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如何選擇最優的NVMe-over-Fabrics方案

2019-09-25 10:18:51 Marvell

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NVMe™作為一種SCSI的替代型協議，其目的在于實現低延遲運行。目前市場上主要的服務器和存儲供應商都采用了該協議，用來替代固態硬盤（SSD）訪問過程中的SCSI協議。采用NVMe協議后，基于NVMe的SSD可以消除傳統存儲實施過程中固有的瓶頸。由此，對于企業數據中心內的各類應用程序的訪問操作，相應的訪問速度都將大大提升。本文就帶您解析下將NVMe 用在 SSD中，以及大規模組網部署時會遇到哪些關鍵問題。

為何 NVMe的應用范圍如此廣泛且增長迅猛？

NVMe是一款為了與高速閃存進行通信而全新設計的協議，其僅需30條專為處理 SSD開發的指令。此外，為了利用最新多核處理器的并行處理能力，該協議還支持多深度指令隊列。NVMe協議最多可支持到64K個隊列（queues），且其每個隊列可以支持64K個指令（commands）操作。傳統SCSI、SAS和SATA協議的初始開發目的在于傳統的機械硬盤（HDD），與之相比，NVMe表現出了巨大進步。

縱觀當今全球市場，基于NVMe的SSD驅動器的銷量正在趕超SAS和SATA的SSD存儲器銷量*。這是因為，對于當前和下一代SSD技術（如3D XPoint和NVDIMM非易失性 DIMM）而言，NVMe協議都能帶來顯著的性能提升。

為何需要考慮采用 NVMe-over-Fabrics？

構建NVMe協議的主要目標在于，允許中央處理器（CPU）使用PCIe總線訪問服務器內部基于 NVMe的SSD。但是，存儲管理員開始意識到，本地服務器存儲引發了嚴重的管理問題，尤其在過度供應昂貴的SSD存儲資源方面最為突出（也就是通過考慮充分的余量應對任何過度需求）。根據應用的工作負載，不同服務器所需的高性能NVMe SSD存儲量也不盡相同。這些應用可以遷移至不同的物理服務器，但是所需的SSD存儲量始終相同。為避免每臺服務器過度占用昂貴的SSD存儲器，更加經濟高效的模式是建立一個NVMe SSD共享存儲池，由此可根據工作負載動態分配存儲空間。

對于本地存儲，最重要一點在于必須備份所有數據，以防服務器發生故障。此外，過去的存儲方式還存在嚴重的安全隱患，并且不同站點間的復制往往難以管理。通過共享存儲，管理員就可以避免上述問題。換言之，CIO不僅可以跨服務器充分利用高性能閃存，還兼具現代化存儲陣列具備的所有更強大的可用性和安全性特點，并且具有類似于本地NVMe SSD存儲的高性能和低延遲優勢。

NVMe-over-Fabrics的發展趨勢如何？

為了理解這一問題，不妨把共享存儲陣列和汽車發動機進行類比。具體來說，可以認為傳統的光纖通道FC/iSCSI共享存儲就相當于傳統的汽油發動機。這些方案已經應用多年，非常可靠，它們將在長時間內提供一種優良的運輸方式。

隨著時間的推移，混合動力汽車越來越普遍，并且兼具電動和汽油的優勢。與此類似，更加新穎的NVMe陣列在其內部混合了NVMe，但仍然使用SCSI指令通過FC或以太網傳輸協議連接至主機。

盡管大多數人同意電動汽車是未來的必然發展趨勢，但當下卻仍未成為主流。因為與傳統方案相比，電動汽車不僅更加昂貴，而且相關基礎設施尚且分布不足，無法支撐充電需求。可以想象，處于成長期的NVMe存儲陣列與全電動汽車正處于相同的境地。NVMe-over-Fabrics正是落實NVMe存儲的基礎設施。這種方式將在適當時機成為連接共享存儲陣列與服務器之間的主流通信標準，但是在廣泛部署NVMe-over-Fabrics并且解決所有相關的新生問題之前，尚且還有很長的發展道路。

您應當選擇哪種 NVMe-over-Fabrics 方案？

存儲管理員面臨的最大難題在于，確定哪種技術是正確的投資方向。與任何新出現的技術一樣，整體方案的部署有多種途徑。從這個角度來說，NVMe-over-Fabrics 也毫不例外。NVMe指令可以通過FC、啟用了RDMA的以太網或使用TCP/IP的標準以太網進行傳輸。您可通過閱讀以下內容，即可了解不同方案間的主要差異。

圖 1：目前可用的主流NVMe光纖連接方案

1. NVMe-over-FC（FC-NVMe）

對于已經部署了光纖通道存儲網絡（SAN）基礎設施的用戶而言，FC-NVMe當屬最優方案。使用16Gb FC或32Gb FC主機總線適配器（HBA）和SAN交換機，即可將NVMe協議封入FC框架內部。通過升級至最新的HBA固件和驅動程序則能獲取Linux服務器上的FC-NVMe支持。因此，投資新型16Gb或32Gb FC HBA和SAN基礎設施，能夠為應用今后推出的FC-NVMe存儲陣列做好提前準備。另外值得注意的是，SCSI (FCP) 和 NVMe (FC-NVMe) 可以共存于相同的FC光纖網絡中，因此，基于FC-SCSI的老存儲可以與全新的NVMe存儲同時運行。

2. 使用RDMA (NVMe/RDMA)的NVMe-over-Ethernet 光纖

這種RDMA兼容型以太網適配器現已獲得授權。RDMA有兩種不同的部署方式，名稱分別為RoCE(v1/v2)和iWARP。然而非常遺憾，以上兩種協議無法實現交互操作。下面我將簡要說明兩種協議各自的優劣勢：

NVMe-over-RoCE （NVMe/RoCE）：如果您使用的是只有以太網的網絡，NVMe-over-RoCE是共享存儲或超融合基礎設施（HCI）連接的最佳方案。正因如此，目前已有多家存儲陣列供應商公布了他們的計劃，及表示支持NVMe-over-RoCE連接。RoCE能夠提供最低的以太網絡延遲，并且對于跳數不超過 2 個的小規模存儲網絡，能達到非常優異的運行效果。顧名思義，RoCE需要聚合或無損的以太網絡才能正常運行。此外，該方案還需啟用實現額外的網絡功能，包括數據中心橋接（DCB）、優先流控制（PFC），以及其他一些更復雜的組織架構和網絡擁塞管理機制。如果低延遲是您的首要目標，那么NVMe-over-RoCE很可能是您的最優選擇，盡管其網絡復雜性也相對較高。

NVMe-over-iWARP （NVMe/iWARP）：iWARP RDMA協議運行于標準TCP/IP網絡之中，因此其部署操作也更加簡單。盡管該協議的延遲性能不及RoCE，但更加易用的特性以及更低的管理難度依然具有巨大的吸引力。在現階段，存儲陣列供應商尚未設計出支持 iWARP的陣列，因此目前的iWARP最適合軟件定義或者基于Microsoft Azure Stack HCI / Storage Spaces Direct (S2D) 等HCI解決方案。

3. NVMe-over-TCP (NVMe/TCP)

NVMe-over-TCP還處于研發萌芽階段。該方案于2018年11月獲批，在不進行任何必要調整工作的情況下即可在現有的以太網基礎設施中運行（這一點利用了TCP/IP廣泛的普遍性）。 NVMe-over-TCP發揮的性能表現可能在速度上不及NVMe-over-RDMA或FC-NVMe，但在標準以太網卡和以太網網絡交換機上就可以輕松實現部署。無需大量的硬件投資，即可享受NVMe SSD存儲的主要優勢。Marvell® FastLinQ® 10/25/50/100GbE等部分網卡還能利用網卡內置的TCP/IP協議棧的硬件卸載（offload）功能，發揮為NVMe/TCP報文卸載并加速的潛力。

總結

無論您決定采用哪種NVMe-over-Fabrics路線，Marvell都能為您提供豐富靈活的產品組合，并在部署過程中為您提供一切幫助。尤其要強調的是，Marvell QLogic® 16Gb和32Gb FC主機總線適配器（HBA）支持FC-NVMe；同時，得益于網卡內置的通用型RDMA功能，Marvell FastLinQ 41000和45000系列的10/25/40/50/100Gb以太網NIC和CNA網卡均支持NVMe-over-RoCE和NVMe-over-iWARP功能以及NVMe-over-TCP。因此，管理員可以根據自身需求確定系統架構，同時還能確保現階段的部署也可應用于未來的網絡。

關鍵詞： NVMe? Marvell