisiert. Flusskontrolle in Ethernets IEEE-Standard 802.3x Um Datenverluste in Ethernets möglicht zu vermeiden und somit verlustfreie Ethernets verwirklichen zu können, wird bei DCB auf dem Link Level eine auf dem Standard IEEE 802.3x basierte Flusskontrolle realisiert. Diese wird oft als Link-Level Flow Control (LL- FC) bezeichnet. In diesem Zusammenhang ist allerdings hervorzuheben, dass der Standard 802.3x das Prinzip der Flusskontrolle bei der Datenübermittlung nur über Vollduplex-Ethernet-Links spezifiziert. Im Allgemeinen besteht die Aufgabe der Flusskontrolle darin, die Menge der vom Absender gesendeten Daten an die Aufnahmekapazitäten beim Empfänger anzupassen. Der Absender soll also nicht mehr Daten absenden dürfen, als der Empfänger aufnehmen kann. Ist der Empfänger aber überlastet und kann keine Daten mehr aufnehmen, sollte er in der Lage sein, dies dem Absender zu signalisieren. Ist der Datenempfänger überlastet, weil er nicht genug Speicherplatz zur Datenaufnahme hat, so signalisiert er das dem Datensender bei der Flusskontrolle nach IEEE 802.3x mit einem Kontrollpaket PAUSE, damit dieser den Sendevorgang kurz unterbricht, also kurz pausiert. Bild illustriert einen solchen Fall. Wie lange der Datensender pausieren soll, wird im Kontrollpaket PAUSE als Parameter Pause_time angegeben. Es handelt sich also um eine Flusskontrolle nach dem sog. Pausenprinzip. Das Kontrollpaket PAUSE wird im Ethernet Frame an die Multicast- Adresse 01:80:C2:00:00:01 an die sog. Spanning-Tree-for- 7

8 Bridges-Adresse gesendet. Dies hat einen Nachteil, auf den gleich eingegangen wird (vgl. Bild ). Bild : Flusskontrolle nach IEEE 802.3x: Hier ist der Switch B überlastet und teilt dem Switch A mit, dass er kurz pausieren soll. Vorab sei aber noch hervorgehoben, dass während des im Kontrollpaket PAUSE angegebenen Zeitintervalls Pause_time auf dem betreffenden Ethernet Link keine Datenübermittlung stattfindet, dieser Link also de facto eine kurze Zeit blockiert ist. Negative Dominoeffekte bei der Flusskontrolle Die Flusskontrolle nach IEEE 802.3x ist genau wie die Flusskontrolle bei DCB eine abschnittsweise Flusskontrolle, auch als Hop-by- Hop Flow Control bezeichnet, die sich nur auf einen Vollduplex- Ethernet-Link bezieht. Findet die Datenübermittlung aber zwischen zwei Endsystemen statt, die über mehrere Switches verbunden sind, kann eine Flusskontrolle nach dem Pausenprinzip eventuell zu negativen Dominoeffekten führen. Bild veranschaulicht einen solchen Fall. Bild : Flusskontrolle nach dem Pausenprinzip Dominoeffekt 8

9 In dem in Bild gezeigten Beispiel stoppt das überlastete Zielsystem durch das Absenden des Kontrollpakets PAUSE die Ü- bermittlung der Daten auf dem Link 4. Da die Datenquelle aber weiterhin Daten versendet, müssen diese im Switch C zwischengespeichert werden. Dies hat nun zur Folge, dass dieser überlastet wird. Switch C stoppt daraufhin die Übermittlung von Daten auf dem Link 3, was zur Überlastung von Switch B führt. Also stoppt dieser die Übermittlung von Daten auf dem Link 2, was wiederum zur Überlastung von Switch A führt, der das Versenden der Daten bei der Quelle stoppt. Die in Bild gezeigte Abfolge des Absendens des Kontrollpakets PAUSE hat letztendlich durch diesen negativen Dominoeffekt zu einer Blockade der gesamten Übermittlungsstrecke zwischen Datenquelle und Datenziel geführt. Bei der Realisierung einer Flusskontrolle nach dem Pausenprinzip in Datacentern ist also mit negativen Dominoeffekten zu rechnen. Bild bringt nur zum Ausdruck, welche Folgen in einem Datacenter lediglich die ersten zwei Schritte des Dominoeffektes haben können. Bild : Beispiel für die Folgen eines Dominoeffektes im Datacenter CS/GS: Core/Aggregation Switch ToR: Top of Rack Switch, d.h. ein L2-Switch als Access Switch Die in Bild gezeigten Schritte sind wie folgt zu interpretieren: 1. Infolge der Serverüberlastung muss der ToR-Switch pausieren, also das Senden von Daten zum Server kurz unterbrechen, und die bei ihm ankommenden, an den überlasteten Server adres- 9

10 sierten Daten zwischenspeichern. Dies führt zur Überlastung des ToR-Switches. 2. Der überlastete ToR-Switch sendet im Ethernet Frame mit der Multicast-Adresse Spanning Tree for Bridges gleichzeitig an die beiden Aggregation Switches das Kontrollpaket PAUSE. Dadurch müssen diese das Versenden der an den ToR-Switch weitergeleiteten Daten kurz unterbrechen und die Daten temporär zwischenspeichern und das überlastet sie. Die in Bild und Bild gezeigten Beispiele für negative Dominoeffekte überzeugen davon, dass eine Flusskontrolle nach IEEE 802.3x ohne Maßnahmen gegen den soeben beschriebenen Dominoeffekt unbrauchbar ist. Das wird außerdem durch die Nullakzeptanz des Standards IEEE 802.3x in der Praxis bestätigt. Bemerkung: In hochverfügbaren Netzwerkinfrastrukturen wird heutzutage das Spanning Tree Protocol (STP) bzw. sein Nachfolger Rapid STP (RSTP) eingesetzt, um zu negativen Auswirkungen führende Loops zu vermeiden. Beim STP/RSTP werden im Netzwerk einige Komponenten blockiert, sodass eine Baumstruktur entsteht. Ein Dominoeffekt bei der Flusskontrolle nach 802.3x kann sogar zur kurzen Blockierung der ganzen Baumstruktur also des ganzen Netzwerks führen. In einem solchen Zusammenhang spricht man von Congestion Tree. Die Flusskontrolle nach IEEE 802.3x kann bei einer ringförmigen Vernetzung von Switches und beim Einsatz von Short Path Bridging (SPB) sogar zu einem totalen Stillstand (Deadlock) führen. Die bei DCB vorgesehene Congestion Notification (vgl. Bild ) stellt eine Maßnahme gegen unerwünschte Dominoeffekte dar. Darüber hinaus wird bei einer Überlastung nur ein virtueller Link (sog. PFC-Kanal) für eine betreffende Verkehrsklasse blockiert (vgl. Bild ). Priority-based Flow Control (PFC) Die PFC nach IEEE 802.1Qbb stellt eine modifizierte Version der Flusskontrolle nach IEEE 802.3x, d.h. des Pausenprinzips, dar und weist u.a. folgende Besonderheiten auf: Bildung von Dienstklassen durch Q-Tagging Den bei PFC über jeden Ethernet Link übermittelten Daten wird 10

11 ein Q-Tag nach IEEE 802.1Q vorangestellt. Dadurch können die Daten auf acht Prioritätsstufen aufgeteilt werden. Demzufolge können auf dem Ethernet Link acht Dienstklassen (Datenverkehrsklassen, Class of Services) unterstützt werden. Flusskontrolle innerhalb einzelner Dienstklassen Die PFC bezieht sich jeweils auf eine Dienstklasse, d.h. auf eine Prioritätsstufe. Blockierung der Übermittlung mit Kontrollpaket PPP Um bei einer Überlastung die Übermittlung von Daten auf einer Prioritätsstufe zu blockieren, wird das Kontrollpaket Per Priority Pause kurz PPP verwendet. Das Paket PPP bei 802.1Qbb entspricht dem Kontrollpaket PAUSE bei 802.3x. Die PFC muss nicht gleichzeitig bei allen Dienstklassen, d.h. auf allen Prioritätsstufen, realisiert werden, denn nicht alle Datenverkehrsarten verlangen eine verlustfreie Übermittlung. Beispielsweise erfordert der Storage-Datenverkehr eine verlustfreie Übermittlung, der LAN-Datenverkehr hingegen nicht. Wie Bild zeigt, bezieht sich die Flusskontrolle nur auf eine Prioritätsstufe, d.h. auf eine Dienstklasse, und kann auf einigen Prioritätsstufen einfach ausgeschaltet werden. Wie hier außerdem erkennbar ist, entstehen bei der PFC quasi acht separate PFC- Kanäle sozusagen virtuelle Links auf einem physikalischen Ethernet Link und dabei kann die Datenübermittlung auf jedem dieser PFC-Kanäle unabhängig voneinander angehalten und neu gestartet werden. Ist der Empfangspuffer auf einer Prioritätsstufe, d.h. einer Datenverkehrsklasse, am Ende eines Vollduplex-Ethernet-Link so weit belegt, dass keine weiteren Frames aufgenommen werden können, wird an die Gegenseite das Kontrollpaket PPP gesendet, damit auf dieser Prioritätsstufe über die in PPP angegebene Sendepause keine weiteren Frames übermittelt werden. In Bild ist der Empfangspuffer am PFC-Kanal 2 im Switch B überlastet. Deshalb teilt der Switch B dem Switch A mit, dass er auf dem PFC-Kanal 2 eine Zeitspanne (Time) lang pausieren soll. Die Übermittlung auf den anderen PFC-Kanälen wird dadurch nicht beeinflusst. 11

12 Bild : Konzept der Priority-based Flow Control (PFC), die klassenbezogene Flusskontrolle Rx-B: Tx-Q: Receive Buffer (Empfangs-/Aufnahme-Puffer) Transmit Queue (Sende-Warteschlange) Bild zeigt sowohl den Aufbau des Kontrollpakets PPP als auch dessen Übermittlung in Ethernet Frames. Das Kontrollpaket PPP wird genauso wie das Kontrollpaket PAUSE (vgl. Bild ) im Ethernet Frame an die Multicast-Adresse 01:80:C2:00:00:01 gesendet. Bild : Kontrollpaket PPP im Ethernet Frame und dessen Aufbau OpCode: Operation Code Für die Fortsetzung siehe: Fachkompendium Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA-Verlag, ISBN:

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