華為NoF+存儲網(wǎng)絡(luò)解決方案實現(xiàn)顛覆性改進(jìn)

傳統(tǒng)協(xié)議無法滿足全閃存數(shù)據(jù)中心的要求，NVMe存儲協(xié)議的出現(xiàn)極大提升了存儲系統(tǒng)內(nèi)部的存儲吞吐性能、降低了傳輸時延，NoF（NVMe over Fabric）存儲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。在多種Fabric技術(shù)中，NVMe over RoCE（RDMA over Converged Ethernet）被廣大存儲廠商所接受，成為業(yè)界NoF的主流。華為推出的NoF+存儲網(wǎng)絡(luò)解決方案，相較于標(biāo)準(zhǔn)NoF方案，在性能、可靠性、易用性上均實現(xiàn)了顛覆性改進(jìn)，是全閃存時代的最佳選擇。

本文內(nèi)容參考自《數(shù)據(jù)中心前沿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合集（1）》和《數(shù)據(jù)中心前沿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合集（2）》。

隨著存儲介質(zhì)從HDD發(fā)展到SSD，存儲高性能吞吐與SCSI協(xié)議傳輸較低性能吞吐之間的矛盾日益嚴(yán)重，從而出現(xiàn)了NVMe存儲協(xié)議。NVMe規(guī)范了SSD訪問接口，簡化了協(xié)議復(fù)雜性，充分利用PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）通道的低延時以及并行性，利用多核處理器，通過降低協(xié)議交互時延，增加協(xié)議并發(fā)能力，并且精簡操作系統(tǒng)協(xié)議堆棧，顯著提高了SSD的讀寫性能。

全場景閃存化推動了數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)改革，NVMe最大化釋放了SSD介質(zhì)的能力。更快的存儲呼吁更快的網(wǎng)絡(luò)。NoF存儲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，通過使用IP網(wǎng)絡(luò)對專用網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性革新，實現(xiàn)了更高的帶寬和更低的時延，同時也兼具IP易管理的優(yōu)勢，是更好地實現(xiàn)端到端NVMe存儲網(wǎng)絡(luò)的最佳方案。

NoF將NVMe協(xié)議應(yīng)用到服務(wù)器主機前端，作為存儲陣列與前端主機連接的通道，可端到端取代SAN網(wǎng)絡(luò)中的SCSI協(xié)議，構(gòu)建全以太的存儲SAN網(wǎng)絡(luò)。

NVMe over Fabric中的“Fabric”，是NVMe的承載網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)可以是RoCE、FC或TCP。具體說明如下：

NVMe over FC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為FC-NVMe，F(xiàn)C-NVMe和FC-SCSI同樣都基于FCP，IO交互基于Exchange。FC-NVMe基于傳統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)，通過升級主機驅(qū)動和交換機支持，F(xiàn)C-SCSI和FC-NVMe能同時運行在同一個FC網(wǎng)絡(luò)中。FC-NVMe能最大化繼承傳統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)，復(fù)用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，基于FC物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮NVMe新協(xié)議的優(yōu)勢。

NVMe over TCP基于現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)，采用TCP協(xié)議傳輸NVMe，在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不變的情況下實現(xiàn)了端到端NVMe。

NVMe over RoCE是NVMe over RDMA的一種，RDMA是承載NoF的原生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，RDMA協(xié)議除了RoCE外還包括IB（InfiniBand）和iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）。

其中，基于以太網(wǎng)的RoCE目前已成為RDMA的主流網(wǎng)絡(luò)承載方式。NVMe over RDMA協(xié)議比較簡單，直接把NVMe的IO隊列映射到RDMA QP（Queue Pair）連接，通過RDMA SEND，RDMA WRITE，RDMA READ三個語義實現(xiàn)IO交互。NVMe over RoCE基于融合以太網(wǎng)的RDMA技術(shù)承載NVMe協(xié)議。

三種方案相比較，基于以太網(wǎng)的RoCE比FC性能更高（更高的帶寬、更低的時延），同時兼具TCP的優(yōu)勢（全以太化、全I(xiàn)P化），因此NVMe over RoCE是NoF最優(yōu)的承載網(wǎng)絡(luò)方案，也已成為業(yè)界NoF的主流技術(shù)。

基于以太網(wǎng)的RoCE在存儲性能、帶寬方面比FC有顯著優(yōu)勢，但替換FC，聯(lián)接全閃存，標(biāo)準(zhǔn)的NVMe over RoCE還需在3個方面加強完善：

1.網(wǎng)絡(luò)性能：零丟包網(wǎng)絡(luò)零丟包是存儲網(wǎng)絡(luò)的基本需求，傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)擁塞易丟包。

2.可靠性：秒級主備切換存儲為了可靠性，會構(gòu)建多個網(wǎng)絡(luò)平面，切換時間需<1s。

3.易用性：即插即用FC存儲網(wǎng)絡(luò)場景單一、配置簡單，當(dāng)前以太網(wǎng)絡(luò)還需針對存儲場景適應(yīng)性改進(jìn)。

基于當(dāng)下業(yè)界主流的標(biāo)準(zhǔn)NoF方案，華為依靠在網(wǎng)絡(luò)和存儲領(lǐng)域的深厚積累，進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性和易用性這三點都進(jìn)行提升，基于智能無損網(wǎng)絡(luò)面向集中式存儲場景提出了NoF+解決方案，將數(shù)據(jù)中心存儲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步推向更廣闊的發(fā)展空間。

網(wǎng)絡(luò)性能增強：NoF+方案改變了傳統(tǒng)以太靜態(tài)水線方式，對網(wǎng)絡(luò)預(yù)測性能力進(jìn)行專項優(yōu)化，通過樣本計算，針對特定場景，通過算法進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，從而預(yù)判業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的訴求，提前做出優(yōu)化，實現(xiàn)高吞吐帶寬，進(jìn)一步提升性能。

可靠性增強：保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)可靠是存儲的根基，比如存儲的秒級切換功能就是可靠性的關(guān)鍵保障之一，標(biāo)準(zhǔn)以太缺乏故障主動發(fā)現(xiàn)和通知能力，NoF+實現(xiàn)了從事后被動響應(yīng)到主動通知、提前識別擁塞和故障。當(dāng)一個節(jié)點出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)會以亞秒級響應(yīng)速度切換，在高性能運行的前提下，也能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

易用性增強：華為的存儲與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品強強聯(lián)合，打造了“即插即用”的方案，實現(xiàn)了一鍵式擴容，自動化管理，增強了在未來建設(shè)時的易用性。

在數(shù)據(jù)中心常規(guī)組網(wǎng)里面，存儲網(wǎng)絡(luò)只是其中的一部分，集中式存儲是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)，與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)在物理上隔離。

業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)：是指業(yè)務(wù)服務(wù)器對外提供服務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)互連互通。

計算網(wǎng)絡(luò)：是指運行OLTP/OLAP（Online Transaction Processing/Online Analytical Processing）數(shù)據(jù)庫的后臺服務(wù)計算節(jié)點所組成的物理網(wǎng)絡(luò)，使用不同的網(wǎng)卡連接業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)之間物理隔離，避免相互影響。

存儲網(wǎng)絡(luò)：是指計算服務(wù)器訪問存儲數(shù)據(jù)時使用通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)一般是獨立的物理網(wǎng)絡(luò)。為了保證數(shù)據(jù)高可靠，存儲網(wǎng)絡(luò)支持DC級容災(zāi)，支持同城雙活存儲網(wǎng)絡(luò)，確保業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障、甚至單數(shù)據(jù)中心故障時，業(yè)務(wù)無感知自動切換，實現(xiàn)RPO（Recovery Point Objective）=0，RTO（Recovery Time Objective）≈0（與應(yīng)用系統(tǒng)及部署方式有關(guān)）。

數(shù)據(jù)中心為了容災(zāi)考慮，需要實現(xiàn)多數(shù)據(jù)中心互通。同城兩個數(shù)據(jù)中心互為備份，且都處于運行狀態(tài)。當(dāng)一個數(shù)據(jù)中心發(fā)生設(shè)備故障，甚至數(shù)據(jù)中心整體故障時，業(yè)務(wù)自動切換到另一個數(shù)據(jù)中心，解決了傳統(tǒng)災(zāi)備中心不能承載業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)無法自動切換的問題。提供給用戶高級別的數(shù)據(jù)可靠性以及業(yè)務(wù)連續(xù)性的同時，提高存儲系統(tǒng)的資源利用率。異地進(jìn)行異步數(shù)據(jù)備份。

在集中式存儲下，為了實現(xiàn)同城讀寫支持NVME over ROCE，需要實現(xiàn)同城無損網(wǎng)絡(luò)，即需要一套跨DC的無損網(wǎng)絡(luò)，每個DC部署兩臺支持智能長距無損的DCI Leaf，中間通過波分設(shè)備或者裸光纖直連實現(xiàn)雙平面，實現(xiàn)端到端的ROCE無損網(wǎng)絡(luò)。

在本場景中，常見的流量有以下幾種類型：

由應(yīng)用發(fā)起對存儲節(jié)點數(shù)據(jù)的讀操作，此時計算節(jié)點訪問同DC中的存儲節(jié)點，存儲節(jié)點返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖中藍(lán)色線條所示。

當(dāng)應(yīng)用同時還需要對存儲寫數(shù)據(jù)時，除了對本DC內(nèi)的存儲節(jié)點執(zhí)行寫操作，在存儲系統(tǒng)之間，同時也會發(fā)起對另外DC中存儲的寫操作，作為數(shù)據(jù)的復(fù)制備份，如圖中黑色線條所示。

當(dāng)上層應(yīng)用在寫本DC存儲時，會先探測本DC內(nèi)存儲節(jié)點是否可用，如果不可用，則應(yīng)用會將數(shù)據(jù)寫入到DC2中的存儲節(jié)點中，如圖中紅色線條所示。然后DC2中的存儲節(jié)點，再嘗試將數(shù)據(jù)復(fù)制寫如到DC1的存儲節(jié)點中，如圖中的紫色線條所示。

RoCEv2協(xié)議將RDMA遷移到了ETH/IP網(wǎng)絡(luò)，使得ETH/IP網(wǎng)絡(luò)支持HPC、AI、分布式存儲和集中式存儲。NoF+存儲網(wǎng)絡(luò)解決方案借助RoCEv2技術(shù)改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心前端業(yè)務(wù)網(wǎng)采用以太網(wǎng)、計算網(wǎng)采用IB網(wǎng)、存儲網(wǎng)采用FC網(wǎng)的異構(gòu)模式，讓智能無損網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)三網(wǎng)合一成為可能，全部采用以太的方式部署。

審核編輯：郭婷