為什么NVMe/TCP是數(shù)據(jù)中心的更優(yōu)選擇

作者：Lightbits Labs

自從NVMe作為高性能固態(tài)硬盤（SSD）的最新協(xié)議出現(xiàn)以來，已經(jīng)改變了存儲(chǔ)行業(yè)。

NVMe最初是為高性能直連式PCIe SSD設(shè)計(jì)的，后來以NVMe over Fabrics（NVMe-oF）的形式進(jìn)行了擴(kuò)展，以支持機(jī)架級(jí)（rack-scale）的遠(yuǎn)程SSD池。

業(yè)界普遍認(rèn)為，這種新的NVMe-oF模式將取代iSCSI協(xié)議，作為計(jì)算服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，并成為解耦合存儲(chǔ)（disaggregated storage）方案的默認(rèn)協(xié)議。

然而，NVMe-oF最初的部署選項(xiàng)僅限于光纖通道（Fibre Channel）和遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問（Remote Direct Memory Access，RDMA）結(jié)構(gòu)。

如果我們能夠提供一種新的、更強(qiáng)大的技術(shù)，既能提供NVMe的速度和性能，又不需要高昂的部署成本和復(fù)雜性，將會(huì)如何？

NVMe over TCP（NVMe/TCP）就可以使用簡(jiǎn)單高效的TCP/IP結(jié)構(gòu)將NVMe擴(kuò)展到整個(gè)數(shù)據(jù)中心。

本文將描述NVMe/TCP如何成為面向現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的一種更優(yōu)技術(shù)及其可提供的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括：

●支持跨數(shù)據(jù)中心可用區(qū)域的解耦合

●利用無處不在的TCP傳輸和低延遲、高并行的NVMe協(xié)議棧

●無需在應(yīng)用服務(wù)器端進(jìn)行更改

●可提供類似直連式SSD（DAS）性能和延遲的高性能NVMe-oF解決方案

●針對(duì)NVMe優(yōu)化的高效、精簡(jiǎn)的塊存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟件棧

●可并行訪問針對(duì)當(dāng)今多核應(yīng)用/客戶服務(wù)器優(yōu)化的存儲(chǔ)

●標(biāo)準(zhǔn)的NVMe-oF控制路徑操作

1. NVMe/TCP 概述

NVMe規(guī)范已經(jīng)成為高性能SSD的最新協(xié)議。

與SCSI、ISCSI、SAS或SATA 接口不同，NVMe實(shí)現(xiàn)了針對(duì)多核服務(wù)器 CPU 優(yōu)化的簡(jiǎn)化命令模式和多隊(duì)列體系結(jié)構(gòu)。NVMe-oF規(guī)范擴(kuò)展了NVMe，實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)共享PCIe SSD，其最初是使用RDMA結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。如今，Lightbits Labs與Facebook、英特爾和其他行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)合作來擴(kuò)展NVMe-oF標(biāo)準(zhǔn)，以支持與RDMA結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的TCP/IP傳輸。

基于NVMe/TCP的解耦合存儲(chǔ)方案具有簡(jiǎn)單、高效等明顯優(yōu)勢(shì)。TCP具有普及性、可擴(kuò)展性和可靠性，對(duì)于短暫連接和基于容器的應(yīng)用而言是一種理想的選擇。

此外，通過NVMe/TCP遷移到共享閃存（Flash）也不需要更改數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。無需更改基礎(chǔ)設(shè)施意味著可以輕松地跨數(shù)據(jù)中心進(jìn)行部署，因?yàn)閹缀跛袛?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)都被設(shè)計(jì)為可支持TCP/IP。

基于NVMe/TCP協(xié)議的廣泛行業(yè)合作意味著該協(xié)議從設(shè)計(jì)之初就具有廣闊的生態(tài)系統(tǒng)，并且支持任何操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。NVMe/TCP Linux驅(qū)動(dòng)程序原生匹配Linux內(nèi)核，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和NIC，無需任何修改。

這種很有前景的新協(xié)議為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心量身定制，可以在不改變底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下輕松實(shí)現(xiàn)部署。

圖1 NVMe/TCP可與Linux內(nèi)核中的現(xiàn)有NVMe協(xié)議無縫集成

2. 現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心如何處理存儲(chǔ)

2.1 直連式存儲(chǔ)架構(gòu)與NVMe

NVMe存儲(chǔ)協(xié)議旨在從固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）中提取全部性能。

NVMe協(xié)議中所設(shè)計(jì)的并行能力有助于實(shí)現(xiàn)這種性能。NVMe并未使用單一隊(duì)列的iSCSI模式。取而代之的是，NVMe在CPU子系統(tǒng)和存儲(chǔ)之間可支持多達(dá)64000個(gè)隊(duì)列。

SSD是使用多個(gè)并行通信信道與多個(gè)SSD存儲(chǔ)位置相連接的并行設(shè)備，這意味著SSD可以在大規(guī)模的并行流中高效地接收數(shù)據(jù)。在NVMe/TCP協(xié)議出現(xiàn)之前，利用這種并行模式的最簡(jiǎn)單方法就是將NVMe SSD直接安裝到應(yīng)用服務(wù)器上。換句話說，你必須使用DAS模式來構(gòu)建自己的存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施。

使用DAS方法，應(yīng)用可以受益于以下方面：

●多個(gè)CPU

●多個(gè)NVMe I/O隊(duì)列

●并行SSD架構(gòu)

對(duì)業(yè)界而言，挑戰(zhàn)在于將SSD從可能具有多余容量的獨(dú)立服務(wù)器轉(zhuǎn)移到具有更高基礎(chǔ)設(shè)施利用率且不會(huì)損失DAS性能收益的共享存儲(chǔ)解決方案。因此，所有NVMe解耦合技術(shù)的目標(biāo)都是在共享NVMe解決方案中實(shí)現(xiàn)DAS性能。

2.2 前一代基于 IP 的存儲(chǔ)架構(gòu)

以前，iSCSI標(biāo)準(zhǔn)是通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接至塊存儲(chǔ)的唯一選擇。它是在世紀(jì)之交開發(fā)的，當(dāng)時(shí)大多數(shù)處理器都是單核器件。

在SCSI中，應(yīng)用（Initiator）和存儲(chǔ)（Target）之間只有一個(gè)連接。對(duì)于iSCSI，也是只有一個(gè)TCP套接字（socket）將客戶端連接至塊存儲(chǔ)服務(wù)器。

現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心的處理器都是大規(guī)模并行多線程器件。當(dāng)今處理器的這種復(fù)雜性要求對(duì)可用的存儲(chǔ)協(xié)議進(jìn)行徹底改革。其結(jié)果就是NVMe作為SATA和SAS（串行連接 SCSI）的替代者出現(xiàn)了。

所有那些早期協(xié)議的開發(fā)都是基于一個(gè)串行的旋轉(zhuǎn)型磁盤驅(qū)動(dòng)器。

非易失性存儲(chǔ)器（NVM）是一種并行存儲(chǔ)技術(shù)，它不需要一個(gè)或多個(gè)盤片在一個(gè)或一組磁頭下面旋轉(zhuǎn)。使用 NVM存儲(chǔ)設(shè)備，可以并行訪問許多存儲(chǔ)單元，且具有較低的延遲。

毫無疑問，iSCSI仍然適用于具有低到中等存儲(chǔ)性能要求的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，iSCSI卻不能滿足I/O密集型應(yīng)用的要求，這類應(yīng)用需要在大規(guī)模下實(shí)現(xiàn)低延遲。

2.3 其他替代方案和NVMe/TCP解耦合方案

RDMA、基于聚合以太網(wǎng)的RDMA（RoCE），以及基于光纖信道的NVMe（NVMe over FC），也是試圖解決解耦合問題的其他網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)協(xié)議。然而，這些替代方案要求在兩端（應(yīng)用服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器）都安裝昂貴的特殊硬件，例如具備RDMA功能的NIC。此外，安裝了RDMA硬件之后，在你具備RDMA功能的交換結(jié)構(gòu)中配置和管理流控制也是很復(fù)雜的。

RDMA確實(shí)提供了適用于某些高性能計(jì)算環(huán)境的性能，但它要求更高的成本，并且需要進(jìn)行非常復(fù)雜的部署。

TCP/IP已被證明可以在超大規(guī)模環(huán)境中可靠、高效地工作。NVMe/TCP繼承了這種可靠性和效率，它可以作為RDMA的互補(bǔ)解決方案與之共存，也可以完全取代RDMA。

3. 數(shù)據(jù)中心中的閃存解耦合和 NVMe/TCP解決方案

在DAS環(huán)境中，驅(qū)動(dòng)器是在部署到服務(wù)器中之前購(gòu)買的或與服務(wù)器一起購(gòu)買的，隨著時(shí)間的推移，它們的容量利用率增長(zhǎng)得很緩慢。另外，為了避免存儲(chǔ)用盡這種尷尬的局面出現(xiàn)，DAS常常會(huì)有意將容量配置為過剩的狀態(tài)。

相比之下，將存儲(chǔ)從計(jì)算服務(wù)器中分離出來的數(shù)據(jù)中心會(huì)更加高效。這樣，存儲(chǔ)容量就可以獨(dú)立地進(jìn)行擴(kuò)展，并且可以根據(jù)需要分配給計(jì)算服務(wù)器。

隨著每GB閃存成本的降低，解耦合存儲(chǔ)方法更加經(jīng)濟(jì)高效，而且數(shù)據(jù)中心部署的前期成本也要低得多。通過動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)資源，可以避免過度配置（over-provisioning）開銷，從而大大降低總體成本。

NVMe/TCP解決方案釋放了基于解耦合高性能固態(tài)硬盤（SSD）的云基礎(chǔ)設(shè)施的潛力。它使數(shù)據(jù)中心能夠從低效的直連式SSD模式轉(zhuǎn)為一種共享模式，在該模式中，計(jì)算和存儲(chǔ)可以獨(dú)立擴(kuò)展，以最大限度地提高資源利用率和運(yùn)行靈活性。

這種新的共享模式采用了創(chuàng)新的 NVMe/TCP標(biāo)準(zhǔn)。Lightbits Labs發(fā)明了這一概念，并且正在引領(lǐng)這一新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

NVMe/TCP不會(huì)影響應(yīng)用的性能。實(shí)際上，它通常會(huì)改善應(yīng)用的尾部延遲，從而提升用戶體驗(yàn)，并使云服務(wù)提供商能夠在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上支持更多用戶。它也不需要對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或應(yīng)用軟件進(jìn)行任何更改。它還可以降低數(shù)據(jù)中心的總體擁有成本（TCO），并使維護(hù)和擴(kuò)展超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心變得更容易。Lightbits Labs正與其他市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者合作，以實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)中的廣泛采用。

NVMe/TCP利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?dú)立地?cái)U(kuò)展計(jì)算和存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)最高的資源利用率，并降低TCO。

圖2 從直連式存儲(chǔ)（DAS）轉(zhuǎn)為解耦合存儲(chǔ)和計(jì)算

4. Lightbits Labs：在數(shù)據(jù)中心部署NVMe/TCP

Lightbits Labs的解決方案提供了如下性能優(yōu)勢(shì)：

●與直連式存儲(chǔ)（DAS）相比，尾部延遲減少多達(dá)50%

●SSD容量利用率翻倍

●數(shù)據(jù)服務(wù)的性能提升2-4 倍

●可擴(kuò)展至數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)

●可支持實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬IOPS的性能，平均延遲低于200 μs

Lightbits解決方案在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性或安全性的情況下可實(shí)現(xiàn)如下改進(jìn)：

●應(yīng)用服務(wù)器及其存儲(chǔ)的物理分離

-支持獨(dú)立部署、擴(kuò)展和升級(jí)

-支持存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施比計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施更快地?cái)U(kuò)展

-提高應(yīng)用服務(wù)器和存儲(chǔ)的效率

-通過對(duì)應(yīng)用服務(wù)器和存儲(chǔ)硬件進(jìn)行獨(dú)立的生命周期管理，可簡(jiǎn)化管理并降低TCO

●提供與內(nèi)部NVMe SSD相當(dāng)?shù)母咝阅芎偷脱舆t

●可利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無需進(jìn)行更改

●可在多跳（multi-hop）數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)解耦合

圖3 NVMe/TCP可以跨數(shù)據(jù)中心將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接至應(yīng)用服務(wù)器

5. Lightbits存儲(chǔ)解決方案的工作原理

Lightbits Labs為云和數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施提供了解耦合閃存平臺(tái)。

當(dāng)數(shù)萬或數(shù)十萬計(jì)算節(jié)點(diǎn)將直連式存儲(chǔ)的多個(gè)孤島鎖定在每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)中時(shí)，云級(jí)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)暴露出其所存在的極端復(fù)雜性。

Lightbits的解決方案釋放了解耦合高性能 SSD解決方案的潛力。它使數(shù)據(jù)中心能夠從低效的直連式SSD模式轉(zhuǎn)為一種共享模式，在該模式中，計(jì)算和存儲(chǔ)可以獨(dú)立擴(kuò)展，以最大限度地提高資源利用率和靈活性。

在 Lightbits Labs發(fā)明NVMe/TCP時(shí)，我們繼續(xù)使用DAS設(shè)備所用的 NVMe模式，然后將其映射到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議組中。NVMe/TCP是將多個(gè)并行的NVMe I/O隊(duì)列映射到多個(gè)并行的TCP/IP連接上。這種NVMe和TCP之間的配對(duì)可以實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的、基于標(biāo)準(zhǔn)的、端到端的并行架構(gòu)。

圖4 針對(duì)并行云架構(gòu)打造的NVMe/TCP

這種新的共享模式使用了創(chuàng)新的NVMe/TCP標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)影響延遲，也不需要更改網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或應(yīng)用服務(wù)器軟件。Lightbits Labs正在與其他市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者合作，以推動(dòng)這一新的 NVMe/TCP 標(biāo)準(zhǔn)的采用。

利用Lightbits Labs的解耦合存儲(chǔ)解決方案，存儲(chǔ)可以精簡(jiǎn)的方式配置給應(yīng)用服務(wù)器。精簡(jiǎn)配置意味著管理員可以將任意大小的卷分配給客戶端。而且，只有當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器寫數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)消耗底層存儲(chǔ)容量。因此，存儲(chǔ)在最后一刻（即需要它的時(shí)候）才會(huì)被使用。這將延遲對(duì)更多存儲(chǔ)資源的購(gòu)買，從而進(jìn)一步降低成本。Lightbits還為以線速運(yùn)行的數(shù)據(jù)服務(wù)提供了一種硬件加速解決方案。

因此，當(dāng)使用 Lightbits精簡(jiǎn)配置技術(shù)和面向數(shù)據(jù)服務(wù)的硬件加速方案時(shí)，存儲(chǔ)成本可以降低到只有性能相當(dāng)?shù)腄AS解決方案成本的一小部分。

5.1 適合閃存的寫算法

對(duì)于讀和寫操作而言，閃存介質(zhì)的延遲都很低。但是，SSD上的閃存控制器必須持續(xù)執(zhí)行“垃圾收集”操作，以便為即將到來的寫操作提供可用空間。與硬盤驅(qū)動(dòng)器的寫操作可以覆蓋現(xiàn)有數(shù)據(jù)不同，閃存驅(qū)動(dòng)器只允許將數(shù)據(jù)寫入以前未寫入或已擦除的閃存塊中。

垃圾收集操作會(huì)導(dǎo)致“寫入放大”。顧名思義，SSD控制器執(zhí)行垃圾收集時(shí)，應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出的單個(gè)寫操作會(huì)被進(jìn)行垃圾收集的SSD控制器在實(shí)際的閃存介質(zhì)上放大為更多的寫操作。寫入放大會(huì)增加閃存驅(qū)動(dòng)器的耗損，這將影響它的長(zhǎng)期使用。

此外，后臺(tái)的垃圾收集會(huì)導(dǎo)致即將到來的I/O的延遲增加，并且隨著更多隨機(jī)寫操作被寫入閃存驅(qū)動(dòng)器，垃圾收集會(huì)顯著增加。不幸的是，很大比例的I/O都是隨機(jī)的?？偟膩碚f，這意味著用戶無法獲得最好的性能或閃存耐久性。

Lightbits Labs的解決方案通過一個(gè)智能的管理層來解決這一問題，該層以不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級(jí)來管理SSD池。這種解決方案減少了SSD后臺(tái)操作，并使I/O更快速、更高效。

LightOS架構(gòu)將多種算法緊密結(jié)合在一起，以便優(yōu)化性能和閃存利用率。這包括將數(shù)據(jù)保護(hù)算法與用于數(shù)據(jù)服務(wù)的硬件加速解決方案以及我們的高性能讀寫算法緊密結(jié)合在一起。最終，跨SSD池管理和平衡所有I/O，從而極大地提高閃存利用率。

這種設(shè)計(jì)提高了總體性能，減少了尾部延遲、寫入放大和SSD上的耗損。這意味著LightOS可以為你的閃存存儲(chǔ)提供最高的投資回報(bào)率（ROI）。

5.2 高性能數(shù)據(jù)保護(hù)方案

要想實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與應(yīng)用服務(wù)器的分離，還需要智能、高效且不影響性能的數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

Lightbits結(jié)合了高性能數(shù)據(jù)保護(hù)方案，其可與用于數(shù)據(jù)服務(wù)的硬件加速解決方案和讀寫算法一起工作。

就如何將數(shù)據(jù)寫入SSD池而言，相比傳統(tǒng)的RAID 算法，Lightbits的數(shù)據(jù)保護(hù)方法可以防止過多的寫入， 以避免SSD遭受更多耗損。

6. 總結(jié)

Lightbits Labs實(shí)現(xiàn)了高效的閃存解耦合方案，在實(shí)施和運(yùn)行方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

●不需要任何昂貴的專用網(wǎng)絡(luò)硬件，Lightbits解決方案運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上。

●使用TCP/IP以機(jī)架規(guī)模在一個(gè)或多個(gè)局域網(wǎng)上運(yùn)行，沒有協(xié)議方面的限制。

●提供與DAS相當(dāng)?shù)男阅芎脱舆t，包括尾部延遲比DAS尾部延遲低50%。

●將高性能數(shù)據(jù)保護(hù)方案與其用于數(shù)據(jù)服務(wù)的硬件加速解決方案，以及可確保性能不受影響的讀寫算法結(jié)合在一起。

●通過用于數(shù)據(jù)服務(wù)的硬件加速解決方案最大限度地提高閃存效率，該解決方案以全線速運(yùn)行，且不影響性能。

●實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)配置的存儲(chǔ)卷，支持“按需付費(fèi)”的消費(fèi)模式。

Lightbits是NVMe/TCP的發(fā)明者，也是其廣泛采用的推動(dòng)者。

作為一種新理念的應(yīng)用，Lightbits的NVMe/TCP解決方案可以實(shí)現(xiàn)高效的閃存解耦合，從而獲得與 DAS相當(dāng)甚至更好的性能。Lightbits創(chuàng)造了一種現(xiàn)代的IP存儲(chǔ)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式，可以最大限度地發(fā)揮應(yīng)用服務(wù)器、NVMe、TCP和SSD并行架構(gòu)的潛力。

通過Lightbits Labs的解決方案，云原生應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)云級(jí)性能，云數(shù)據(jù)中心可以降低其云級(jí)TCO。