NVMe技術(shù)開啟SAN存儲革命

NVMe技術(shù)開啟SAN存儲革命將閃存技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心時，首先采用的是混合磁盤閃存陣列形式，然后是全閃存陣列形式，兩種形式都對企業(yè)級應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生了巨大影響。閃存存儲還改變了最終用戶對性能的預(yù)期。使用支持閃存的PC的用戶已經(jīng)習(xí)慣了更快的響應(yīng)速度，即使這些應(yīng)用程序變得越來越復(fù)雜，而且從數(shù)據(jù)中心擴展到了云中，他們?nèi)云谕谑褂盟袠I(yè)務(wù)應(yīng)用程序時獲得相同體驗。不過，因為數(shù)據(jù)路徑的其他部分存在瓶頸，所以SSD可能帶來的速度提升正接近極限。目前的兩種主要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（光纖通道和以太網(wǎng)）均使用SCSI命令集來實現(xiàn)存儲協(xié)議。SCSI是將近40年前為機械介質(zhì)開發(fā)的，雖然它能處理進出旋轉(zhuǎn)磁盤的數(shù)據(jù)流，但已經(jīng)無法滿足全新閃存存儲介質(zhì)的需要。原因在于SCSI將I/O請求放入一個隊列，其中最多包含256個命令。當來自應(yīng)用程序的I/O請求到達時，它們只能排隊等待其他請求處理完畢。在旋轉(zhuǎn)磁盤時代，這種數(shù)據(jù)訪問延遲的確無關(guān)緊要，因為驅(qū)動器的讀寫磁頭一直都在旋轉(zhuǎn)，忙于在快速旋轉(zhuǎn)的盤片上尋找微小的磁塊。閃存及其他固態(tài)介質(zhì)沒有移動部件，因而固有延遲非常低，所以數(shù)據(jù)路徑中的延遲成為新的瓶頸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)訪問速度變慢。3rdPartyFlash

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(Flash-awareRAID)FlashMediaFlashMediaHIGHLATENCY LOWLATENCYApplication"far" Meinor/-likeaccessfromdata todsta圖1：適用于SATA或與人的N皿歸軟件堆枝與適用手P0E的軟件堆榭肛過去十年間，隨著PCIe總線的出現(xiàn)，這種情況有所改觀。該標準在速度上遠超SATA和其他傳統(tǒng)協(xié)議。例如，PCIe總線支持多達65,535個隊列，每個隊列的隊列深度可達65,535個命令，而且可以將存儲直接連接到CPU，從而提供內(nèi)存式訪問。此外，PCIe所需的軟件堆棧遠遠小于傳統(tǒng)協(xié)議（見圖1）。如今，基于PCIe的設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種計算環(huán)境，這可能會給SSD帶來問題，因為每個供應(yīng)商的硬件都需要使用專有驅(qū)動程序。為了消除兼容性問題，業(yè)內(nèi)所有重要廠商一致同意對運行于PCIe總線上的閃存以及其他形式的固態(tài)內(nèi)存采用新的現(xiàn)代數(shù)據(jù)訪問標準：NVMe規(guī)范。NVMe實際上包含兩個截然不同但又相互交織的層面：一個針對固態(tài)存儲設(shè)備進行了優(yōu)化的協(xié)議和指令集一套適用于非易失性內(nèi)存系統(tǒng)的前瞻性開源架構(gòu)標準

DriveLatency10ControllerLatencySoftwareLatencyFlash NVMeDriveLatency10ControllerLatencySoftwareLatencyFlash NVMeNVMe規(guī)范是從頭開始設(shè)計的，目的是在從移動電話到網(wǎng)絡(luò)級服務(wù)提供商的各種計算環(huán)境中利用非易失性內(nèi)存。此外，由于NVMe可實現(xiàn)更大吞吐量和更低延遲，因此正快速地在數(shù)據(jù)中心內(nèi)得到應(yīng)用（見圖2）。在NVMe上投入了大量投資的公司包括NetApp、Broadcom、Intel、Samsung、Micron、Seagate、Cisco、WesternDigital、Microsoft和Toshiba。NetApp目前在其大多數(shù)混合閃存和全閃存存儲系統(tǒng)中使用NVMe存儲，可顯著提高這些系統(tǒng)的性能。總之，NVMe正在推動著一場架構(gòu)變革，實現(xiàn)與存儲系統(tǒng)的大規(guī)模并行通信。最終結(jié)果是在服務(wù)器和存儲設(shè)備之間提供帶寬更高、延遲更低的連接。此外，其目的在于滿足未來需求：NVMe不僅支持當前的NAND閃存和3DXPoint技術(shù)，而且隨著目前正在開發(fā)以及尚未發(fā)現(xiàn)的持久內(nèi)存技術(shù)的興起，也將能與它們協(xié)同工作。在許多其他因素的共同作用下，NVMe得以在數(shù)據(jù)中心提供無與倫比的性能，其中包括：中斷處理序列化I/O請求所需的內(nèi)部鎖定命令簡化上下文切換減少無鎖定設(shè)計輪詢模式到目前為止，我們著重討論了NVMe協(xié)議如何加快數(shù)據(jù)存儲速度。但NVMe同時也是一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，而且是最新一代高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。NVMe規(guī)范在不斷發(fā)展演變；隨著基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的NVMe(NVMe-oF)的問世，NVMe的性能和延遲優(yōu)勢現(xiàn)已擴展到包括以太網(wǎng)、光纖通道和InfiniBand在內(nèi)的整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。NVMe-oF增加了對前端存儲接口的支持，數(shù)據(jù)中心的NVMe設(shè)備和子系統(tǒng)之間可以進行更遠距離的通信，并且可以橫向擴展到大量NVMe設(shè)備。隨著網(wǎng)絡(luò)本身變得越來越快，這些增強功能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。例如，光纖通道的速度在不斷加快，一開始，第5代達到了1666口$，目前已發(fā)展到第6代(3266口$)，而且第7代也即將問世。與此同時，以太網(wǎng)的速度也增加到了100Gbps及以上。

NVMeSSDsNVMeSSDs圖m：NVMe■口F支持畬種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議NVMe-oF雖是一項相對較新的技術(shù)，但其底層組件在企業(yè)數(shù)據(jù)中心已非常成熟。一個重要因素在于它不受底層傳輸機制的限制。盡管許多企業(yè)IT供應(yīng)商專注于使用光纖通道（NVMe/FC），但是NVMe-oF標準也支持遠程直接內(nèi)存訪問（RDMA）傳輸機制，例如InfifiniBand、RoCE和iWARP（圖3）。對于轉(zhuǎn)向NVMe-oF的許多IT架構(gòu)師來說，光纖通道仍是首選網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因為它不僅提供高性能和可靠性，而且支持基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分區(qū)和名稱服務(wù)。更大的優(yōu)勢在于，光纖通道能同時傳輸多個更高級別的協(xié)議，例如NVMe/FC和FCP（基于光纖通道的SCSI）。對一些企業(yè)而言，業(yè)務(wù)優(yōu)勢是判斷是否采用端到端NVMe系統(tǒng)的

主要依據(jù)。端到端NVMe系統(tǒng)一般采用將NVMe-oF與光纖通道或RDMA相結(jié)合的多個NVMe存儲設(shè)備。無論是從IOPS還是從延遲來看，系統(tǒng)都將擁有閃電般的速度。SCSI-on-FCarrayExistingenterprisestorageinfrastructure?4:雙悔波基陽架枸簡比了以太網(wǎng)向NVMeoF的過渡.ServerSCSI-on-FCarrayExistingenterprisestorageinfrastructure?4:雙悔波基陽架枸簡比了以太網(wǎng)向NVMeoF的過渡.ServerHBA:SC￡l-on-FC/NVMe/FCDualprotocolarray(SCSI-on-FCpNVMe/FC)NVMe/FCarrayNVMe的多協(xié)議支持簡化了您在進行如此重要的遷移時將面臨的購買決策。關(guān)鍵在于能否利用企業(yè)的現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)。對于許多企業(yè)而言，過渡到NVMe-oF需要幾年的時間，但這不是問題。與用一種技術(shù)代替另一種技術(shù)相比，更好的解決方案是采用雙協(xié)議光纖通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運行并發(fā)的FCP和NVMe/FC流量。這種方式提供了穩(wěn)定且經(jīng)濟高效的升級路徑，消除了關(guān)鍵技術(shù)過渡期間的不確定性和風(fēng)險。雖然NVMe是一項顛覆性技術(shù)，但不會顛覆您的持續(xù)運營，您可以無中斷地將其引入到您的企業(yè)中。如圖5所示，端到端NVMe/FC解決方案堆棧有三個主要組件：服務(wù)器、存儲系統(tǒng)以及將它們連接起來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)架構(gòu)。雖然可以用16Gb光纖通道交換機和控制器實施這種類型的SAN基礎(chǔ)架構(gòu)，但為了取得最佳效果，建議使用32Gb端到端光纖通道基礎(chǔ)架構(gòu)。正是當下對企業(yè)至關(guān)重要的工作負載造就了NVMe越來越高的受歡迎度。這些工作負載范圍廣泛，從早期建立的工作效率標準到尖端新應(yīng)用程序均在其中。在這些業(yè)務(wù)關(guān)鍵型工作負載中，許多只在SAN系統(tǒng)上運行或優(yōu)先運行：SAN基于目前速度最快的協(xié)議（即，光纖通道和iSCSI）構(gòu)建。SAN是許多數(shù)據(jù)庫工作負載的最佳選擇，而這些工作負載也是關(guān)鍵的業(yè)務(wù)需求。SAN屬于塊級系統(tǒng)，它像外部硬盤驅(qū)動器一樣與主機相連，這是許多環(huán)境中的一個重要架構(gòu)優(yōu)勢。事實上，大多數(shù)業(yè)務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序均基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，特別是Oracle數(shù)據(jù)庫、MicrosoftSQLServer和SAPHANA。SAN非常適合數(shù)據(jù)庫工作負載，因為它們的設(shè)計標準超越了企業(yè)最嚴格的關(guān)鍵性能指標，而這些指標通常圍繞以下因素設(shè)置：性能可用性易于使用適應(yīng)未來需求投資回報率為了優(yōu)化性能，數(shù)據(jù)庫管理員會持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，以確保充分利用每個硬件組件。這對于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序尤其重要，因為服務(wù)器無序增長或I/O瓶頸會大幅降低響應(yīng)時間。例如，當I/O請求必須等待處理時，連接到基于SATA的存儲系統(tǒng)的單個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器必然會遇到性能問題。為了解決此問題，IT架構(gòu)師有時會啟用另一臺服務(wù)器，在兩臺服務(wù)器之間拆分工作負載，或者將一臺服務(wù)器專用于用戶交互，另一臺服務(wù)器用于后端處理。但是這種替代方案成本高昂，一個企業(yè)數(shù)據(jù)庫許可證每年就要花費數(shù)萬美元，更不用說運營費用了。再加上電耗和散熱成本，NVMe顯然能讓您以更少的硬件和更低的成本完成更多任務(wù)。NVMe非常適合SAPHA