NPIV - 連線虛擬機器與儲存的橋樑
NPIV - 連線虛擬機器與儲存的橋樑
2012年07月01日 00:25:05jewes閱讀數：14447最近工作的專案和NPIV相關，於是花了點時間學習了一下NPIV，簡單總結了一下，望高手指正。
解決什麼問題
我們知道在儲存區域網路（SAN：storage area network），主機（Host）能夠訪問後端儲存（比如CLARiiON，VNX）必備的一個前提是主機必須配備HBA卡（Host Bus Adapter）。在沒有虛擬化之前，每臺物理主機自己配備HBA卡是無可厚非的事情。但是，在虛擬化流行的今天，怎麼在不新增新的HBA卡的前提下把後端儲存分配給執行在物理主機上的虛擬機器呢？
目前一般的做法是物理主機配備了HBA卡後，具備了訪問後端儲存的能力。後端儲存把LUN分配給物理主機（在物理主機上表現為一塊新的硬碟），物理主機再把空間分配給執行在上面的虛擬機器。從後端儲存的角度來看，它只知道哪些LUN分配給了物理主機（比如ESXServer或者Hyper-V Server），它並不知道哪些LUN是分配給了虛擬機器。所以，從儲存管理的角度來看，其管理粒度就只能到物理主機，無法到虛擬主機了。
我們需要解決的問題是，如何把後端儲存的LUN通過FC的方式直接分配給虛擬機器，使得後端儲存知道哪些LUN是給哪個虛擬機器。本文介紹的NPIV就是其中的一個解決方案。
注：本文只討論如何把LUN通過FC分配給虛擬機器。目前，通過iSCSI是可以把LUN直接分配給虛擬機器了，只是iSCSI的效能不如FC。
如何解決
解決這個問題，我們得先了解FC是如何工作的。在資料中心裡，主機通常是通過FC交換機與後端儲存連線，這樣後端儲存就能同時為很多主機服務了。
組建FC網路有兩種方式：
- FC-AL，類似於以太網裡面的令牌環網路，匯流排是被連線在網路中的裝置共享的。
- Fabric，類似於以太網裡面的全交換網路。
這裡我們只討論Fabric結構的網路。
如何理解Fabric網路
可以把Fabric網路認為是一個有很多FC交換機互聯在一起的網路，每個交換機上除了用來與其它交換機級聯的口之外，其它口都是用來連線主機或者後端儲存裝置（這裡做了簡化，有些口是做別的用途的）。在這個網路中，任意交換機的任意兩個埠都能直接通訊，因此如果某個裝置想與網路中另外一個裝置通訊，只要知道目標裝置位於哪個交換機的哪個埠。
當然，實際的情況是，每個連線在Fabric網路中的裝置都將獲得一個有FC交換機分配給該裝置的Fabric ID，用來表示該裝置在Fabric網路的位置。Fabric ID長度為24位，可以分成3段，長度分別為8位，分別是DomainID，Area ID和PortID。
- Domain ID 是用來區分Fabric網路中的交換機。因此，一個交換機上所有的埠的DomainID都是一樣的。
- Area ID是用來區分同一交換機上的不同埠組。每個FC介面都會由一塊晶片來管理，處於同一塊晶片管理的埠唯一同一Area，因此具有同樣的AreaID。
- Port ID 就是埠的ID。
如何獲得FabricID
連線在Fabric網路中的裝置是通過FabricID來定址目標裝置的。那麼連線在Fabric網路的裝置是如何獲得一個FabricID呢？
在主機與交換機的連線中，主機方的口叫做N口（Node），位於主機的HBA卡上，一個HBA卡可以有1個或者多個埠。交換機上的口叫做F口（Fabric）。
FC協議是通過WWN（WorldWide Name）來唯一標示裝置和埠的。具體到HBA卡上，HBA卡上有兩種WWN，分別是：WWNN（WorldWide Node Name）和WWPN（WorldWide Port Name）。通常來講一個HBA卡只有一個WWNN，HBA卡上每個埠都有WWPN來唯一標示該埠。
當某個埠接入到Fabric網路中，該埠會發起一個登入到Fabric網路中的動作，其中包含該埠的WWPN，FC交換機會返回一個FabricID 給該埠，這個動作叫做FLOGIN。一旦該裝置獲得了FabricID後，它就相當於在Fabric網路中有了個座位，以後別的裝置要傳送訊息給該裝置，只要告訴FC交換機其FabricID就行了。
NPIV 終於出場了
做了那麼多鋪墊，現在來回顧一下我們要解決的問題，“如何把後端儲存上的LUN分配給虛擬機器”。根據上面關於Fabric的介紹，一個裝置要想連線到Fabric網路中，首先要通過FLOGIN（其中包含自己的WWPN）註冊到Fabric網路中，然後FC交換機將一個可用的FabricID分配給該裝置。
為了實現把LUN分配給虛擬機器，虛擬機器必須要有自己的FabricID，因此必須要實現下面兩點：
- 虛擬機器上得有個”虛擬HBA卡”，提供WWNN和WWPN，這樣才能登入到Fabric網路。
- FC交換機得為通過同一個HBA卡連線到的Fabric網路的這些虛擬HBA卡提供不同的Fabric ID。
NPIV的全稱是N-PortID Virtualization, N-Port ID也就是N埠登入到Fabric網路後獲得的FabricID。NPIV一種在主機端的技術，使得主機端的物理HBA卡上N埠可以虛擬出多個WWPN，這樣主機上物理的HBA卡能在把自己的WWPN註冊到Fabric網路中以後，再把虛擬的WWPN也註冊到網路中（註冊的動作是FDISC，功能與FLOGI一樣，只是名字不一樣。），從而一個N埠上獲得多個N-PortID，所以這個技術叫做NPIV。它解決了上述兩點中的第一點。
上述第二點說明NPIV需要交換機的支援。
Windows 8 Server 中的NPIV配置
在即將釋出的Windows8 Server的Hyper-V中已經提供了對NPIV的支援。使用者可以在通過Hyper-V建立為虛擬機器建立虛擬HBA卡，併為其分配WWNN和WWPN。具體步驟為：
1. 建立Virtual SAN
假設執行Windows8的物理機器有兩塊HBA卡，分別連線在兩個不同的SAN，比如HBA1連線到用於生產的ProductionSAN，HBA2連線到用於測試的TestSAN。執行在Windows8 Hyper-V上的虛擬機器訪問SAN的範圍不能超過物理HBA卡訪問SAN的範圍。
建立VirtualSAN是對物理HBA的SAN的訪問範圍的細分，從而讓某些虛擬機器只能訪問ProductionSAN，某些虛擬機器只能訪問TestSAN。
如下圖，我們定義了一個NPIVtest SAN (2E)，其中指定了WWPN以2E結尾的物理HBA卡，這樣連線到這個虛擬SAN的虛擬機器就只能訪問到VirtualSAN裡面指定的HBA卡能訪問到的那些SAN。
2. 為虛擬機器建立Virtual FC Adapter，一個虛擬機器可以最多建立4個虛擬的VirtualFC Adapter，每個Adapter可以與一個VirtualSAN相連線。
3. 在Virtual FC Adapter上建立虛擬的WWPN。目前Hyper-V中所有預設的Virtual FC Adapter的WWNN都是一樣的，當然也可以修改，這也說明WWNN不是那麼重要。
上述配置都是在虛擬機器處於關機的狀態下配置，配置好後開機，把對應的WWPN與後端儲存放到一個Zone裡面，然後就可以像物理機器一樣，為之分配LUN了。
注意：NPIV需要作業系統，HBA卡，光纖交換機都提供對NPIV的支援，環境配置相對複雜。這裡只是展示了在NPIV環境搭建好的基礎上，如何為虛擬機器建立虛擬的HBA卡和分配WWPN。
小結
本文簡要介紹了一下FCFabric網路的一些基礎知識，然後分析了實現把LUN分配給虛擬機器所需要的條件，簡要介紹了NPIV，並以即將釋出的Windows8 Server為例子，展示瞭如何配置為虛擬機器配置NPIV。