為什么NVMe/TCP是數(shù)據(jù)中心的更優(yōu)選擇

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)改變了存儲行業(yè)。

NVMe最初是為高性能直連式PCIe SSD設(shè)計的，后來以NVMe over Fabrics（NVMe-oF）的形式進行了擴展，以支持機架級（rack-scale）的遠程SSD池。

業(yè)界普遍認為，這種新的NVMe-oF模式將取代iSCSI協(xié)議，作為計算服務器和存儲服務器之間的通信標準，并成為解耦合存儲（disaggregated storage）方案的默認協(xié)議。

然而，NVMe-oF最初的部署選項僅限于光纖通道（Fibre Channel）和遠程直接內(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雜性，將會如何？

NVMe over TCP（NVMe/TCP）就可以使用簡單高效的TCP/IP結(jié)構(gòu)將NVMe擴展到整個數(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。這些優(yōu)勢包括：

●   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

●   無需在應用服務器端進行更改

●   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NVMe優(yōu)化的高效、精簡的塊存儲網(wǎng)絡軟件棧

●   可并行訪問針對當今多核應用/客戶服務器優(yōu)化的存儲

●   標準的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實現(xiàn)了針對多核服務器 CPU 優(yōu)化的簡化命令模式和多隊列體系結(jié)構(gòu)。NVMe-oF規(guī)范擴展了NVMe，實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡共享PCIe SSD，其最初是使用RDMA結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。如今，Lightbits Labs與Facebook、英特爾和其他行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)合作來擴展NVMe-oF標準，以支持與RDMA結(jié)構(gòu)互補的TCP/IP傳輸。

基于NVMe/TCP的解耦合存儲方案具有簡單、高效等明顯優(yōu)勢。TCP具有普及性、可擴展性和可靠性，對于短暫連接和基于容器的應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)中心進行部署，因為幾乎所有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡都被設(shè)計為可支持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)絡接口卡（NIC）。NVMe/TCP Linux驅(qū)動程序原生匹配Linux內(nèi)核，可以使用標準的Linux網(wǎng)絡協(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)絡基礎(chǔ)設(shè)施的情況下輕松實現(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

2.1 直連式存儲架構(gòu)與NVMe

NVMe存儲協(xié)議旨在從固態(tài)驅(qū)動器（SSD）中提取全部性能。

NVMe協(xié)議中所設(shè)計的并行能力有助于實現(xiàn)這種性能。NVMe并未使用單一隊列的iSCSI模式。取而代之的是，NVMe在CPU子系統(tǒng)和存儲之間可支持多達64000個隊列。

SSD是使用多個并行通信信道與多個SSD存儲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單方法就是將NVMe SSD直接安裝到應用服務器上。換句話說，你必須使用DAS模式來構(gòu)建自己的存儲基礎(chǔ)設(shè)施。

使用DAS方法，應用可以受益于以下方面：

●   多個CPU

●   多個NVMe I/O隊列

●   并行SSD架構(gòu)

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

2.2 前一代基于 IP 的存儲架構(gòu)

以前，iSCSI標準是通過TCP/IP網(wǎng)絡連接至塊存儲的唯一選擇。它是在世紀之交開發(fā)的，當時大多數(shù)處理器都是單核器件。

在SCSI中，應用（Initiator）和存儲（Target）之間只有一個連接。對于iSCSI，也是只有一個TCP套接字（socket）將客戶端連接至塊存儲服務器。

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。當今處理器的這種復雜性要求對可用的存儲協(xié)議進行徹底改革。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)都是基于一個串行的旋轉(zhuǎn)型磁盤驅(qū)動器。

非易失性存儲器（NVM）是一種并行存儲技術(shù)，它不需要一個或多個盤片在一個或一組磁頭下面旋轉(zhuǎn)。使用 NVM存儲設(shè)備，可以并行訪問許多存儲單元，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性能要求的應用場景。然而，iSCSI卻不能滿足I/O密集型應用的要求，這類應用需要在大規(guī)模下實現(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)絡存儲協(xié)議。然而，這些替代方案要求在兩端（應用服務器和存儲服務器）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雜的。

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

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)動器是在部署到服務器中之前購買的或與服務器一起購買的，隨著時間的推移，它們的容量利用率增長得很緩慢。另外，為了避免存儲用盡這種尷尬的局面出現(xiàn)，DAS常常會有意將容量配置為過剩的狀態(tài)。

相比之下，將存儲從計算服務器中分離出來的數(shù)據(jù)中心會更加高效。這樣，存儲容量就可以獨立地進行擴展，并且可以根據(jù)需要分配給計算服務器。

隨著每GB閃存成本的降低，解耦合存儲方法更加經(jīng)濟高效，而且數(shù)據(jù)中心部署的前期成本也要低得多。通過動態(tài)分配存儲資源，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，計算和存儲可以獨立擴展，以最大限度地提高資源利用率和運行靈活性。

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

NVMe/TCP不會影響應用的性能。實際上，它通常會改善應用的尾部延遲，從而提升用戶體驗，并使云服務提供商能夠在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上支持更多用戶。它也不需要對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施或應用軟件進行任何更改。它還可以降低數(shù)據(jù)中心的總體擁有成本（TCO），并使維護和擴展超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心變得更容易。Lightbits Labs正與其他市場領(lǐng)導者合作，以實現(xiàn)該標準在行業(yè)中的廣泛采用。

NVMe/TCP利用標準的以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲，獨立地擴展計算和存儲，以實現(xiàn)最高的資源利用率，并降低TCO。

圖2 從直連式存儲（DAS）轉(zhuǎn)為解耦合存儲和計算

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：

●   與直連式存儲（DAS）相比，尾部延遲減少多達50%

●   SSD容量利用率翻倍

●   數(shù)據(jù)服務的性能提升2-4 倍

●   可擴展至數(shù)萬個節(jié)點

●   可支持實現(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現(xiàn)如下改進：

●   應用服務器及其存儲的物理分離

-    支持獨立部署、擴展和升級

-    支持存儲基礎(chǔ)設(shè)施比計算基礎(chǔ)設(shè)施更快地擴展

-    提高應用服務器和存儲的效率

-    通過對應用服務器和存儲硬件進行獨立的生命周期管理，可簡化管理并降低TCO

●   提供與內(nèi)部NVMe SSD相當?shù)母咝阅芎偷脱舆t

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

●   可在多跳（multi-hop）數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)中實現(xiàn)解耦合

圖3 NVMe/TCP可以跨數(shù)據(jù)中心將存儲節(jié)點連接至應用服務器

5. Lightbits存儲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。

當數(shù)萬或數(shù)十萬計算節(jié)點將直連式存儲的多個孤島鎖定在每個物理節(jié)點中時，云級網(wǎng)絡就會暴露出其所存在的極端復雜性。

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，計算和存儲可以獨立擴展，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，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)標準的TCP/IP協(xié)議組中。NVMe/TCP是將多個并行的NVMe I/O隊列映射到多個并行的TCP/IP連接上。這種NVMe和TCP之間的配對可以實現(xiàn)一種簡單的、基于標準的、端到端的并行架構(gòu)。

圖4 針對并行云架構(gòu)打造的NVMe/TCP

這種新的共享模式使用了創(chuàng)新的NVMe/TCP標準，該標準不會影響延遲，也不需要更改網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施或應用服務器軟件。Lightbits Labs正在與其他市場領(lǐng)導者合作，以推動這一新的 NVMe/TCP 標準的采用。

利用Lightbits Labs的解耦合存儲解決方案，存儲可以精簡的方式配置給應用服務器。精簡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，只有當應用服務器寫數(shù)據(jù)時，才會消耗底層存儲容量。因此，存儲在最后一刻（即需要它的時候）才會被使用。這將延遲對更多存儲資源的購買，從而進一步降低成本。Lightbits還為以線速運行的數(shù)據(jù)服務提供了一種硬件加速解決方案。

因此，當使用 Lightbits精簡配置技術(shù)和面向數(shù)據(jù)服務的硬件加速方案時，存儲成本可以降低到只有性能相當?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)動器的寫操作可以覆蓋現(xiàn)有數(shù)據(jù)不同，閃存驅(qū)動器只允許將數(shù)據(jù)寫入以前未寫入或已擦除的閃存塊中。

垃圾收集操作會導致“寫入放大”。顧名思義，SSD控制器執(zhí)行垃圾收集時，應用服務器發(fā)出的單個寫操作會被進行垃圾收集的SSD控制器在實際的閃存介質(zhì)上放大為更多的寫操作。寫入放大會增加閃存驅(qū)動器的耗損，這將影響它的長期使用。

此外，后臺的垃圾收集會導致即將到來的I/O的延遲增加，并且隨著更多隨機寫操作被寫入閃存驅(qū)動器，垃圾收集會顯著增加。不幸的是，很大比例的I/O都是隨機的?？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智能的管理層來解決這一問題，該層以不同的服務質(zhì)量（QoS）等級來管理SSD池。這種解決方案減少了SSD后臺操作，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)保護算法與用于數(shù)據(jù)服務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提供最高的投資回報率（ROI）。

5.2 高性能數(shù)據(jù)保護方案

要想實現(xiàn)存儲與應用服務器的分離，還需要智能、高效且不影響性能的數(shù)據(jù)保護功能。

Lightbits結(jié)合了高性能數(shù)據(jù)保護方案，其可與用于數(shù)據(jù)服務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實現(xiàn)了高效的閃存解耦合方案，在實施和運行方面具有以下優(yōu)點：

●   不需要任何昂貴的專用網(wǎng)絡硬件，Lightbits解決方案運行在標準的TCP/IP 網(wǎng)絡上。

●   使用TCP/IP以機架規(guī)模在一個或多個局域網(wǎng)上運行，沒有協(xié)議方面的限制。

●   提供與DAS相當?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)保護方案與其用于數(shù)據(jù)服務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行，且不影響性能。

●   實現(xiàn)了精簡配置的存儲卷，支持“按需付費”的消費模式。

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

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

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