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White Paper
メトロ ネットワークを介したストレージ ネットワーキング
メトロ ネットワークでのストレージ転送の推進要因
Storage-Area Network（SAN; ストレージ エリア ネットワーク）は、効率の向上や Capital Cost（CapEx; 資本コスト）および Operational Cost（OpEx; 運用コスト）の削減が裏付けられるにつれて、急速に普及しています。同時に、最近のできごとから、ディザスタ リカバリ（災害復旧）およびビジネス コンティニュイティの必要性がますます認識されるようになってきました。こうしたトレンドが組み合わされた結果、個々の異なるストレージ「アイランド」を相互に接続する必要性が生じ、特にメトロ トランスポート ネットワークを介した SAN プロトコルの搬送を目的としたトランスポート ソリューションが推進されています。
- 金融サービス-混乱が発生した当日のうちに、重要な機能を復旧するようにブローカーやディーラー機関に要求する規制。また、この規制によって別の送電系統上にバックアップ用のデータ センターを設けることが義務づけられ、プライマリ サイトとバックアップ サイト間は 200 ～ 300 km（120 ～ 180 マイル）離すことが推奨されています。
- 医療-米国の Health Insurance Portability and Accountability Act（HIPAA; 医療保険の携行性と責任に関する法律）規制は、支払人、プロバイダー、および手形交換所（保険組織）に関するもので、アクセスの保護、伝送および個人の保険情報の保持を確保するためのセキュリティ ポリシーと手順について定めています。
- 生命科学産業と製薬業界-バイオ テクノロジー、医療機器、飲食料品業など、関連するさまざまなタイプの企業に対する規制。これらの規約では、文書やマニュアル システムの代わりに電子システムや電子記録を使用することが記述され、保持しなければならない記録の種類が規定されています。
- 政府-米国の Department of Defense（DoD; 国防総省）規制は、DoD 内のすべての機関に関するもので、記録の管理に実装できるアプリケーションやテクノロジー ソリューションを認可しています。
2. ダウンタイムのコスト-[2] では、1 時間あたりのダウンタイムが、企業に何百万ドルもの損失をもたらすことを示しています。たとえば、ダウンタイムが 1 時間発生すると、金融ブローカーには平均 650 万ドル、クレジット カードの認証企業には 260 万ドルの損失が発生します。このため、2 つの対処方法が生み出されました。
3. IT インフラストラクチャを合理化するためのストレージ アイランドの接続
- SAN を中央集中化させると、ある場所ではリソースが過剰に使用され、別の場所では十分に使用されないということが発生しなくなり、一括保存が行われるためストレージの効率が向上します。
- SAN を中央集中化させると、運用コストも減少します-ストレージ システムを統合すると、モニタリング、バックアップ、複製、およびプロビジョニングを行うための管理ポイントが簡素化できるため、管理者が管理できる 1 秒あたりのテラバイト数が上昇します。たとえば [3] では、3 年間の SAN ネットワークの Total Cost of Ownership（TCO; 総所有コスト）が、1 MG のユーザ データあたり 0.38 ドルであるのに対し、従来の非ネットワーク ストレージ（direct-attached storage（DAS; 直接接続ストレージ））の TCO が 1 MG あたり 0.84 ドルであることを示しています。
これでストレージ ネットワーキングの背後にある誘因の概略について説明が終了しました。以降はストレージ アプリケーション レベルからストレージ プロトコルやその要件まで、構造型アプローチについて説明します。次に、これらのプロトコルがトランスポート層を介してどのように転送されるかを検証した後、Cisco SL シリーズがソリューションにどのように適合するかを検証します。
アプリケーションとプロトコル
前述の誘因により、サーバとストレージ システムの接続、サーバとほかのサーバの接続、またはストレージ システムと別のストレージ システムの接続のいずれかにより、異なる場所に SAN が拡張されるようになりました。複数の場所を介して SAN の透過的な運用を円滑にする主要なストレージ アプリケーションは、2 つに分類することができます。
1. プライマリ サイトとバックアップ サイト間のストレージの複製（ミラーリング）-これは、EMC Symmetrix ストレージ アレイ上で実行されている EMC 社の Symmetrix Remote Data Facility（SRDF）、EMC 社の Clarion ストレージ アレイ上で実行されている Mirrorview と呼ばれるミッドレンジ ソリューション、IBM 社の Peer-to-Peer Remote Copy（PPRC）と Extended Remote Copy（XRC）、Hitachi Data Systems（HDS）社の TrueCopy、Compaq 社の Data Replication Manager（DRM）などによって実現されます。
2. ゼロ ダウンタイムのサーバ アーキテクチャ-このアプリケーションの代表例は、IBM の Geographically Dispersed Parallel Sysplex（GDPS）です。このアプリケーションは、サーバ間通信、複数システム間の調整、クラスタ間のデータ共有、各種のコンポーネント間のクロック同期を提供するタイマー リンクなど、基本的なストレージ複製機能を超えた複数の個別機能とプロトコルから構成されています。詳細は [4] を参照してください。
上記の接続の実装に使用される、さまざまな SAN プロトコルを次に示します。
1. ファイバ チャネル-サーバとストレージ間の接続、データ複製、およびそのほかのアプリケーション用に使用されるより高レベルの一連のプロトコルを介して、さまざまなストレージ コンポーネントを確実に接続するシリアル I/O プロトコル用に、ANSI が開発した一連の標準規格。
2. Enterprise System Connection（ESCON）-メインフレームをさまざまな制御ユニットへ動的に接続するために使用される、200 Mbps の単方向シリアル プロトコル（GDPS の要素としても動作します）です。
3. Fiber Connection（FICON）は、メインフレームを制御ユニットまたは ESCON の集約スイッチに直接接続するために使用される、次世代の双方向チャネル プロトコルです。FICON は、転送面から見た場合、ファイバ チャネルと互換性があります（これは FICON にも当てはまります）。
4. 上記プロトコルほど普及していないそのほかのタイプのプロトコル（このため、本書では取り上げません）。このようなプロトコルの一例が internet Small Computer System Interface（iSCSI）です。このプロトコルでは、IP ネットワークを経由してコンピュータをストレージ デバイスに接続することが可能で、TCP/IP を介して直接 SCSI ブロックを転送します。そのほかの重要なプロトコルとしては、上記の GDPS アーキテクチャの一部である、InterSystem Coupling（ISC）、External Time Reference（ETR）、Control Local Oscillator（CLO）などがあります。
本書では、SAN のプロトコルとして現在最も急速にシェアを拡大しているファイバ チャネルおよび FICON の転送を中心に説明します。
ネットワークを経由したファイバ チャネルの転送に影響を及ぼす主な要因の 1 つは、遅延です。許容可能な遅延は、ストレージ アプリケーションのタイプによって決まり、通常 2 種類のバケットのいずれかに分類されます。
同期モードの場合、プライマリとセカンダリの間で、データのコピー、検証、および確定が同時に行われます。同期アプリケーションでは、「書き込み」操作シーケンスが発生するごとに、確認応答が返される必要があります。信頼性は非常に高いのですが、高い信頼性が確保できる代わりに、セカンダリ ディスクが「同期を取っている」間、アプリケーションは待機状態となることがあります。
書き込み操作は距離とリモート ディスクの処理速度に応じて、最大、数マイクロ秒かかることがあります。距離が伸びるほどラウンドトリップ遅延が増加するため、アプリケーションのパフォーマンスとスループットは低下します。図 1 に、データの同期複製の操作ステージを示します。
図 1
同期データ複製
非同期アプリケーションは通常の場合、ラウンドトリップ遅延の影響をあまり受けません。非同期モードの場合、プライマリとセカンダリ間でデータがコピーされますが、プライマリ システムとセカンダリ システム間で確定は個別に行われます。超長距離間でも、アプリケーションのパフォーマンスは同期モードほど影響を受けません。図 2 に、データの非同期複製の操作を示します。
図 2
非同期データ複製
ほとんどのデータ複製方式は、この 2 つのカテゴリに当てはまりますが、これらのカテゴリに当てはまらないアプリケーションもあります。たとえば、GDPS は同期にも非同期にも分類できません。また EMC には、通常は非同期で動作し、バックログが非常に大きい場合はアプリケーションの速度を遅くするために同期モードに切り替わる、SRDF のハイブリッド モードがあります。
メトロ ネットワークを介したストレージ転送用オプション
転送用に複数のメカニズムがあり、その適用範囲は次の要因によって決定されます。
1. 遅延に対するアプリケーションの影響度-特に同期複製と非同期複製の場合（上記参照）。
2. 距離-伝搬遅延により、遅延に影響されやすいアプリケーションは影響を受けます。
3. カスタマー サイトにおけるサービス アベイラビリティ-サービス プロバイダーは、ダーク ファイバ、SONET/SDH 専用回線、「直接」Fibre Channel over SONET/SDH サービス、ギガビット イーサネット「専用回線」サービス、または IP サービスを提供します。
4. 必要な帯域幅-帯域幅の要求が高くなるほど、トランスポート層内の低いレイヤを経由したファイバ チャネルの転送が有効になります。
1. 専用ファイバーを介したファイバ チャネル-ファイバ チャネルは、大規模な通信事業者のネットワークに属さない、個別のネットワークを経由して転送されます。
2. Fibre Channel over Wavelength-ファイバ チャネルは異なる波長上のほかのサービスとともに、Dense Wavelength-Division Multiplexing（DWDM; 高密度波長分割多重）または Coarse Wavelength-Division Multiplexing（CWDM; 低密度多重分割）ネットワークの一部として、個別の波長を介して転送されます。マックスポンダー デバイスを使って、電気的に多重化することも可能です。
3. Fibre Channel over SONET/SDH（FCoS）-ファイバ チャネルは転送効率を向上させるため、Virtual Concatenation（VCAT）を使用して、DS-3、STS-n、または直接ファイバ チャネル サービスを介して転送されます。次にこのサービスでは、SONET/SDH ネットワークを介して交換と多重化が行われます。
4. Fibre Channel over Gigabit Ethernet-これは、Fibre Channel over IP（FCIP）の一例であり、IP ネットワークは 1 組のカスタマー サイト間のポイントツーポイント ギガビット イーサネット サービスとなります。
5. スイッチ IP を介したファイバ チャネル-これは FCIP の別の例であり、サービスはスイッチド IP ネットワークを経由して転送されるため、専用の転送サービスを使用しません。
こうしたファイバ チャネルを転送するためのさまざまな手段を、表 1 に示します。
表 1 ファイバ チャネル転送の選択肢
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転送オプションの選択は、サービス プロバイダーがカスタマーに提供できる使用可能なサービスと価格によって決定されます。特定のソリューションの実現可能性は、アプリケーションが許容可能な遅延と、特定の転送テクノロジーによって発生する遅延によって決定されます（図 3）。図 3 では、同期アプリケーションで許容可能な最大遅延（約 500 マイクロ秒）について検討します。また、ノードにおける処理遅延と、ファイバ内に発生する伝搬遅延の間で、その許容遅延がどのように分割されるかを示します。処理遅延は、信号が移動しなければならない転送ノードの数（各ノードは Y 軸の青い点で表示）と、トランスポート層を介するファイバ チャネルの適合（赤い点で表示）によって決定されます。図 3 では、異なるテクノロジーの異なる遅延について想定しています。たとえば、FCoS を適用すると通常 25 マイクロ秒かかるのに対し、中継ノードでの処理に必要な時間は 10 マイクロ秒かかります。したがって、必要な処理が増えると、ファイバ伝搬用に残される遅延は少なくなります。
図 3
遅延に起因するファイバ チャネル転送の選択肢の適用性（単方向のみを想定）
ラウンドトリップ遅延の制限を克服するため、2 種類の技法が導入されました。
1. 大きなバッファ間クレジット-ファイバ チャネルには、バッファ間クレジットをベースとしたフロー制御メカニズムが組み込まれています。このメカニズムは、ラウンドトリップ遅延に影響されます。ラウンドトリップ遅延は、ファイバ チャネル フレームの受信側からの確認応答が遅れることを意味し、結果として発信元でフレームを転送する能力が遅くなり、スループットの効率が低下するためです。この現象を「ドルーピング」と呼びます。多数のバッファ間クレジットがサポートされているシステムでは、確認応答の待機状態になる前に、より多くのフレームを送信することができます。その結果、超長距離接続の場合のみドルーピングが発生します。
2. 確認応答のスプーフィング-遠隔側の SAN 機器により、ファイバ チャネルの確認応答が生成されるのを待つ代わりに、転送機器がこの確認応答を生成する場合、ファイバ チャネル プロトコルが効率化され、距離の影響を受けにくくなります。そのためには、遠隔 SAN 機器が輻輳によってファイバ チャネル フレームを受信できなくなる場合に備え、「転送中の」ファイバ チャネル フレームを保存するバッファ機能を転送機器に搭載する必要があります。
どちらの技法を使っても、伝搬遅延の影響を完全に取り除くことはできません。これは、ファイバ チャネル データ転送の前と後で、より高いレベルのプロトコル（HP の DRM プロトコルなど）が依然として応答しなければならないためです。
エンドツーエンドのストレージ ネットワーキング ソリューション
ここでは、シスコシステムズが一般的なストレージ ネットワーキングにどのように対処しているか、および Cisco SL シリーズが包括的なソリューション分野にどのように適合するかについて説明します。
図 4 に示すように、一般的なソリューションは 4 つの要素をベースとしています。
2. トランスポート：メトロ ネットワークを介したさまざまなトランスポート機器
3. コア：通信局舎のさまざまなスイッチング ソリューション（MSSP、Cisco Catalyst® ファミリ）
4. オープン インターフェイス：ストレージ ベンダー（IBM、EMC など）と、電気通信機構（たとえば NEBS、OSMINE など）の認証
図 4
エンドツーエンドのストレージ ネットワーキング ソリューション
ほかのベンダーが一般的に提供するものは、純粋な転送ソリューションまたはファイバ チャネル スイッチ、あるいはファイバ チャネル拡張デバイスのどれかであるように、複雑なパズルの 1 ピースに過ぎないのに対し、シスコは包括的なストレージ転送ソリューションを提供します。
シスコはこの問題に唯一の最高のソリューションというものは存在しないということを認識し、表 2 に示すような異なるプラットフォームにまたがる包括的なネットワーク管理ソリューションに加え、さまざまな機器オプションにより、アプリケーション分野に対処しています。
表 2 ファイバ チャネル転送分野のカバレッジ
シスコのアプローチの最大の真価は、特に同期複製の場合のような非常に要求が厳しい環境におけるネットワーク全体にわたり、相互運用性を保証できることです。たとえば、多くのギガビット イーサネットのオプションでは、いくつかの SAN アプリケーションにより生成される大きなフレーム（「ジャンボ フレーム」と呼ばれる）に対して低遅延の適応はサポートされていませんが、Cisco G シリーズおよび ML シリーズのカードはこうしたアプリケーションを念頭に設計されました。
- サービス プロバイダーが既存の MSPP プラットフォーム上でネイティブなファイバ チャネル サービスや統合管理サービスを提供できる、シングルボックス ファイバ チャネル転送ソリューション（競合他社の多くは、2 つのボックス ソリューション（ファイバ チャネル エクステンダと SONET/SDH ADM）が必要）
- Cisco ONS 15454 MSPP および MSTP トランスポート ファミリによる、キャリア クラスの堅牢性（NEBS、OSMINE 認証も同様）
- Cisco MDS 9000 シリーズのファイバ チャネル スイッチは、ファイバ チャネル スイッチの進化の次の段階を示すものです。その利点の多くは、この文書の [6] の範囲を超えていますが、そのうちのいくつかを次に紹介します。
SL シリーズの導入
Cisco SL シリーズ カード（Cisco ONS 15454 ファイバ チャネル MR-4）は、それぞれが 1.0625 Gbps または 2.125 Gbps のファイバ チャネルおよび FICON をサポートしている 4 個のクライアント ポートを装備したシングル スロット カードです。このカードでは、クライアント インターフェイスにプラグイン可能な GBIC 光モジュールが使用されているため、ユーザの柔軟性が向上し、拡張に応じたコストしかかかりません。クライアント インターフェイスからのペイロードは、GFP-T カプセル化により、SONET/SDH ペイロードに直接マッピングされます。このペイロードは次にシステムの光トランク インターフェイス（OC-192 まで）に相互接続され、他のサービスとともに、他のネットワーク エレメントに転送されます。
この新しいカードは、ソリューション スペースの転送カテゴリにある Fibre Channel over Wavelength と Fibre Channel over SONET の溝を埋めるものです（表 2 の強調表示されたセルを参照）。このカードにより、シスコはファイバ チャネルの転送スペースを 100 % カバーできるだけでなく、メトロポリタン ネットワーク、地域ネットワーク、およびワイドエリア ネットワークのデータ センターおよびエンタープライズ ストレージ ネットワーキング ソリューションをエンドツーエンドにカバーします。
このカードは、すでに数多くの通信事業者が展開している既存の Cisco ONS 15454 シャーシに挿入でき、同じ管理方法で包括的に管理されます。このため、このカードを導入しても大きな CapEx や OpEx 投資は発生せず、むしろ通信事業者が提供できるサービスは進化したと言えるほど拡張されます。これは「改革ではなく進化」というシスコの Optical Networking Group（ONG）のビジョンに沿っています。
SL シリーズは他にも次のような方法で、カスタマーの投資を保護します。
- ネットワーク要素のスイッチ マトリックスなど、コストがかかる MSPP のコンポーネントのアップグレードは不要です。
- MSPP への統合により、カードは他のプラットフォームと同じインフラストラクチャによって管理とアップグレードが可能になるため、OpEx が合理化されます。たとえば、各ソフトウェア ロードでは転送機能とデータ機能がサポートされているため、発注、インストレーション、およびアップグレードに関して迷わずにすみます。
- SL シリーズは、サブレート機能や VCAT など、将来の拡張を念頭に設計されています。こうした拡張機能により、SONET/SDH 帯域幅の使用が最適化されるだけでなく、サービス プロバイダーは 50 Mbps 単位でファイバ チャネル サービスを提供できます。
- SL シリーズでは将来のデータ圧縮がサポートされるため、トランスポート層における帯域幅の一層の最適化が可能となり、その結果、同じインフラストラクチャでより多くのサービスをサポートできます。
- さらに、R_RDY スプーフィングによる距離拡張機能が将来導入されると、Cisco SL シリーズは統合ファイバ チャネルの拡張デバイスとして動作するため、外部 SAN 拡張デバイスは不要となります。
TDM、イーサネット、そして現在はストレージと、Cisco ONS 14545 MSPP の伝統に従い、Cisco SL シリーズは FCoS に対するビットレートと密度に関して、業界をリードしています。
1. SL シリーズでは、低遅延 GFP-T マッピングに対応した 1 Gbps および 2 Gbps のファイバ チャネルがサポートされているため、カスタマーは 1 Gbps ファイバ チャネルを越えて拡大できます。
2. SL シリーズは、単一ネットワーク要素内の保護された SONET/SDH 転送ネットワークを介して、業界最高のファイバ チャネル密度をサポートしています-4F-BLSR OC-192、二重の 2F-BLSR/UPSR OC-192 など、完全に保護された転送ネットワークを経由した、単一シェルフ上の 16 個のラインレート ファイバ チャネル。
注： 当社最大のライバル企業も 16 個のラインレート ファイバ チャネル ポートを同一の単一シェルフ上で実現していますが、保護転送の場合、単一シェルフから 8 個のラインレート ファイバ チャネルしか転送できません。これは OC-192 ライン インターフェイス（すなわち 2F-BLSR OC-192 および UPSR OC-192）のサポートが制限付きであるためです。
要約
ストレージ ネットワーキングは、コスト関連の理由に加え、規制のために増加しています[5]。メトロ ネットワークと地域ネットワークを介して効率的にファイバ チャネルを転送する機能は、ストレージ ネットワーキングを実現する主要な要因です。Cisco SL シリーズを導入すると、通信事業者は遍在する Cisco ONS 15454 MSPP プラットフォームを使用して、SONET/SDH（FCoS）を介した統合型の SAN 拡張ソリューションを提供できます。このため、非統合型ソリューションと比べて、資本コストや運用コストを合理化することができます。シスコは、業界をリードするファイバ チャネル スイッチとファイバ チャネル転送を組み合わせ、エンドツーエンドのファイバ チャネル ネットワーキング ソリューションを提供するという点で、独自の地位を占めています。
1. 柔軟性が高いトリビュタリとライン レート-同一カード上の 1 Gbps および 2 Gbps インターフェイス
2. 透過的な GFP マッピングによる、SONET/SDH を介した低遅延のファイバ チャネルの適応
3. コンパクトな設計-シングル幅のカード スロットに最大 4 個のファイバ チャネル プラグイン可能な（GBIC）インターフェイス（現在そのうちの 2 個がアクティブ）、およびシェルフ アセンブリごとに最大 8 個の SL シリーズ カード を装備可能
4. 柔軟性が高い光プロテクション オプション-UPSR/SNCP、2F- および 4F-BLSR/MS-SPRing、PPMN、および非プロテクション（0+1）
5. ネットワーク アーキテクチャの柔軟性-リング、相互接続された複数のリング、同一ネットワーク要素内にオプションの DWDM 層を持つリニア ADM
このプラットフォームでは、密度の増加（1 つのカードにつき 4 個のファイバ チャネル インターフェイス）、距離の延長、VCAT による 50 Mbps 単位のサブレート、データ圧縮など、将来のサポートに備えたスムーズな進化のパスをサポートします。現在競合状態にあるオファリングについて現在わかっていることを踏まえて、シスコはこのプラットフォームが規制対象および規制対象にないカスタマーとアプリケーションの両方に対して、クラス最高の製品であることが最終的に実証されると考えています。
参考文献
[1] 『Compliance:The effect on information management and the storage industry』; ESG Impact Report; 2003 年 5 月
[2] 『Business Continuity When Disaster Strikes』; Fibre Channel Industry Association;
http://www.fibrechannel.org で「When Disaster Strikes」を検索
[3] 『The Storage Report-Customer Perspectives & Industry Evolution』; McKinsey & Co. and Merrill Lynch; 2001 年 6 月
[4] 『IBM @ server zSeries Connectivity Handbook』; http://www.ibm.com/ で「zSeries Connectivity Handbook」を検索
[5] 『Cisco Storage Networking Solution-The Strategic and Financial Justification of SANs White Paper』; http://www.cisco.com で「justification of SAN」を検索
[6] 『Cisco MDS 9000 Family Overview』; http://www.cisco.com で「MDS 9000 Family Overview」を検索