?過去，網(wǎng)絡(luò)只要升級至 10Gb、40Gb 和 100Gb 以太網(wǎng)，就足以滿足存儲系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)需求了。但現(xiàn)如今，隨著超快固態(tài)硬盤 (SSD) 和高速非易失性內(nèi)存 (Non-Volatile Memory Express, NVMe) 的問世，網(wǎng)絡(luò)存儲已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。

什么是 NVMe？

傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)的基礎(chǔ)是硬盤驅(qū)動器 (HDD) 旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，這項技術(shù)歷經(jīng) 60 余年沉淀發(fā)展而成。隨著設(shè)備尺寸越來越小且速度越來越快，驅(qū)動器技術(shù)不斷演進，固態(tài)驅(qū)動器 (SSD) 的問世給存儲世界注入了新的血液。

 突然之間，磁盤驅(qū)動器可以提供媲美 RAM 的性能，具有非常低的延遲且傳輸速率超過 20 Gbps。這類 SSD 驅(qū)動器成為了傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)中 HDD 的完美替代品。SSD 速度更快、時延更低、發(fā)熱更少且功耗更低，并且無需對現(xiàn)有硬件進行重新設(shè)計。

 對于存儲行業(yè)而言，這意味著雙贏。

但將 SSD 直接插入現(xiàn)有存儲系統(tǒng)有一個缺點：它無法充分發(fā)揮出底層技術(shù)的性能提升潛力。想要真正發(fā)揮 SSD 設(shè)備的潛力需要重新審視存儲系統(tǒng)連接到服務(wù)器的方式，存儲器供應(yīng)商為基于 SSD 的存儲器設(shè)計了多種方法，其中最受業(yè)界關(guān)注的是直連 PCI Express (PCIe) 總線的設(shè)計。在構(gòu)建了多個專有設(shè)備之后，存儲和服務(wù)器行業(yè)于 2011 年聯(lián)手創(chuàng)建了 NVMe（NVM Express）。

 NVMe 是一種協(xié)議，而并非外形規(guī)格或接口規(guī)范。不同于其他存儲協(xié)議，NVMe將 SSD 設(shè)備視為內(nèi)存，而不是硬盤驅(qū)動器。NVMe 協(xié)議的設(shè)計從一開始就以搭配 PCIe 接口使用為目標，因此幾乎直接連接到服務(wù)器的 CPU 和內(nèi)存子系統(tǒng)。 

在多核環(huán)境內(nèi)，NVMe 效率更高，因為它允許每個核心獨立地與存儲系統(tǒng)進行交互。隨著 NVMe 中的隊列數(shù)量和深度增加，多核 CPU 會使 SSD 保持忙碌狀態(tài)，消除內(nèi)部性能瓶頸。NVMe 屬于非統(tǒng)一內(nèi)存體系結(jié)構(gòu) (NUMA) 感知協(xié)議，能夠充分發(fā)揮新型 CPU 中的內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢。相比使用 SATA 或 SAS 的 SSD，具有 SSD 和 NVMe 協(xié)議的存儲器能夠顯著提升每秒輸入輸出 (IOPS) 并大大降低時延。

 可以說 NVMe 能夠?qū)F(xiàn)代化 SSD 允許的并行度發(fā)揮到極致。因此 NVMe 能夠減少 I/O 開銷，并帶來了許多性能提升，包括支持多個長命令隊列和降低時延。

NVMe 的定義與規(guī)范

NVMe旨在定義主機軟件如何通過 PCI Express (PCIe) 總線與非易失性存儲器進行通信，適用于各種 PCIe 固態(tài)硬盤 (SSD) 。NVM Express 是由技術(shù)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者組成的非營利性聯(lián)盟，負責(zé) NVMe 技術(shù)的定義、管理和市場推廣。除了 NVMe 基本規(guī)范外，該組織還負責(zé)其他幾項規(guī)范：NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 基于網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)使用 NVMe 命令， NVMe Management Interface (NVMe-MI)用于在服務(wù)器與存儲系統(tǒng)中管理 NVMe/PCIe SSD。

NVMe 是專為 SSD 而設(shè)計的規(guī)范。它是一種更高效的接口，相比于串行 ATA (SATA) 之類的傳統(tǒng)接口，它能夠為 SSD 提供更低的時延和更高的可擴展性。此規(guī)范的第一部分對應(yīng)的是主機控制接口。NVMe 體系結(jié)構(gòu)引入了全新的高性能排隊機制，支持 65,535 個 I/O 隊列，每個隊列含 65,535 條命令（稱為隊列深度或者未完成命令數(shù)）。隊列映射到 CPU 核心，提供可擴展的性能。

NVMe 接口顯著減少了存儲器映射輸入/輸出命令的數(shù)量，并且能夠調(diào)整操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序，使其在中斷模式或輪詢模式下運行，從而提升性能并降低時延。NVMe 規(guī)范還包含適用于 SSD 命令的主機到設(shè)備協(xié)議，供操作系統(tǒng)用于：讀取、寫入、清空、TRIM、固件管理、溫控、報錯等操作。

什么是 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)？

NVMe 協(xié)議并非局限于在服務(wù)器內(nèi)部連接本地閃存驅(qū)動器，它還可通過網(wǎng)絡(luò)使用。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)使用時，網(wǎng)絡(luò)“架構(gòu)”支持存儲和服務(wù)器元素之間的任意連接。NVMe-oF 支持組織創(chuàng)建超高性能存儲網(wǎng)絡(luò)，其時延能夠媲美直連存儲。因而可在服務(wù)器之間按需共享快速存儲設(shè)備。NVMe-oF 可視為基于光纖通道的 SCSI 或 iSCSI 的替代品，其優(yōu)勢在于時延更低、I/O 速率更高，且生產(chǎn)力更優(yōu)。

 服務(wù)器（或其他主機）通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與 NVMe 存儲器直接進行通信，或者通過控制器與之進行間接通信。如果存儲器解決方案使用控制器，那么控制器就會與自己的存儲器目標進行通信，可采用的方式包括 NVMe-oF或者其他專屬或非專屬解決方案。這取決于存儲器供應(yīng)商的實現(xiàn)方法和選擇。

NVMe-oF 傳輸協(xié)議

• 光纖通道 (NVMe/FC)：FC-NVMe 和 FC-SCSI 同樣都基于 FCP，IO 交互基于 Exchange。FC-NVMe 基于傳統(tǒng)的 FC 網(wǎng)絡(luò)，通過升級主機驅(qū)動和交換機支持，F(xiàn)C-SCSI 和 FC-NVMe 能同時運行在同一個 FC 網(wǎng)絡(luò)中。FC-NVMe 能最大化繼承傳統(tǒng)的 FC 網(wǎng)絡(luò)，復(fù)用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，基于 FC 物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮 NVMe新協(xié)議的優(yōu)勢。 
• TCP (NVMe/TCP)：基于現(xiàn)有的 IP 網(wǎng)絡(luò)，采用 TCP 協(xié)議傳輸 NVMe，在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不變的情況下實現(xiàn)端到端 NVMe。
•  遠程直接內(nèi)存訪問（InfiniBand 或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上支持的 NVMe/RDMA）：NVMe over RDMA。RDMA 是承載 NoF 的原生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，RDMA 協(xié)議除了 RoCE 外還包括 IB（InfiniBand）和 iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）。NVMe over RDMA 協(xié)議比較簡單，直接把 NVMe 的 IO 隊列映射到 RDMA QP（Queue Pair）連接，通過 RDMA SEND，RDMA WRITE，RDMA READ 三個語義實現(xiàn) IO 交互。

什么是 RDMA？

直接內(nèi)存訪問 (DMA) 指設(shè)備無需 CPU 干預(yù)即可直接訪問主機內(nèi)存的能力。遠程直接內(nèi)存訪問 (RDMA) ，也就是在不中斷遠程機器系統(tǒng) CPU 處理的情況下對該機器上的內(nèi)存執(zhí)行訪問（讀取和寫入）的能力。

RDMA 主要優(yōu)勢

• 零拷貝：應(yīng)用程序可以在不涉及網(wǎng)絡(luò)軟件棧的情況下執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送和接收到緩沖區(qū)，無需在網(wǎng)絡(luò)層之間復(fù)制。
•  內(nèi)核旁路：應(yīng)用程序可以直接從用戶空間執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，無需內(nèi)核參與。
•  無 CPU 參與：應(yīng)用程序可直接訪問遠程內(nèi)存，無需在遠程服務(wù)器內(nèi)耗用任何 CPU 時間。無需任何遠程進程（或處理器）的干預(yù)即可讀取遠程內(nèi)存服務(wù)器。遠程 CPU 的緩存不會被訪問的內(nèi)存內(nèi)容填滿。

如何使用 RDMA？

要使用 RDMA，需要具備 RDMA 功能的網(wǎng)絡(luò)適配器：支持 RDMA 的以太網(wǎng) NIC (rNIC)，如 Broadcom NetXtreme E 系列、Marvell / Cavium FastLinQ 或 Nvidia / Mellanox Connect-X 系列。或者 InfiniBand 領(lǐng)域內(nèi)的 InfiniBand 主機通道適配器 (HCA)（同樣以 Nvidia / Mellanox Connect-X 為例）。

網(wǎng)絡(luò)的鏈路層協(xié)議既可以是以太網(wǎng)，也可以是 InfiniBand。這兩種協(xié)議均可用于傳輸基于 RDMA 的應(yīng)用程序。Linux、Windows 和 VMware操作系統(tǒng)支持內(nèi)置 RDMA。 

基于 RDMA 的 NVMe-oF 的種類

RDMA 是NVMe-oF的三種選項之一，同樣的，RDMA 也有三種類型： 

(1) InfiniBand：InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原生支持 RDMA。

(2) RoCE（基于融合以太網(wǎng)的 RDMA）：其方式是通過以太網(wǎng)來封裝 InfiniBand 傳輸包。RoCE 有兩種版本：

• RoCEv1：以太網(wǎng)鏈路層協(xié)議（Ethertype 0x8915），支持在相同以太網(wǎng)廣播域內(nèi)任意兩個主機之間進行通信。因此，僅限第 2 層網(wǎng)絡(luò)，不可路由。
• RoCEv2：利用 UDP/IP（IPv4 或 IPv6）報頭增強 RoCEv1，因此增加了第 3 層網(wǎng)絡(luò)可路由性。NVMe/RoCEv2 默認使用 UDP 目標端口  4791。

(3) iWARP（互聯(lián)網(wǎng)廣域 RDMA 協(xié)議）：基于 IETF 標準的擁塞感知協(xié)議，如 TCP 和 SCTP。具有卸載 TCP/IP 流量控制和管理功能。 

目前，RoCEv2 是供應(yīng)商最常用的選擇。 

NVMe-oF 網(wǎng)絡(luò)要求

協(xié)議要求

如上所述，NVMe-oF 解決方案不同，要求也不盡相同： 

(1) 專用網(wǎng)絡(luò)

• NVMe/IB：使用基于 InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)的 RDMA。在高性能計算 (HPC) 領(lǐng)域頗受歡迎。
• NVMe/FC：需要第 5 代或第 6 代光纖通道網(wǎng)絡(luò)。如果數(shù)據(jù)中心內(nèi)已有光纖通道網(wǎng)絡(luò)或交換基礎(chǔ)架構(gòu)，可以繼續(xù)使用這些專用資源作為 NVMe-oF 的傳輸方式。但是，傳統(tǒng) 4、16 或 32 Gbps FC部署速度可能不足以真正發(fā)揮出 NVMe 設(shè)備的性能提升。

(2) 共享或融合以太網(wǎng)

僅 2 層網(wǎng)絡(luò)：

NVMe/FC（含 FCoE）：它使用以太網(wǎng)/FC共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。FCoE 在 IP 層不可路由，并且不使用 RDMA。FCoE 與FC網(wǎng)絡(luò)具有相同的要求和優(yōu)勢，但在基礎(chǔ)架構(gòu)的共享以太網(wǎng)部分中失去了網(wǎng)絡(luò)可預(yù)測性。

支持 3 層網(wǎng)絡(luò)：

• NVMe/TCP：使用具有 TCP/IP 傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但不使用 RDMA。一般認為 NVMe/TCP 是最經(jīng)濟的解決方案之一，因為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比FC基礎(chǔ)設(shè)施成本低，且實現(xiàn)難度更低。由于 NVMe/TCP 原生可路由，因此服務(wù)器與其存儲器之間能夠通過現(xiàn)有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進行通信，而無需專用FC交換機和 HBA。但 NVMe/TCP 存在一些缺點：它使用的是服務(wù)器的算力，這樣一來服務(wù)器算力就無法全部用于運行應(yīng)用程序。此外，其傳輸過程中時延比其他 NVMe-oF 協(xié)議更長，主要是因為需要維護多個數(shù)據(jù)副本，以免在路由級發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失。
• NVMe/iWARP：使用共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和基于 TCP 的 RDMA。
• NVMe/RoCEv2：使用共享以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和基于 UDP 的 RDMA。

傳輸要求：有損傳輸 vs 無損傳輸

在以太網(wǎng)架構(gòu)中存在有損傳輸與無損傳輸兩種，RDMA 是兩個設(shè)備之間的內(nèi)存到內(nèi)存?zhèn)鬏敊C制，因此理論上它不能容許任何丟包。但由于 iWARP 基于 TCP 協(xié)議（以及 NVMe/TCP），它可以容許在傳輸中發(fā)生丟包和少量 TCP 重傳，因此 NVMe/iWARP 和 NVMe/TCP 均可通過有損網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

RoCE 則使用 UDP協(xié)議。根據(jù) RoCEv2 規(guī)范，應(yīng)該使用無損架構(gòu)。不過RoCE 協(xié)議內(nèi)部存在一種防范丟包的機制：發(fā)生丟包時，將把具有特定數(shù)據(jù)包序號 (PSN) 的 NACK 控制包發(fā)送給發(fā)送方，以供發(fā)送方重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。因此，所謂 RoCE 要求無損網(wǎng)絡(luò)傳輸（無損以太網(wǎng)）的說法并不完全正確。RoCE 可以在無損網(wǎng)絡(luò)或有損網(wǎng)絡(luò)中運行。

原文鏈接：https://aboutnetworks.net/nvme-and-nvmeof/?