NVMe是Non-Volatile Memory express(非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范)的簡(jiǎn)稱，它是一種協(xié)議，能夠使固態(tài)硬盤(pán)(SSD)運(yùn)行得更快，如今在企業(yè)用戶中已越來(lái)越流行。

理解什么是NVMe的最簡(jiǎn)單的方法就是打個(gè)比方——假設(shè)你剛買(mǎi)了一輛跑車(chē)，速度能達(dá)到400公里每小時(shí)，是你以前那輛老汽車(chē)的3到4倍。唯一的問(wèn)題是，普通的道路是無(wú)法允許以這樣的速度行駛的，而且一般城市道路限速幾十公里每小時(shí)，往往還得考慮車(chē)流的問(wèn)題。如果你想要讓跑車(chē)更快，就需要換一條路開(kāi)。

[[244716]]

這個(gè)場(chǎng)景有點(diǎn)像制造商推出基于閃存技術(shù)的SSD之后，存儲(chǔ)行業(yè)的情況。閃存技術(shù)比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)快很多倍(快多少倍取決于你使用的設(shè)備)，但是早期的設(shè)備都使用與硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器相同的SATA或SAS連接到系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。雖然這些接口對(duì)于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)所能提供的性能來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但是它們?yōu)镾SD帶來(lái)了瓶頸。這對(duì)于企業(yè)大數(shù)據(jù)分析和其他數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載來(lái)說(shuō)，尤其是個(gè)問(wèn)題。

這些性能問(wèn)題促使人們尋找更好的方式將SSD連接到服務(wù)器，這正NVMe的用武之地。

1、什么是NVMe?

NVMe協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由NVM Express公司監(jiān)管，這是一個(gè)由100多個(gè)組織組成的聯(lián)盟，這些組織致力于開(kāi)發(fā)更快的協(xié)議以提高非易失性存儲(chǔ)的性能。該組織由一個(gè)13家公司組成的董事會(huì)領(lǐng)導(dǎo)，其中包括Cavium、Cisco、Dell EMC、Facebook、英特爾、Micron、Microsemi、微軟、NetApp、三星、希捷、東芝內(nèi)存和Western Digital。

HDD能達(dá)到的***理論速度，與SATA、NVMe***提供的理論速度對(duì)比

NVMe的官方定義將其描述為“一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)和信息集合，以充分釋放非易失性存儲(chǔ)在從移動(dòng)端到數(shù)據(jù)中心的所有類型的計(jì)算環(huán)境中能夠提供的優(yōu)勢(shì)。NVMe從底層開(kāi)始設(shè)計(jì)，為當(dāng)前和未來(lái)的NVM技術(shù)提供高帶寬和低延遲存儲(chǔ)訪問(wèn)。”

NVMe是通過(guò)PCI Express總線將存儲(chǔ)連接到服務(wù)器的接口規(guī)范，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，使SSD與主機(jī)系統(tǒng)通信的速度更快。它有助于緩解閃存通過(guò)最初為HDD設(shè)計(jì)的SAS或SATA連接到系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的瓶頸。

2、NVMe的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于SATA或SAS

NVMe控制器通過(guò)幾種不同的方式提高性能。一種是使用PCIe總線，它將存儲(chǔ)直接連接到系統(tǒng)CPU。這種直接連接消除了SATA的一些必要步驟，并提高了整體性能。

此外，NVMe SSD在很大程度上實(shí)現(xiàn)了并行性，極大地提高了吞吐量。當(dāng)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)傳輸?shù)椒?wù)器主機(jī)時(shí)，它會(huì)進(jìn)入一行或隊(duì)列。傳統(tǒng)的SATA連接只能支持一個(gè)隊(duì)列，一次只能接收32條數(shù)據(jù)。再回到車(chē)的類比上，這就像只有一條車(chē)道的車(chē)流可以容納32輛車(chē)。

而NVMe存儲(chǔ)支持最多64000個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列有64000個(gè)條目。換句話說(shuō)，這就像從一條單行道走到一條6.4萬(wàn)車(chē)道的路上，每條車(chē)道都能容納6.4萬(wàn)輛汽車(chē)，這對(duì)整體表現(xiàn)產(chǎn)生了巨大的影響。

正如我們的類比中說(shuō)城市道路一般限速在幾十公里每小時(shí)一樣，SATA和SAS連接也有速度限制。對(duì)于SATA，理論***傳輸速度為6.0 Gbps(在實(shí)踐中，***傳輸速度要低得多)。這就相當(dāng)于給SATA SSD的運(yùn)行速度設(shè)定了上限。超過(guò)一定限度，使用再快的閃存對(duì)系統(tǒng)的整體性能沒(méi)有影響，因?yàn)镾ATA連接會(huì)造成瓶頸。

對(duì)于大多數(shù)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，SATA SSD提供了足夠的性能來(lái)完成日常工作。而且由于SATA SSD比NVMe SSD便宜，大多數(shù)消費(fèi)者級(jí)別的固態(tài)存儲(chǔ)仍然使用SATA接口。

然而，企業(yè)處理的數(shù)據(jù)通常比消費(fèi)者多得多，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，SATA連接帶來(lái)的延遲可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。

英特爾750系列是支持NVMe技術(shù)的固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)品之一

3、只有SSD運(yùn)行在NVMe上

因?yàn)镹VMe驅(qū)動(dòng)器要比SATA快得多，所以將NVMe與HDD放在一起使用來(lái)提高性能似乎是個(gè)好主意。但是請(qǐng)記住，NVMe代表非易失性存儲(chǔ)接口規(guī)范，它是專門(mén)為NAND 閃存等非易失性存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的(盡管它也可以用于較新的非易失性內(nèi)存，比如3D XPoint)。

當(dāng)系統(tǒng)從HDD讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它一次只能讀取一塊數(shù)據(jù)。因?yàn)樗仨氝M(jìn)行旋轉(zhuǎn)以定位到***個(gè)數(shù)據(jù)塊的正確物理位置，然后再次旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)到第二個(gè)數(shù)據(jù)塊的正確位置，以此類推。另一方面，閃存和其他非易失性存儲(chǔ)技術(shù)沒(méi)有移動(dòng)部件。這意味著系統(tǒng)可以同時(shí)從許多不同的位置讀取數(shù)據(jù)。這就是為什么SSD可以利用NVMe提供的并行性，而HDD不能。

4、PCIe和NVMe有關(guān)系，但它們不是同一個(gè)東西

對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，NVMe最令人困惑的部分是它與PCIe的關(guān)系。一些廠商使用NVMe作為標(biāo)簽來(lái)指代他們的SSD，另外一些廠商則使用PCIe標(biāo)簽，還有一些廠商似乎可以互換使用這些術(shù)語(yǔ)。

雖然PCIe和NVMe密切相關(guān)，但兩個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是略有不同的技術(shù)?？梢詫CIe看作是系統(tǒng)的物理部分。當(dāng)您將一個(gè)NVMe SSD插入服務(wù)器時(shí)，您需要通過(guò)一個(gè)PCIe插槽連接它。

相比之下，NVMe是一種協(xié)議，是一組允許SSD使用PCIe總線的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)?？梢赃@么說(shuō)，NVMe是允許存儲(chǔ)設(shè)備與服務(wù)器連接的語(yǔ)言，而PCIe是實(shí)際的物理連接。

5、NVMe-oF連接SSD到網(wǎng)絡(luò)

本文主要關(guān)注的是標(biāo)準(zhǔn)的NVMe，它將SSD直接連接到服務(wù)器，但是NVM Express組織也發(fā)布了NVMe over Fabric (NVMe- oF)的規(guī)范，它將用于塊存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)連接到網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)該組織的說(shuō)法，“NVMe- oF定義了一個(gè)通用架構(gòu)，它支持一系列存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上的NVMe塊存儲(chǔ)協(xié)議。”這包括在存儲(chǔ)系統(tǒng)中啟用前端接口，擴(kuò)展到大量NVMe設(shè)備，并在數(shù)據(jù)中心內(nèi)延長(zhǎng)NVMe設(shè)備和NVMe子系統(tǒng)可訪問(wèn)的距離。

NVMe-oF規(guī)范與NVMe規(guī)范有大約90%的相同;然而，它確實(shí)使用了一種不同的傳輸映射機(jī)制。NVME-oF也有兩種不同的變體:一種用于RDMA，另一種用于光纖通道。

NVMe-oF規(guī)范也比NVMe規(guī)范新得多，盡管一些廠商已經(jīng)宣布支持這項(xiàng)技術(shù)，但實(shí)際上很少有廠商銷售NVMe的產(chǎn)品。期待這種技術(shù)在未來(lái)幾年變得更加普遍。