CiscoMDS9000交换机高性能和可扩展性

现在这个在强大的技术基础设施之上建设成功IT机构的时代，让企业可以提高他们的要害任务型应用的自动化水平和运行速度。企业对于技术基础设施的依靠性还将不断加强，从而使得企业对于基础设施的性能和可扩展性的要求不断提高。这种要求的提高意味着供给商在设计应用环境（包括存储基础设施）时，需要越来越多地考虑到如何提高性能、可扩展性和效率。对于性能的更高要求促使供给商设计和部署速度更快、更加便于扩展的IT环境——从应用到存储子系统。

过去，一种公认的观点是，应用基础设施中速度最慢的环节是存储的访问。存储网络（SAN）在很大程度上消除了应用环境中的这个瓶颈。但是，人们目前对于存储网络的需求已经超过了今天的存储网络产品——即光纤通道交换机，所能达到的性能和可扩展性水平。可扩展性不仅指的是网络带宽的增长能力，还包括能否利用现有的光纤通道交换机产品的端口数量，有效地建设大规模的存储网络。随着存储网络需求的不断增长，用户迫切需要一种高性能的、能够通过扩展满足带宽和端口数量要求的、强大的存储网络平台。这样的平台必须能够提供投资保护，即它可以支持未来的需求、传输方式和端口密度，并能在短期内产生投资回报。

Cisco MDS 9000系列多层光纤通道交换机平台是一种高度可扩展的模块化交换机，它采用了独特的设计，不仅可以超越目前的存储网络的性能和密度要求，还可以确保兼容性，能够支持未来的性能和可扩展性要求。Cisco MDS 9000系列可以为未来提供出色的投资保护，并且可以满足用户目前的需要。

图1 Cisco MDS 9500系列控制器级交换机及9216光纤通道交换机

Cisco MDS 9000系列光纤通道交换机是思科全新开发的一款产品，旨在提供出色的性能和较高的端口密度。但是，同样重要的是，它能够优化存储网络中的带宽资源的配置。Cisco MDS 9000系列可以通过一个经过改进的架构和相关的功能集，为用户提供很多智能化的手段，帮助用户控制带宽的部署和使用方式。此外，该产品中的很多工具可以就存储网络中资源的使用情况提供精确的报告。以下将着重介绍Cisco MDS 9000系列交换机的性能和可扩展性，以及怎样利用这些功能建立高性能、高密度的存储网络和优化网络资源的配置。

有助于提升性能的架构

Cisco MDS 9500系列控制器采用了一种高度可扩展的架构，并具有Cisco IOS SAN操作系统中的一组智能化功能，从而可以优化网络性能。核心硬件架构是这种高性能平台的基础。核心硬件架构建立在一种业界独一无二、强大的高性能骨干网的基础之上。硬件本身包含的很多改进措施可以进一步提高平台的性能，满足和超越用户目前的需求。

图2 Cisco MDS 9500系列性能架构

Cisco MDS 9216光纤通道交换机由于只配置了单个处理器，因此不属于控制器级别，但在系统中的所有端口之间提供一个高达80Gbps带宽的交换路径阵列，所以系统能够以全速运行。

交叉交换矩阵(Crossbar)

用户对存储网络的性能和容量的需求一直在迅速增长。为了满足这种性能需求，存储网络交换机平台也必须不断地提升性能和容量。这种增长方式包括支持新的协议、新的线速或者新的传输方式。但是，存储网络平台的这种增长不应当以反复更换核心系统组件或者进行彻底升级为代价。目前部署在存储网络中的平台必须能够随着人们对于网络基础设施的需求的增长而增长。

目前有很多供给商都选择在较小的交换机特定用途集成电路（ASIC）的群集的基础上开发他们的交换机产品。尽管这种架构让很多供给商都能够以相对较快的速度，推出不同端口配置的低密度产品，但是人们对于更高性能和密度的要求很快就让这种架构毫无用武之地。当这种架构需要扩展规模时，它们内部的性能会变得无法猜测，最终不可避免地会出现过载。它的另外一个缺点是不能迅速地支持新的协议、新的传输方式和新的线速，这是交换ASIC的固定特性造成的。

图3 ASIC群集交换机与基于交叉矩阵的控制器级交换机的比较

利用思科在开发高度可扩展的网络平台方面所积累的经验，Cisco MDS 9000系列建立在一种高性能、强大的交叉交换矩阵架构的基础上。在像Cisco MDS 9000系列这样的系统中使用交叉交换矩阵，就可以通过一个灵活的机型提供很高的交换容量，而且这种机型可以根据未来的需要进行相应的改动。交叉矩阵的特性是无论所要转发的是什么协议和什么格式的数据帧，它都能够以很高的速率转发流量。因此，一个基于交叉矩阵的系统可以方便地满足光纤通道目前的高性能要求，并可以在将来方便地加以改进，从而可以在不需要更换任何设备的情况下支持新的协议、传输方式或者线速。

Cisco MDS 9500系列具有1.44Tbps的原始交换性能。在一个九插槽的系统中，这相当于系统中的每个插槽具有160Gbps的纯带宽。要提供这样的性能，用户还必须考虑到高可用性。为了确保可用性不会因为性能的提高而降低，1.44Tbps的交换容量实际上是通过两个720Gbps的交叉矩阵实现的。这两个冗余矩阵以一种活动－活动负载分担方式工作。Cisco MDS 9500系列采用的架构是，假如某个交叉矩阵发生故障，另外一个交叉矩阵将会无缝地接管全部的负载，整个过程中系统的性能不会受到任何影响。因为刚开始时每个交换模块并不需要超过80Gbps的带宽，所以系统的冗余容量为160Gbps。

Supervisor处理器模块

Supervisor处理器模块是Cisco MDS 9000系列交换机的控制中心。它的控制引擎包含一个功能强大的处理器，它负责运行系统软件和所有相关功能。Supervisor中的处理器还负责治理所有相关的交换阵列服务、状态表、数据库和系统中的很多其他功能。为了确保交换阵列的可扩展性，Cisco MDS 9000系列交换机具有由一个高速的Intel Pentium 3处理器提供的、很高的Supervisor处理能力。这代表了目前市场中一个控制器级光纤通道交换机所能获得的最高处理能力。这样强大的处理能力使得Cisco MDS 9000系列能够支持更多的附加设备，具有端口密度更高、规模更大的网络，经过改进的智能化交换阵列服务，范围广泛的故障诊断和治理功能。

MDS 9216交换机和9500控制器级使用的是同样的Supervisor处理器，只不过9216交换机的Supervisor处理器是固定在机箱中，而9500控制器的Supervisor处理器是以可热插拔的模块并且配备了双Supervisor处理器模块以支持在线软件升级功能。

图4 Cisco MDS 9500系列Supervisor 处理器模块

为了确保可靠性，Cisco MDS 9500系列控制器配备了两个全状态同步的Supervisor处理器模块，可以实现迅速、不间断的软件升级和故障恢复。

为了进一步提高Cisco MDS 9500平台的可扩展性，一个配置齐全的系统（包含两个交叉矩阵模块和两个Supervisor处理器模块）只需要占用两个插槽。这是通过使用一个能够安放一个Supervisor模块和一个集成化交叉矩阵的模块而实现的。通过将被占用的插槽总数限制到两个，可以为系统添加两个接口交换模块，从而可以增加最多64个1/2Gbps的光纤通道端口。

虚拟输出队列（VoQ）

在光纤通道交换机中，通常每个端口都设有一个输入队列，用于存放从一个端口发往交换机中另外一个端口的数据帧。所有数据帧（无论要发往哪个目的地端口）都按照它们被接收的顺序排列。假如某个目的地端口发生阻塞，这种方式可能会导致末端阻塞。假如发生这种情况，输入队列中的所有其他帧都将被堵住，直到队列前端的某个帧被发送到发生阻塞的输出端口。在这种情况下，输入队列会被防止清空，而很多I/O交换都可能会出现不必要的延时。数据帧将会在队列中溢出，最终源设备将停止发送数据。

在图5所示的例子中，某个连接到交换机上 “端口1”的设备正在与另外三个分别连接到“端口4、5和6”上的设备通信。假如某个输出端口发生拥塞，一个没有VoQ的交换机可能会发生末端阻塞，并且导致延时。尤其需要指出的是，假如不使用VoQ，那么一旦“端口4”上的设备因为无法处理流量负载而出现拥塞，那么所有发往端口4的数据帧都将被堵塞在“端口1”队列中。而且，这种情况还会是使得从“端口1”发出的所有其他帧都无法到达它们各自的目的地端口，例如“端口5”和“端口6”。因此，一个目的地端口上发生的拥塞可能会影响始发端口的所有其他流量。在存储网络等要害的环境中以这种低效率、不可猜测的方式转发流量无疑是让人无法接受的。

利用VoQ可以解决这种问题。如图5所示，交换机中的每个目的地端口都在输入端口拥有它自己单独的虚拟输出队列。因此，假如“端口4”发生拥塞，它将不会对发往其他端口（例如“端口5”和“端口6”）的流量产生任何影响。这可以大大提高整个矩阵的效率。此外，VoQ有助于在整个交换机中确保统一的性能，同时最大限度地降端口或者设备拥塞所产生的影响。

Cisco MDS 9000系列交换机中的每个交换模块都采用了VoQ。交换模块上的每个端口都为交换机的每个目的地端口设置了一个虚拟输出队列。此外，每个目的地虚拟输出队列实际上包含4个不同的队列，从而可以在系统的每个输出端口上，为各个等级的服务质量分别（QoS）设置一个队列（每个端口4个等级）。这样做的结果是每个物理输入端口最多可以有1024个虚拟输出队列（256个可能的目的地端口×4个QoS等级）。VoQ可以在网络发生拥塞时提供必要的保障，并可以提供一种有效的隔离手段，降低网络拥塞对于应用的整体影响。

图5 虚拟输出队列模式可以解决线端阻塞问题

超级帧

Cisco MDS 9000系列中的交叉矩阵可以在系统的各个交换模块之间转发数据帧。但是，为了获得对交叉矩阵的访问权限，需要转发数据帧的交换模块必须申请对交叉矩阵的访问权限。仲裁流程就是对访问交换矩阵的访问权限进行集中的控制。因此，每个需要从系统的一个端口发送到另一端口的数据帧都必须申请对交叉矩阵的访问权限。申请方和交换模块之间使用一个基于信用点的系统，它负责授予通过交叉矩阵发送数据帧的权限。但是，在交换小型数据帧的情况下，这种方式的效率很低，因为在仲裁期间提供的每个信用点只能提供通过交叉矩阵发送少量字节的权限。为了优化交叉矩阵的资源利用率，思科在Cisco MDS 9000系列交换机中加入了一种名为“超级帧”的功能。超级帧技术是指将多个较小的数据帧整合成一个较大的超级帧，再在一个仲裁周期中通过交叉矩阵发送。超级帧可以提高交叉矩阵的工作效率，因为它不需要使用信用点，无需等待负责接收的交换模块认可并使用每个数据帧的信用点。

在创建超级帧时，需要遵循两个主要的原则：

数据帧必须来自于同一个源光纤通道ID（FC_ID）。

数据帧必须发往同一个目的地光纤通道ID（FC_ID）。

当某个数据帧离开虚拟输出队列（VoQ）时，系统将检查队列中是否有其他符合超级帧条件的数据帧。假如存在符合超级帧条件的数据帧，就会再创建一个超级帧，并在获得一个信用点之后立即发送。这样，只需要为整个超级帧申请一次仲裁，而不需要为每个数据帧申请仲裁。对于穿越交叉矩阵的小型数据帧，这可以最大限度地提高仲裁效率。利用超级帧技术，Cisco MDS 9000系列的交换容量可以达到超过每秒10亿个光纤通道数据帧。

高密度系统

Cisco MDS 9000系列的设计目的不仅是提供很高的性能，而且还是一种能够优化机架单元使用率的机型，提供很高的端口密度。这可以满足用户对于建设规模大于市场现有系统的大型存储系统的需求；Cisco MDS 9000系列支持一系列交换模块，从而可以为用户提供多种性能和端口密度选择方案。无论端口密度如何，每个交换模块都支持多种性能优化功能，包括虚拟输出队列和超级帧。

此外，Cisco MDS 9000系列交换模块还支持分布式转发技术(Distributed Forwarding)。分布式转发技术让系统可以在交换模块级别来制定帧转发策略，而不需要通过一个集中式的处理引擎制定这些策略。每个交换模块都拥有它自己的转发处理引擎，从而让它可以在本地制定关于将数据帧发送到哪里的策略。一旦策略制定完毕，数据帧就会被立即纳入队列，并通过交叉矩阵发送到目的地交换模块和端口。为了向交换模块提供用于制定转发策略的信息，系统Supervisor处理器将参与和治理所有控制协议，例如交换阵列注册和交换阵列最短路径优先（PSPF）升级。当这些协议发生变化时，升级信息将会从Supervisor处理器发送到在本地存储这些协议的交换模块。这些信息让交换模块可以非常迅速地制定它们自己的转发策略，而不需要求助于系统Supervisor处理器，也不需要通过交叉矩阵连接到某个集中转发处理引擎。

分布式转发的另外一个优势是用户可以方便地把其他的协议和传输方式集成到Cisco MDS 9000系列交换机中。例如，要在Cisco MDS 9000系统中加入一个新协议，用户需要设置一个具有本地转发智能的新交换模块，由它将数据帧发送到系统中其他现有的、支持同一种协议的交换模块和端口。控制协议仍然在Supervisor处理器中运行，转发信息的一个散列的、同步的复本将会被发送到新的交换模块。这种系统的优点在于在加入新的协议之后，仍然可以使用与原来相同的交换矩阵、机箱、电源和Supervisor处理器。此外，不同协议的交换模块可以共存于同一个系统，而不需要改动现有的接口交换模块。只有基于交叉矩阵的系统才能做到这一点。