NVMe技術(shù)開啟SAN存儲(chǔ)革命

將閃存技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心時(shí)，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(duì)企業(yè)級(jí)應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生了巨大影響。閃存存儲(chǔ)還改變了最終用戶對(duì)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(kuò)展到了云中，他們?nèi)云谕谑褂盟袠I(yè)務(wù)應(yīng)用程序時(shí)獲得相同體驗(yàn)。

不過，因?yàn)閿?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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)協(xié)議。SCSI 是將近 40 年前為機(jī)械介質(zhì)開發(fā)的，雖然它能處理進(jìn)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(chǔ)介質(zhì)的需要。

原因在于 SCSI 將 I/O 請(qǐng)求放入一個(gè)隊(duì)列，其中最多包含256 個(gè)命令。當(dāng)來自應(yīng)用程序的 I/O 請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，它們只能排隊(duì)等待其他請(qǐng)求處理完畢。在旋轉(zhuǎn)磁盤時(shí)代，這種數(shù)據(jù)訪問延遲的確無關(guān)緊要，因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(dòng)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。

過去十年間，隨著PCIe總線的出現(xiàn)，這種情況有所改觀。該標(biāo)準(zhǔn)在速度上遠(yuǎn)超 SATA 和其他傳統(tǒng)協(xié)議。例如，PCIe 總線支持多達(dá) 65,535 個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列的隊(duì)列深度可達(dá) 65,535 個(gè)命令，而且可以將存儲(chǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算環(huán)境，這可能會(huì)給 SSD 帶來問題，因?yàn)槊總€(gè)供應(yīng)商的硬件都需要使用專有驅(qū)動(dòng)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(duì)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)：NVMe 規(guī)范。NVMe 實(shí)際上包含兩個(gè)截然不同但又相互交織的層面：

? 一個(gè)針對(duì)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)

NVMe 規(guī)范是從頭開始設(shè)計(jì)的，目的是在從移動(dòng)電話到網(wǎng)絡(luò)級(jí)服務(wù)提供商的各種計(jì)算環(huán)境中利用非易失性內(nèi)存。此外，由于 NVMe 可實(shí)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、Western Digital、Microsoft 和 Toshiba。NetApp 目前在其大多數(shù)混合閃存和全閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用 NVMe 存儲(chǔ)，可顯著提高這些系統(tǒng)的性能。

總之，NVMe 正在推動(dòng)著一場(chǎng)架構(gòu)變革，實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)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(chǔ)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(dāng)前的 NAND 閃存和 3D XPoint 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(qǐng)求所需的內(nèi)部鎖定

? 命令簡(jiǎn)化

? 上下文切換減少

? 無鎖定設(shè)計(jì)

? 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(chǔ)速度。但 NVMe 同時(shí)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(shì)現(xiàn)已擴(kuò)展到包括以太網(wǎng)、光纖通道和 InfiniBand 在內(nèi)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。NVMe-oF 增加了對(duì)前端存儲(chǔ)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(jìn)行更遠(yuǎn)距離的通信，并且可以橫向擴(kuò)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(qiáng)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(dá)到了 16 Gbps，目前已發(fā)展到第 6 代 (32 Gbps)，而且第 7 代也即將問世。與此同時(shí)，以太網(wǎng)的速度也增加到了 100 Gbps 及以上。

NVMe-oF 雖是一項(xiàng)相對(duì)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(gè)重要因素在于它不受底層傳輸機(jī)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(biāo)準(zhǔn)也支持遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問 (RDMA) 傳輸機(jī)制，例如 InfifiniBand、RoCE 和iWARP（圖 3）。

對(duì)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?yàn)樗粌H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(shì)在于，光纖通道能同時(shí)傳輸多個(gè)更高級(jí)別的協(xié)議，例如 NVMe/FC 和 FCP（基于光纖通道的 SCSI）。

對(duì)一些企業(yè)而言，業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)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(gè) NVMe 存儲(chǔ)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。

NVMe 的多協(xié)議支持簡(jiǎn)化了您在進(jìn)行如此重要的遷移時(shí)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(duì)于許多企業(yè)而言，過渡到 NVMe-oF 需要幾年的時(shí)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(yùn)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(jì)高效的升級(jí)路徑，消除了關(guān)鍵技術(shù)過渡期間的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。

雖然 NVMe 是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，但不會(huì)顛覆您的持續(xù)運(yùn)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(gè)主要組件：服務(wù)器、存儲(chǔ)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 16 Gb 光纖通道交換機(jī)和控制器實(shí)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 32 Gb 端到端光纖通道基礎(chǔ)架構(gòu)。

正是當(dāng)下對(duì)企業(yè)至關(guān)重要的工作負(fù)載造就了 NVMe 越來越高的受歡迎度。這些工作負(fù)載范圍廣泛，從早期建立的工作效率標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載中，許多只在 SAN 系統(tǒng)上運(yùn)行或優(yōu)先運(yùn)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(fù)載的最佳選擇，而這些工作負(fù)載也是關(guān)鍵的業(yè)務(wù)需求。

? SAN 屬于塊級(jí)系統(tǒng)，它像外部硬盤驅(qū)動(dòng)器一樣與主機(jī)相連，這是許多環(huán)境中的一個(gè)重要架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)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、Microsoft SQL Server 和 SAP HANA。SAN 非常適合數(shù)據(jù)庫工作負(fù)載，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)超越了企業(yè)最嚴(yán)格的關(guān)鍵性能指標(biāo)，而這些指標(biāo)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(bào)率

為了優(yōu)化性能，數(shù)據(jù)庫管理員會(huì)持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，以確保充分利用每個(gè)硬件組件。這對(duì)于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序尤其重要，因?yàn)榉?wù)器無序增長或 I/O 瓶頸會(huì)大幅降低響應(yīng)時(shí)間。

例如，當(dāng) I/O 請(qǐng)求必須等待處理時(shí)，連接到基于 SATA 的存儲(chǔ)系統(tǒng)的單個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器必然會(huì)遇到性能問題。為了解決此問題，IT 架構(gòu)師有時(shí)會(huì)啟用另一臺(tái)服務(wù)器，在兩臺(tái)服務(wù)器之間拆分工作負(fù)載，或者將一臺(tái)服務(wù)器專用于用戶交互，另一臺(tái)服務(wù)器用于后端處理。但是這種替代方案成本高昂，一個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)庫許可證每年就要花費(fèi)數(shù)萬美元，更不用說運(yùn)營費(fèi)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 SAP HANA、Apache Spark 以及依靠主內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的其他內(nèi)存數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。這些工作負(fù)載會(huì)使用海量數(shù)據(jù)集運(yùn)行，其大小有可能超過組合的集群內(nèi)存，這會(huì)給存儲(chǔ)系統(tǒng)造成巨大壓力。

在 SATA 環(huán)境中，即便使用 RAID 協(xié)議，也會(huì)存在硬件發(fā)生故障的重大風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)臨時(shí)降級(jí)甚至停止運(yùn)行，令情況雪上加霜。然而，如果采用 NVMe，即使是使用當(dāng)前速度驚人的多核處理器，總線速度也足以跟上 CPU 的速度。

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