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为NVMe-over-Fabrics确定最隹选项
 

【作者: Ian Sagan】2019年09月17日 星期二

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非挥发性记忆体(NVMe)是一种简化协定,可提供低延迟操作,并已经被所有重要伺服器和记忆体供应商所采用。这种技术正在替代当下的固态硬碟(SSD)资源中的小型电脑系统介面(SCSI)。由於这种技术之采用,支援NVMe的SSD目前正在消除传统储存方案中的固有瓶颈,从而大大提高从行动平台到企业资料中心等各种应用的存取速率。在本文中,将回答与支援NVMe的SSD大规模部署和应用相关的一些重要问题。


NVMe为什麽得到广泛应用和采纳?

NVMe从一开始就设计为与快闪记忆体进行高速通讯,并且只需要30个特定用於处理SSD的指令。此外,该协定支援多个深度指令伫列,以便利用最新多核处理器的平行处理功能。籍由每个伫列高达64K之指令,并支援高达64K伫列,NVMe标志着相较传统SCSI、SAS和SATA协定之巨大进步,这些传统协定最初是为旋转式硬碟(HDD)而开发。


全球基於NVMe的固态硬碟销售额现已超过与SAS和SATA SSD记忆体相关的产品*。这是由於NVMe协定针对当前和下一代SSD技术(例如3D XPoint和NVDIMM非挥发性DIMM)都能够提供显着提高的性能。


为什麽需要考虑NVMe-over-Fabrics?

在初始构思时,NVMe之主要目的是允许CPU使用PCIe汇流排访问伺服器内基於NVMe的SSD。但是,正如储存管理员所知,本地伺服器储存是主要管理难题, 特别是针对需要过量配置昂贵SSD储存资源(因此才有足够的空间来应对任何过量需求)之状况。不同伺服器需要不同数量高性能NVMe SSD记忆体,具体取决於应用之作业载荷。这些应用可以迁移到不同物理伺服器,但仍需要相同数量SSD记忆体。为了避免每台伺服器都必须配备昂贵的过量SSD记忆体,创建一个可以根据运作负载动态分配储存的共用NVMe SSD记忆体资源池变得更加经济高效。


对於本地储存,最重要的是要将所有资料进行备份,以防伺服器发生故障。此外,由於存在严重安全隐患,而且网站之间的复制可能变得难以管理。透过共用储存,管理员可以避免这些问题出现。换句话说,CIO可以在伺服器上充分利用高性能快闪记忆体,具有现代记忆体阵列所有的高级可用性和安全性功能,以及与本地NVMe SSD记忆体类似的性能和延迟优势。


NVMe-over-Fabrics还有多远?

为了帮助解释这一点,我们可将共用记忆体阵列比作汽车引擎。特定地讲,传统光纤通道(FC)/iSCSI共用记忆体阵列可以认为等同于传统内燃机,它们已经在业界使用很多年,非常可靠,而且是一种良好的可以长时间运输的方法。


混合动力汽车越来越普遍,并具有电动车和传统燃油汽车的一些优势。类似,较新的NVMe阵列在阵列内部使用混合NVMe,但是它们透过FC或乙太网传输协定使用SCSI指令连接到主机。


尽管大多数人都认为电动车将主导未来,但目前它们并不是主流,因为它们比传统汽车更昂贵,而且基础设施尚未广泛完成用於支援电动车充电。本机NVMe阵列可以被认为是全电动车,实现全电动车这一目标所需的基础设施是NVMe-over-Fabrics。随着时间推移,NVMe-over-Fabrics或将成为共用记忆体阵列连接到伺服器的关键通讯标准,但是在获得广泛采纳并且在所有初步建设等相关问题得到解决之前尚需一段时间。


应该选择哪些NVMe-over-Fabrics选项?

储存管理员面临的最大困难是如何决定投资正确技术。任何新出现的技术在开始之时都会有多种方法可以实现整体解决方案,NVMe-over-Fabrics也不例外。NVMe指令可以使用TCP/IP透过FC、支援RDMA的乙太网或标准乙太网进行传输。下面我们看看这些方式的主要区别。



图一 : 目前可用的主要fabric连接选项。
图一 : 目前可用的主要fabric连接选项。

1. NVMe-over-FC(FC-NVMe)

对於已经拥有FC储存连接到网路(SAN)基础设施之用户,FC-NVMe是一绝隹选项,可以使用16GFC或32GFC主机汇流排适配器和交换机将NVMe协定包含在FC帧中。透过最新升级的FC韧件和驱动程式,可以在Linux伺服器上支援FC-NVMe。因此,如果投资於当代16Gb或32Gb FC主机汇流排适配器和SAN基础架构,可以为FC-NVMe阵列发布提供未来保证。值得注意的是,SCSI(FCP)和NVMe(FC-NVMe)能够在同一fabric上共存,因此传统基於FC-SCSI的阵列可以与新NVMe本机阵列同时运作。


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

对於这种具备RDMA能力之乙太网,适配器是强制性要求。有两种不同类型RDMA实施方案,即RDMA-over-converged-Ethernet(RoCE)和Internet广域RDMA协定(iWARP)。遗憾的是,这些协定不能彼此相互相容。我们现在简要阐述每个协定之优势:


a.NVMe-over-RoCE (NVMe/RoCE) -



图二 : 当网路仅有乙太网可供使用时,NVMe-over-RoCE是共用储存或超融合基础架构(HCI)连接的理想选择。 (source: kacecommunications)
图二 : 当网路仅有乙太网可供使用时,NVMe-over-RoCE是共用储存或超融合基础架构(HCI)连接的理想选择。 (source: kacecommunications)

当网路仅有乙太网可供使用时,NVMe-over-RoCE是共用储存或超融合基础架构(HCI)连接的理想选择。因此,许多储存阵列供应商已宣布计画支援NVMe-over-RoCE连接。RoCE能够提供最低乙太网延迟,并且当涉及的储存网路规模较小时运作良好,只有不超过2个传输跳跃。顾名思义,RoCE需要融合或无损耗乙太网才能运作。这种方法可实现额外网路功能,包括资料中心桥接、优先顺序流量控制、以及更复杂设置和网路管理机制。如果低延迟是最重要目标,那麽尽管网路复杂性较高,NVMe-over-RoCE可能仍是最隹选择。


b.NVMe-over-iWARP(NVMe/iWARP)-


iWARP RDMA协定在标准TCP/IP网路上运作,因此部署起来要简单许多。虽然其延迟不如RoCE好,但它的易用性和更低管理开销非常具有吸引力。在现阶段,储存阵列供应商并未设计支援iWARP阵列,因此iWARP目前最适合软体定义或HCI解决方案,如Microsoft Azure Stack HCI/Storage Spaces Direct(S2D)。


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

NVMe-over-TCP是该领域之新生技术,它於2018年11月批准,可以在现有乙太网基础设施上运作,无需进行任何更改(充分利用了TCP/IP难以置信的普及性)。 NVMe-over-TCP提供的性能可能不如NVMe-over-RDMA或FC-NVMe快,但能够在标准NIC和网路交换机上轻松实现,因此即便没有大量硬体投资,仍可获得NVMe SSD储存的重要优势。像MarvellRFastLinQR10/25/50/100GbE这样的一些NIC可以透过利用内建的NIC中TCP/IP堆叠卸载功能,来卸载和加速NVMe/TCP。


结论

无论决定采用何种NVMe-over-Fabrics技术,Marvell可在实施过程中提供任何帮助。特别是MarvellQLogic 16Gb和32Gb FC主机汇流排适配器能够支援FC-NVMe,并且(由於采用了通用RDMA功能)Marvell 公司的FastLinQ 41000和45000系列10/25/40/50/100Gb乙太网NIC以及融合的网路适配器支援NVMe-over-RoCE和NVMe-over-iWARP功能,以及NVMe-over-TCP。因此,管理员们可以根据特定需求构建合适的系统,同时确保他们今天部署的设施能够支援未来网路。


(本文作者Ian Sagan任职於Marvell公司FAE)


注:*依照DRAMeXchange和其它产业研究机构发布之资料


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