存儲技術未來演進：NVMe over Fabrics (NVMeoF）
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眾所周知，NVMe 是一個邏輯設備接口規(guī)范，NVM代表非易失性存儲器（Non-Volatile Memory）的首字母縮略字，是固態(tài)硬盤（SSD）的常見的閃存形式。SSD 通常分為兩類接口：SATA 和 NVMe。在需要兼容舊組件且性能不是首要考慮因素時，SATA 接口在新一代驅動器中依然可用。SATA 誕生于2000年，原本是為配備旋轉盤片和磁頭的傳統(tǒng)硬盤設計的。
雖然這類設備能夠提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)吞吐量，但由于包含大量機械組件，每次讀/寫操作都會帶來很明顯的延遲。這些硬件上的局限也制約了SATA接口規(guī)范和其整體性能。
對于企業(yè)級應用，SAS 接口通常作為SATA的替代選擇，兩者都是ATA和SCSI接口的進化版，它們都利用串行鏈路發(fā)送既有命令。無論使用SAS還是SATA，都需要在CPU和磁盤之間配置硬盤驅動器控制器。
隨著新一代固態(tài)硬盤的推出，其理論性能已接近甚至超越RAM，遠超傳統(tǒng)HDD，因此需要一種全新的訪問接口來發(fā)揮其潛力。
NVMe(Non-Volatile Memory Express)
2011年，NVMe（非易失性存儲器Express）接口應運而生。這一接口專為利用低延遲和高閃存性能而設計。其物理連接器則根據(jù)應用場景有所不同：在客戶端設備上，由于無需熱插拔且重量和空間更為關鍵，因此M.2尺寸是常見選擇。而借助Thunderbolt 3接口，PCIe設備可作為USB-C可插拔設備連接，NVMe驅動器也常以這種形式出現(xiàn)（不過，只有當較新的USB標準支持超過SATA的帶寬時，這樣的設備作為NVMe驅動器才具有實際意義）。
NVMe驅動器確實具備作為PCIe擴展卡插入PCIe插槽的能力，但這種應用相對少見，因為它占用的是那些通常優(yōu)先用于安裝GPU卡的寶貴插槽。在計算服務器環(huán)境中，NVMe驅動器更為常見地以M.2（常作為啟動設備使用）和U.2（專門用于數(shù)據(jù)存儲）的形式呈現(xiàn)。
從設計角度來看，NVMe規(guī)范定義了一種簡潔高效的協(xié)議，僅包含13條基礎命令。為了最大化并行處理能力，這些命令可以在高達64K個I/O隊列上執(zhí)行，每個隊列可容納64K條命令。這種設計使得NVMe的性能遠超SATA規(guī)范，高出近三個數(shù)量級。
圖1：NVMe 命令集，來源：Saegate遠程塊存儲協(xié)議
就遠程訪問存儲而言，有兩種方法：NAS（網絡附加存儲）和 SAN（存儲區(qū)域網絡）。對于個人用戶及小型團隊來說，NAS 是一種理想的選擇，而大型組織和企業(yè)則更傾向于采用 SAN。
NAS 通常用于小型家用文件服務器環(huán)境中，它通過一組用戶友好的網絡協(xié)議來掛載存儲，最常見的是使用 NFS（網絡文件系統(tǒng)）和 SMB（服務器消息塊）協(xié)議來訪問文件系統(tǒng)。NAS 的一個顯著特點是它直接處理文件系統(tǒng)層，并充當文件服務器，這與 SAN 有著本質的區(qū)別。
相比之下，SAN 設備則專注于提供塊存儲服務，而將文件系統(tǒng)層的管理交由客戶端負責。這就引出了一個問題：客戶端是如何訪問遠程服務器上的塊設備的呢？
在深入探討之前，我們先來了解一下 SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口），這是一個自20世紀80年代起就存在的存儲訪問標準。隨著時間的推移，其命令集被廣泛應用于多種新型協(xié)議，如 SAS（串行連接 SCSI）和 USB 連接 SCSI。在 SAN 中，SCSI 被用作遠程訪問塊存儲的協(xié)議。具體來說，SCSI 命令會被封裝在網絡協(xié)議中，并在 iSCSI 客戶端（發(fā)起方）和具有存儲資源的 iSCSI 服務器（目標）之間進行交換。實現(xiàn)這一功能的主要傳輸協(xié)議包括 TCP（在 iSCSI 中使用）和光纖通道協(xié)議（FCP），而 FCP 本身也可以進一步通過以太網（FCoE）進行封裝。這種靈活性和兼容性使得 SAN 成為了大型企業(yè)級存儲解決方案的首選。
圖 2：SCSI 和 NVMe 作為遠程塊存儲協(xié)議，來源：Piyush GuptaiSCSI和NVMe均被用作遠程訪問塊存儲的協(xié)議，且兩者均依賴于Fabric network（結構網絡）作為主要的傳輸方式。這里的“Fabric network”是一個寬泛的概念，用于描述抽象的基礎設施層。無論是通過本地網絡連接還是利用隧道技術跨數(shù)據(jù)中心連接，設備的連接方式并不構成主要考量因素。關鍵在于主機期望網絡能在帶寬和延遲方面提供最佳性能，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛯崟r性。
NVMe over Fabrics
最初，NVMeoF是作為獨立規(guī)范發(fā)布的，獨立于 NVMe。然而，隨著其成功的應用與實施，NVMeoF逐漸融入并成為了NVMe標準體系的重要一環(huán)。NVMeoF 的引入使得NVMe命令能夠通過多種傳輸方式得以封裝，進而將協(xié)議的可用性擴展至跨網絡結構的主機與存儲之間的數(shù)據(jù)傳輸。
這一概念與基于SCSI的協(xié)議（如iSCSI或iSER）有著異曲同工之妙。原本為本地存儲訪問設計的命令集，經過重新設計后，如今能夠在存儲服務器與主機之間通過網絡進行通信。
與iSCSI相似，NVMeoF的發(fā)起方和目標方（即客戶端和服務器）會建立連接并交換命令。雖然它們的NVMe堆棧主要以軟件形式實現(xiàn)，但考慮到目標方通常需要為多個發(fā)起方提供服務，而發(fā)起方又可能需要訪問多個分散的驅動器，因此可以通過將命令解封裝轉移至專用硬件（例如 DPU）來實現(xiàn)更好的性能。
與SCSI相比，NVMe協(xié)議支持并行I/O操作，無需進程間鎖定，從而大大提高了效率。此外，NVMe還優(yōu)化了會話交互：單次數(shù)據(jù)傳輸僅需一次往返和兩次交互，相較于SCSI的兩次往返和四次交互，極大地減少了交互次數(shù)。這些優(yōu)勢在NVMeoF中得到了充分體現(xiàn)，由于引入了網絡延遲，減少往返時間成為了提升整體性能的關鍵因素。
NVMe 傳輸?shù)姆诸?/strong>
圖 3：NVMe 傳輸?shù)姆诸?/span>首先我們介紹用于訪問主機內本地存儲的內存?zhèn)鬏敗＿@種傳輸方式通過本地總線與存儲設備進行通信，設備通常與PCIe或其他本地總線技術（如Compute Express Link，簡稱CXL，或Advanced Extensible Interface，簡稱AXI）連接。
NVMeoF擴展了NVMe命令集在基于消息的傳輸中的應用。目前，RDMA和 TCP 傳輸由NVMe指定，光纖通道上的NVMe（FC-NVMe）則由INCITS（InterNational Committee for Information Technology Standards）組織管理。對于NVMe/TCP，發(fā)起方和目標方之間會建立TCP連接，NVM子系統(tǒng)通過此連接進行通信，交換NVMe/TCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元。此TCP連接同時用于命令和數(shù)據(jù)的傳輸，通常由內核網絡堆棧在軟件中處理。雖然這種方法具有無需特殊網絡配置的便利性，但由于軟件處理的引入，它可能會導致性能下降并增加額外的計算資源需求。
相比之下，F(xiàn)C-NVMe利用光纖通道的可靠性、并行性和多隊列功能，在現(xiàn)有的FC網絡上提供高效的消息傳輸。與NVMe/TCP相比，F(xiàn)C-NVMe由于協(xié)議設計更為精簡，因此在CPU開銷方面表現(xiàn)更為優(yōu)秀。
然而，值得注意的是，無論是NVMe/TCP還是FC-NVMe-2，它們均未充分利用能夠加速RDMA的現(xiàn)代卸載網卡。為了彌補這一不足，NVMe標準特別指定了RDMA傳輸方式。RDMA允許數(shù)據(jù)在應用程序的內存空間與遠程主機的內存空間之間直接傳輸，無需內核的介入。這不僅減少了CPU的開銷，還降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，為高性能存儲訪問提供了強有力的支持。
圖4：RDMA繞過內核TCP/IP協(xié)議棧，來源：FSRDMA（遠程直接內存訪問）
這里的核心概念在于應用程序（如使用 NVMe 的數(shù)據(jù)庫）和設備（即 NVMe 驅動器）能夠直接讀取和寫入網卡內存緩沖區(qū)，繞過傳統(tǒng)的內核網絡堆棧。
RDMA網絡技術通常基于InfiniBand或以太網。InfiniBand是一個高性能的L2網絡標準，RDMA是InfiniBand的一個核心功能。而以太網本身并不直接支持RDMA。
InfiniBand網絡專為HPC（高性能計算）數(shù)據(jù)中心設計，提供高吞吐量、低延遲和QoS（服務質量）功能，它使用自己獨有的鏈路、網絡和傳輸協(xié)議。在InfiniBand網絡中，RDMA數(shù)據(jù)包通過其特定的傳輸協(xié)議發(fā)送。然而，由于InfiniBand網絡設備和NIC的供應商相對較少，基于以太網的RDMA解決方案在市場中更受歡迎。
要在以太網上實現(xiàn)RDMA，網絡結構必須支持無損傳輸。標準以太網并不保證這一點，因此需要進行相應的增強或使用特定的上層傳輸協(xié)議。由于現(xiàn)代網絡方法非常靈活，因此在硬件供應商的支持下，可以實現(xiàn)這一目標。
值得注意的包括：
- 融合以太網（RDMA over Converged Ethernet）上的RDMA（v1和v2）和iWARP在傳輸方式和特性上略有不同。
- RoCEv1在以太網上使用IB網絡層數(shù)據(jù)包，但由于沒有使用IP封裝，數(shù)據(jù)包無法在IP網絡中路由。
- RoCE v2在網絡層使用UDP，允許數(shù)據(jù)包在IPv4或IPv6網絡上進行路由。因此，RoCE v2有時被稱為可路由RoCE（RRoCE）。
- iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）使用TCP作為傳輸層協(xié)議，它提供了固有的可靠性，因此無需對以太網層進行額外增強。然而，與RoCE相比，使用TCP會帶來更多的開銷和復雜性。
圖5：常見RDMA實現(xiàn)的網絡層比較，來源：FS所有這些技術共存，并各自提供不同的優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，為了實現(xiàn)最佳性能，InfiniBand 或 RoCE 通常是首選。在某些特定場景中，專用集群網絡也能作為一個可行的網絡解決方案。而在 DCB 配置復雜或需要跨越公共互聯(lián)網部署時，iWARP 技術可能更為合適。
小結
NVMeoF 的概念是基于SCSI規(guī)范逐步發(fā)展而來的。盡管舊有的技術已被證明是可靠且實用的，但隨著固態(tài)硬盤的廣泛應用，人們對更為高效的協(xié)議需求日益增長。直接比較不同的協(xié)議可能較為復雜，因為不同的應用程序有不同的需求。因此，尋找一個同時支持 NVMe 和 SCSI over RDMA 的設備成為了一個挑戰(zhàn)。然而，無論采用何種傳輸方式，NVMeoF 無疑是當今SAN網絡中的領先技術。
來源：架構師技術聯(lián)盟
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