クラウドを支えるデータストレージ技術 : 6．iSCSIとFCoEによるストレージ構築-ストレージネットワークの進化-
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(2) 7.iSCSI と FCoE によるストレージ構築～ストレージネットワークの進化～ 1）. 月に IETF により規格が承認された ．iSCSI は SCSI Application. プロトコルを TCP/IP ネットワーク上に載せたもので あり，汎用ネットワーク環境であるイーサネットとその 上の TCP/IP が動いていれば利用することができる．. iSCSI アーキテクチャ. SCSI. SCSI. iSCSI. iSCSI. TCP. TCP. IP. IP. Ethernet. Ethernet. iSCSI は SCSI コマンドや読み書きするデータを，. 図 -2 iSCSI のプロトコルスタック. TCP/IP パケットにカプセル化してネットワーク越 しに転送する規格である．iSCSI のプロトコルスタ. Unit）と呼ぶ．この構成を図 -3 に示す．この図で. ックを図 -2 に示す．ストレージアクセスを行うサ. は 1 つの iSCSI PDU が 1 つの TCP/IP パケットに. ーバ側（イニシエータ）では，アプリケーションがロ. カプセル化されているが，大きさが TCP の MSS. ーカルストレージへアクセスするかのように SCSI. （Maximum Segment Size）を超える場合には分割さ. コマンドを発行するが，iSCSI 層がこれを受け取っ. れて，各々のセグメントに TCP/IP のヘッダが付く．. て TCP/IP のパケットに詰め込み，イーサネット. 図 -3 には Read の SCSI コマンドメッセージがカプ. 等のネットワークを介してストレージ側（ターゲッ. セル化された場合の例が示されている．. ト）へ送る．ターゲットでは TCP/IP パケットから. iSCSI PDU は 48 バイトの BHS（Basic Header. SCSI コマンドを取り出してストレージアクセスを. Segment）といくつかのオプションフィールドから. 行い，結果を逆の経路でイニシエータへ返す．. なる．SCSI プロトコルによりストレージとの間で. 以下ではこのカプセル化が具体的にどのように実. Read/Write のデータが転送される場合には，Data. 現されているか，少々細かく説明する．SCSI コマ. Segment フィールドが使われる．. ンドを TCP/IP パケットに詰め込むために作られ. SCSI コマンドメッセージをカプセル化する場合，. る iSCSI のブロックを iSCSI PDU（Protocol Data. BHS の後ろ 16 バイトのフィールドには，SCSI CDB iSCSI PDU. 20. IP Header. 20. TCP Header. 48. 4 HeaderAHS （optional） Digest （optional）. BHS. 0x01c0 （=SCSI. LUN. DataDigest （optional）. Data Segment （optional）. 16. 16 AHS Length, OpCode Data Segment Length. 4. 16. Initial Expected Cmd Exp Task Data Stat SN Transfer Tag SN Length. SCSI Command Descriptor Block. SCSI. 0x8000 （=32KB）. ，Read）. BHS : Basic Header Segment AHS : Additional Header Segment LUN : Logical Unit Number CmdSN : Command Sequence Number ExpStatSN : Expected Sequence Number. Cmd LUN 0x28 （=Read）. Logical Block Address. Data Length. 0x40 （=512 x 0x40=32KB）. 図 -3 iSCSI PDU（Protocol Data Unit）. 情報処理 Vol.52 No.6 May 2011. 701.
(3) クラウドを支えるデータストレージ技術 （Command Descriptor Block） ，すなわち SCSI コマ. 在し，目的に応じて使い分けられている．. ンドがそのまま入る．ただしその中のいくつかの情報. 現在の状況を見ると，iSCSI の技術はすでに発展. は読み出されて，BHS の前の方のフィールドに埋め. のフェーズに乗ったと言えよう．今後はクラウドを. られる．たとえば BHS の先頭は OpCode というフィ. 始めとしたサーバシステムにおける利用から，エン. ールドで，ここには SCSI CDB の中身は何であるか. ドユーザの個人利用まで，幅広く用いられていくも. （たとえば SCSI Read コマンドなど）が読み出されて. のと考えられる．. 書き込まれる．Expected Data Transfer Length フ ィールドにも，SCSI CDB 中で指定している Read/ Write のデータの大きさが読み出されてバイト単位 ． で記録される （SCSI CDB 中では 512 バイト単位）. FCoE FCoE 誕生の背景 「iSCSI 誕生の背景」で述べたように，現在のサー. 代表的な iSCSI 実装の紹介. バシステムはフロントエンドを LAN で接続され，. 前述のように iSCSI は，イーサネットとその上の. バックエンドを SAN で接続される形が一般的にな. TCP/IP という汎用のネットワーク環境があれば利. った．LAN のアーキテクチャはイーサネットであ. 用することができる．最新の Linux や Windows にお. り，ギガビットイーサネットから 10Gbps イーサネ. いては，iSCSI は容易に利用できるようになっている．. ットへと移行しつつある．一方 SAN として主流な. Linux で は 当 初，UNH（University of New. のは，やはり FC である．. Hampshire）により作られた参照実装が多く使われ. FCoE は，INCITS（International Committee for. ていたが，その後いくつかの実装が現れて改良が. Information Technology Standards）の FC を担当す. 進められた．イニシエータドライバでは，Linux-. る T11 技術委員会により，FC-BB-5 の一部として. iSCSI（sfnet） と Open-iSCSI が よ く 使 わ れ る よ. 標準化が行われた. うになってきたが，この両プロジェクトは合併し，. カプセル化し，仕様に従って拡張された 10Gbps イ. Linux2.6.16 以降で動作する Open-iSCSI ドライバと. ーサネット上で運ぶというものである．. 2）. 4），5）. ．FCoE は FC のフレームを. して利用されている ．またターゲットドライバと. FCoE の目的を一言でいうと FC とイーサネット. しては，iSCSI Enterprise Tareget が広く用いられ. の統合であり，FCoE によって FC のフレームとイ. 3）. ている ．一方 Windows 7 や Windows Server 2008. ーサネットのフレームを，同じインタフェースを通. では，標 準で Microsoft iSCSI イニシエータドラ. し同じネットワークで運ぶことを目指した．これは. イ バ が 搭 載 さ れ て い る．タ ー ゲ ットド ラ イ バ は. ユニファイド I/O と呼ばれる．. Windows Storage Server 2008 に搭載されている．. 現在のサーバは，インタフェースをいくつも持っ. このような導入の敷居の低さにより，iSCSI の利. ている．たとえば図 -4 の左側のように，制御用の. 用は拡大してきている．一方，性能面を考慮して. イーサネット，データ転送用のイーサネット，スト. iSCSI 用のハードウェアも現れて利用されている．. レージに繋がる FC があり，それぞれが二重化され. ターゲットとしては iSCSI インタフェースを持っ. ているとすると，インタフェースは全部で 6 枚とな. たストレージシステムが，比較的高額なものから，. り，6 本のケーブルがサーバから出てネットワーク. 量販店で売られるような割合安価なモデルまで幅広. に繋がる形となる．これに対し，これらの FC とイ. く販売されている．またイニシエータは，TCP/IP. ーサネットをすべて FCoE で統合すると，図 -4 の. の処理を NIC にハードウェア実装する TOE（TCP. 右側のように，二重化も含めて 2 枚のインタフェー. Offload Engine）や，iSCSI の処理までハードウェ. ス CNA（Converged Network Adaptor）と 2 本の. ア実装した iSCSI HBA（Host Bus Adaptor）が存. ケーブルで済む．. 702 情報処理 Vol.52 No.6 May 2011.
(4) 7.iSCSI と FCoE によるストレージ構築～ストレージネットワークの進化～. Ethernet NIC Ethernet NIC Ethernet NIC. FCoE CNA. Ethernet NIC. FCoE CNA. LAN + SAN. FC HBA FC HBA. 図 -4 FCoE による FC とイーサネットの統合. FCoE が最も期待されている活躍の場はデータセ. FCoE の階層構造を図 -5 に示す．FCoE は iSCSI. ンタである．データセンタでは，FC とイーサネッ. と異なり，TCP/IP の上に FC を載せるわけではな. ト，さらにはインフィニバンドなど複数の独立した. い．トランスポート層（TCP，UDP）もインターネ. ネットワークが運用されており，サーバは複数のイ. ット層（IP）も用いず，第 1 層と第 2 層にあたるイ. ンタフェースを持ち，複数のネットワークと接続す. ーサネット部分のみを用い，その上に FC の FC-2. る形態となっている．しかしながら複数のネットワ. 層以上を載せる．ただしこの 1，2 層も既存のイー. ークが別々に存在するのは，導入コストの面でも管. サネットそのままではなく，拡張された仕様に基づ. 理コストの面でも望ましくない．さらに，ラックマ. く CEE（Converged Enhanced Ethernet）が用いら. ウントやブレードタイプのサーバの場合，物理的な. れる．この CEE については次節で述べる．. 制約から複数のインタフェースを持つことができな. FCoE において，FC-2 層以上は変更を加えるこ. い場合もあり，その結果，共有ストレージに直接接. となく，既存の FC を用いることができる．したが. 続されたサーバは，全体のうち一部のみに限られ. って FC のネームサービスやゾーニングなどの管理. ることとなっている．すなわち FCoE を用いれば，. 機能や SAN のアプリケーションをそのまま利用で. 統合によりコストが下げられるだけでなく，機器の. きる．これは FC フレームをイーサネットフレーム. 可用性を上げることができる．さらには FCoE を. にカプセル化することにより実現されている．. 用いた統合でインタフェースやスイッチの数を減ら. 以下ではこのカプセル化がどのように実現されて. すことによる省電力効果も期待されている．. いるか，少々細かく説明する．イーサネット，FC および FCoE のフレームを図 -6 に示す． VLAN 対応のイーサネットフレームは，宛先と. FCoE アーキテクチャ イ ー サ ネ ッ ト と FC， そ し て こ れ を 統 合 し た. 4. TCP UDP. 3. IP 2. MAC. 1. TCP/IP/ over Ethernet. Ethernet. 送信元 MAC アドレス各 6 バイト，VLAN タグ 4. FC-4. FC-4. FC-3. FC-3. FC-2. FC-2. FC-1. FCoE. FC-0. FC. CEE. 2. CEE. 1. MAC. Ethernet. FCoE 図 -5 イーサネットと FC を統合した FCoE のプロトコルスタック. 情報処理 Vol.52 No.6 May 2011. 703.
(5) クラウドを支えるデータストレージ技術 バイト，タイプ／フレーム長フィールド 2 バイト. ための規格が CEE である．CEE は IEEE において，. によりヘッダが構成されている．データの後ろに. DCB（Data Center Bridging）という名前で標準化. はトレーラとして FCS（Frame Check Sequence）. が進められている ．DCB の用途は FCoE だけで. が 4 バイト続く．そして FCoE ではこのデータ部. はないが，FCoE はその上位に載る有力なアプリケ. 分に FC のデータが埋め込まれる．タイプ／フレー. ーションといえる．. ム長フィールドは FCoE を表す 0x8906 となってお. DCB の主要な規格は以下の 3 つである．. り，これにより FCoE フレームであることが識別. ・802.1Qau : Congestion Notification（CN）：輻. できる．データの最大長は 2,112 バイトとなってお. 6）. 輳通知 ・802.1Qaz : Enhanced Transmission Selection. り，ヘッダ等も含めた FCoE フレームは最長 2,148 バイトとなる．したがってジャンボフレームなどに. （ETS）：拡張送信選択 （PFC） ： ・ 802.1Qbb : Priority-based Flow Control. 対応するイーサネット環境が必要になる．. 優先度ベースフロー制御 CN はフレームの転送経路において輻輳が発生し. CEE について FCoE は FC フレームがイーサネットへカプセル. た際に，これを送信元へ知らせて送信レートの制御. 化されているため，FC から見ると下がイーサネッ. を行う．輻輳を検出したスイッチは輻輳通知メッセー. トになっていることは認識できない．しかしながら. ジを送信元へ送り，これを受け取った送信元は，フ. FC はパケットが喪失せず宛先に届くことを前提と. レーム送出を抑制することにより輻輳を緩和させる．. して設計されており （ロスレス） ，パケットロスがあ. ETS ではトラフィックの優先度クラスを設け，. ることを前提にトランスポート層で到達保証を行う. 各クラスの保証帯域を規定してフレームの配信を行. TCP/IP/ over イーサネット環境とは異なる．した. う枠組みである．優先度をプライオリティグループ. がって FC をイーサネット上に載せようとした場合，. に割り当て，LAN や SAN，プロセス間通信など，. ロスレスのイーサネットが必要となってくる．その. 異なる種類のトラフィックをグループごとに区別し. 6. 6. MAC. 4. 2. 46 1500. 4. MAC VLAN. FCS. VLAN. 4. FC. 4. SOF. 6. FCoE. 2112. 24. MAC. CRC. 6. 4. 2. 14. MAC VLAN. 2112. 1522. 4. EOF. 2148. 4. FCS. 2148. FCS : Frame Check Sequence SOF : Start Of Frame EOF : End Of Frame CRC : Cyclic Redundancy Check. 図 -6 イーサネット，FC，FCoE のフレーム. 704 情報処理 Vol.52 No.6 May 2011.
(6) 7.iSCSI と FCoE によるストレージ構築～ストレージネットワークの進化～ うことである．これは技術 が成熟して安定した安価な. NIC. 製品が出てくるかどうかに かかっているであろう．ま. NIC. た性能面で考えると，現在. RL CN. 8Gbps が 主 流 と な っ て い LLFC. CEE. NIC. CN : Congestion Notification LLFC : Link Level Flow Control RL : Rate Limiter. る FC に 対 し，10Gbps イ ーサネットを用いれば物理 的な転送速度は向上するが， FC も 16Gbps へ と 移 行 し. 図 -7 CN と PFC の動作の概念図. 始めたところである．たと えば SSD のような高速ス. て扱うことができる．. トレージが用いられる場合には，接続ネットワーク. PFC はスイッチにおいて輻輳が発生した際に，そ. の速度が性能に直結するため，少しでも速いことが. の 1 つ手前のスイッチまたは端末に対して PAUSE. 求められる可能性がある．さらに，LAN と SAN. フレームを送り，転送を一時的に停止させる．元々. は異なる組織が管理しているようなケースが多いた. 802.3x PAUSE という隣接ノード間でフレーム転送を. め，これらを統合するには組織を変える必要も出て. 一時的に停止させるフロー制御の規格があるのに対し，. くるかもしれない．これらの阻害要因が今後どのよ. これに優先度クラスを対応させて，優先度別にフレー. うに変わっていくかが，FCoE 普及の鍵といえるで. ム転送を一時的に停止できるようにしたものである．. あろう．. フロー制御が行われている様子を図 -7 に示す． LLFC（Link Level Flow Control）は隣接ノード間. のスイッチにより既存の LAN/SAN の枠組みに接. 参考文献 1）RFC 3720 : Internet Small Computer Systems Interface （iSCSI） （http://tools.ietf.org/html/rfc3720）． 2）Open-iSCSI（http://www.open-iscsi.org/）． 3）iSCSI Enterprise Target（http://iscsitarget.sourceforge.net/）． 4）INCITS Working Draft Proposed American National Standard for Information Technology, Fibre Channel Backbone-5（FC-BB-5）Rev. 2.00（http://www.t11.org/ftp/ t11/pub/fc/bb-5/09-056v5.pdf）． 5）INCITS 462 - 2010 , American National Standard, Fibre Channel Backbone-5（FC-BB-5）（http://www.techstreet. com/standards/INCITS/462_2010?product_id=1724386）． 6）Data Center Bridging, IEEE 802 Tutorial（http://www. ieee 802 .org/ 802 _tutorials/ 07 -November/Data-CenterBridging-Tutorial-Nov-2007-v2.pdf）．. 続されるところから進んでいくであろう．FCoE に. （平成 23 年 1 月 22 日受付）. のフロー制御で，PFC により実現される．しかし 深刻な輻輳が発生した場合，PFC だけでは一時的 な対処しかできないため，CN で元栓を絞ることに よって，ロスレスのイーサネットを実現している．. FCoE の発展方向 FCoE の導入は，まず最初に FCoE の CNA をイ ンタフェースに持つサーバが導入され，FCoE 対応. 対応したストレージが導入されて，エンド・ツー・ エンドが FCoE で統合されるようになるまでには，. 小口正人（正会員）■[email protected]. まだ少し時間がかかりそうである．. 平成 2 年慶大・理工・電気卒．平成 7 年東大大学院工学系 研究科電子工学専攻博士課程修了．博士（工学）．学術情報 センター中核的研究機関研究員，東大生産技術研究所特別 研究員，中央大学研究開発機構助教授，お茶の水女子大学 理学部情報科学科助教授を経て，平成 18 年より同教授．ネ ットワークコンピューティング・ミドルウェアに関する研 究に従事．IEEE，ACM，電子情報通信学会各会員．. FCoE による統合のメリットは前述の通りである が，果たして統合は進むのであろうか．統合を阻害 する要因もいくつか考えられる．まずメリットとし て考えられているコスト削減が思惑通り進むかとい. 情報処理 Vol.52 No.6 May 2011. 705.
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