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基于TCP的NVMe:使用标准IP网络提高SSD存储性能

在 SSD进入数据中心之后,为了能够充分发挥其性能,并降低设计和部署难度,基于TCP的NVMe出现了。

作者:编译来源:51cto|2021-03-19 11:32

【51CTO.com快译】SSD(固态硬盘)进入数据中心后不久,符合NVMe(NVMe over PCIe)协议的高性能SSD随之而来,在此之后, NVMe-oF(在NVMe的基础上扩展和完善而来,其旨在有效地支持超大规模远程SSD存储池)开始普及,并替代DAS (直连式存储),成为云基础架构中分类存储的默认协议。

最近,基于TCP的NVMe 技术广受关注。从本质上来看,基于TCP的NVMe使用了更加简单高效的TCP / IP结构,将NVMe扩展到整个数据中心,在保证存储高性能的同时,大幅降低了设计难度和部署成本。

北美技术咨询公司企业和IT主管Eric Killinger表示,具有在低带宽下以高带宽进行通信能力,同时获得存储阵列之间的物理隔离,然后添加包含TCP协议进行传输的普通交换网络,将改变游戏规则。他认为,云超大规模应用已经在采用基于TCP的NVMe的新技术,以实现对于数据分析和物联网应用的更大查询访问。

基于TCP的NVMe的技术发展

使用NVMe SSD构建的存储阵列让数据中心存储系统的性能得到了极大的提升。不过,由于这些存储设备仍然通过基于SCSI的主机连接与服务器进行通信,使其无法完全发挥SSD的性能。于是,NVMe-oF协议出现了。

NVMe-oF协议是一种针对SSD进行优化的高性能存储网络协议。由于NVMe-oF能够部署支持跨结构的,基于NVMe的块存储设备远程直接内存访问(RDMA),具备更高的带宽,大幅降低了延迟,因此在数据并行读写时,具备更高的效率。

NVMe-oF可用于不同类型的网络传输,包括光纤通道(FC)、以太网和InfiniBand。在以太网中,有不同的传输选项,包括聚合以太网上的RDMA(RoCE)、iWARP以及TCP。

不过,将NVMe-oF用在以太网中,最大的缺点即是FC、InfiniBand、RoCE和iWARP选项都需要自定义主机总线适配器和驱动程序,这就让其实施和维护起来既困难又昂贵。

于是,基于TCP的NVMe出现了。

由于其能够与几乎所有企业服务器上附带的标准聚合以太网适配器一起使用,因此在部署实施和后期维护方面更加简单,费用也就更低,立即引起了行业的关注,并有望很快成为行业的标准。

当然,基于TCP的NVMe与RoCE(迄今为止已广泛部署的另一种以太网选择)相比,其延迟会更高,主要是由于RoCE和iWARP均支持RDMA,而FC和TCP不支持,这种支持RDMA的能力可以使等待时间略微降低。

但是,与基于普通SCSI的存储网络技术(例如光纤通道(FC)和iSCSI)相比,基于TCP的NVMe能够显着提高存储性能。

NVMe / TCP部署和使用

提供低延迟的共享存储解决方案,是采用NVMe / TCP的主要原因。

如果企业拥有一个基于NVMe的全闪存阵列,但仍通过基于SCSI的存储网络连接到服务器,则可能无法完全发挥SSD的性能,而使用NVMe-oF存储网络即可以很好的发挥应用程序的性能,提高效率。

在应用程序上,对于AI / ML驱动的大数据分析工作负载,特别是对于一些实时的工作负载,基于TCP的NVMe具备更好的优势。此外,企业在将大量工作负载整合到单个存储阵列中,并且需要能够在高工作负载密度下大规模提供性能,基于TCP的NVMe的优势也会更加明显。

北美技术研究基础架构系统研究副总裁Eric Burgener表示,随着AI / ML驱动的大数据分析应用的增长,在基于超大型闪存存储的部署中,尤其是当必须通过对高带宽交换网络的现有投资来快速访问大型低延迟数据池时,NVMe / TCP将越来越受欢迎。

Eric Burgener认为,虽然FC是存储的最佳传输方式,但随着更高带宽以太网新版本的推出,差异化因素会越来越小。因为,以太网能够以更高的带宽处理更多的存储工作负载。

Eric Burgener表示,随着存储基础架构越来越多地转向固态存储,并且客户越来越关注基础架构的效率,基于TCP的NVMe将明显胜过SCSI,并且价格便宜且易于部署。

NVMe-over-TCP未来的发展趋势

众所周知,NVMe及其规范由网络、存储和其他IT相关公司组成的联盟NVM Express,Inc.拥有和维护。2011年, NVMe规范发布,并定义了主机软件如何通过PCI Express(PCIe)总线与非易失性存储器进行通信。目前,其已成为所有尺寸PCIe SSD的行业标准。

对于NVMe / TCP,则已经由NVM Express联盟于2018年正式批准。

就目前情况而言,NVMe / TCP支持主要可从网络供应商那里获得,例如 Mellanox Technologies(现在归NVIDIA所有),以及一些存储初创公司,包括 Lightbits Labs, Excelero,Pavilion Data和Infinidat。此外,一些SSD芯片制造商,如Kioxia(以前是东芝的一部分),也支持基于TCP的NVMe。

预计在接下来的几年中,NVMe / TCP的可用性将快速增长。Burgener预测,虽然大多数主要的企业存储供应商都尚未推出它,但可能会在未来12到18个月内陆续推出。他预测,NVMe / TCP将会在2022年或2023年底,才真正开始增长。

对于NVMe / TCP未来的发展,北美技术咨询公司企业和IT主管Eric Killinger表示,由于疫情导致企业IT投资的下滑,很多企业没有足够的预算来使用NVMe技术,这有可能给NVMe / TCP的发展带来一些影响。但是,由于超过90%的企业正在试验公有云服务,并计划利用公有云替代现有的IT基础架构和服务,因此也给基于TCP的NVMe带来了蓬勃发展。

Killinger预计,SSD存储OEM厂商将很快进行大规模的市场推广,因为他们渴望在NVMe over TCP上展示其产品的性能。因此,展望未来, NVMe / TCP的发展前景一片光明前景。

原文标题:NVMe over TCP: How it supercharges SSD storage using standard IP networks,作者:John Edwards

【51CTO译稿,合作站点转载请注明原文译者和出处为51CTO.com】

【责任编辑:张诚 TEL:(010)68476606】

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