談談關于NVMe和NVMe-oF的那些事

作者：架構師技術聯盟 2018-12-26 13:22:05

云計算

虛擬化 NVMe傳輸是一種抽象協(xié)議層，旨在提供可靠的NVMe命令和數據傳輸。為了支持數據中心的網絡存儲，通過NVMe over Fabric實現NVMe標準在PCIe總線上的擴展，以此來挑戰(zhàn)SCSI在SAN中的統(tǒng)治地位。

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 NVMe傳輸是一種抽象協(xié)議層，旨在提供可靠的NVMe命令和數據傳輸。為了支持數據中心的網絡存儲，通過NVMe over Fabric實現NVMe標準在PCIe總線上的擴展，以此來挑戰(zhàn)SCSI在SAN中的統(tǒng)治地位。NVMe over Fabric支持把NVMe映射到多個Fabrics傳輸選項，主要包括FC、InfiniBand、RoCE v2、iWARP和TCP。

然而，在這些Fabrics選項協(xié)議中，我們常常認為InfiniBand、RoCE v2(可路由的RoCE)、iWARP是理想的Fabric，其原因在于它們支持RDMA。

• InfiniBand(IB)：從一開始就支持RDMA的新一代網絡協(xié)議。由于這是一種新的網絡技術，因此需要支持該技術的網卡和交換機。
• RDMA融合以太網(RoCE)：一種允許通過以太網進行RDMA的網絡協(xié)議。其較低的網絡頭是以太網頭，其上網絡頭(包括數據)是InfiniBand頭。這允許在標準以太網基礎架構(交換機)上使用RDMA。只有NIC應該是特殊的，并支持RoCE。
• 互聯網廣域RDMA協(xié)議(iWARP)：允許通過TCP執(zhí)行RDMA的網絡協(xié)議。在IB和RoCE中存在功能，iWARP不支持這些功能。這允許在標準以太網基礎架構(交換機)上使用RDMA。只有NIC應該是特殊的，并支持iWARP(如果使用CPU卸載)，否則所有iWARP堆棧都可以在SW中實現，并且丟失了大部分的RDMA性能優(yōu)勢。

那么為什么支持RDMA在選擇NVMe over Fabric時就具有先天優(yōu)勢？這要從RDMA的功能和優(yōu)勢說起。

RDMA是一種新的內存訪問技術，RDMA讓計算機可以直接存取其他計算機的內存，而不需要經過處理器耗時的處理。RDMA將數據從一個系統(tǒng)快速移動到遠程系統(tǒng)存儲器中，而不對操作系統(tǒng)造成任何影響。RDMA技術的原理及其與TCP/IP架構的對比如下圖所示。

因此，RDMA可以簡單理解為利用相關的硬件和網絡技術，服務器1的網卡可以直接讀寫服務器2的內存，最終達到高帶寬、低延遲和低資源利用率的效果。如下圖所示，應用程序不需要參與數據傳輸過程，只需要指定內存讀寫地址，開啟傳輸并等待傳輸完成即可。RDMA的主要優(yōu)勢總結如下：

1) Zero-Copy：數據不需要在網絡協(xié)議棧的各個層之間來回拷貝，這縮短了數據流路徑。

2) Kernel-Bypass：應用直接操作設備接口，不再經過系統(tǒng)調用切換到內核態(tài)，沒有內核切換開銷。

3) None-CPU：數據傳輸無須CPU參與，完全由網卡搞定，無需再做發(fā)包收包中斷處理，不耗費CPU資源。

這么多優(yōu)勢總結起來就是提高處理效率，減低時延。那如果其他網絡Fabric可以通過類似RDMA的技術滿足NVMe over Fabric的效率和時延等要求，是否也可以作為NVMe overFabric的Fabric呢？下面再看看NVMe-oF和NVMe的區(qū)別。

NVMe-oF和NVMe之間的主要區(qū)別是傳輸命令的機制。NVMe通過外圍組件互連Express(PCIe)接口協(xié)議將請求和響應映射到主機中的共享內存。NVMe-oF使用基于消息的模型通過網絡在主機和目標存儲設備之間發(fā)送請求和響應。

NVMe-oF替代PCIe來擴展NVMe主機和NVMe存儲子系統(tǒng)進行通信的距離。與使用本地主機的PCIe 總線的NVMe存儲設備的延遲相比，NVMe-oF的最初設計目標是在通過合適的網絡結構連接的NVMe主機和NVMe存儲目標之間添加不超過10 微秒的延遲。

此外，在技術細節(jié)和工作機制上兩者有很大不同，NVMe-oF是在NVMe(NVMe over PCIe)的基礎上擴展和完善起來的，具體差異點如下：

• 命名機制在兼容NVMe over PCIe的基礎上做了擴展，例如：引入了SUBNQN等。
• 術語上的變化，使用Capsule、Response Capsule來表示傳輸的報文
• 擴展了Scatter Gather Lists (SGLs)支持In Capsule Data傳輸。此前NVMe over PCIe中的SGL不支持In Capsule Data傳輸。
• 增加了Discovery和Connect機制，用于發(fā)現和連接拓撲結構中的NVM Subsystem
• 在Connection機制中增加了創(chuàng)建Queue的機制，刪除了NVMe over PCIe中的創(chuàng)建和刪除Queue的命令。
• 在NVMe-oF中不存在PCIe架構下的中斷機制。
• NVMe-oF不支持CQ的流控，所以每個隊列的OutStanding Capsule數量不能大于對應CQ的Entry的數量，從而避免CQ被OverRun
• NVMe-oF僅支持SGL，NVMe over PCIe 支持SGL/PRP

先談談博科一直推崇的FC Fabric，FC-NVMe將NVMe命令集簡化為基本的FCP指令。由于光纖通道專為存儲流量而設計，因此系統(tǒng)中內置了諸如發(fā)現，管理和設備端到端驗證等功能。

光纖通道是面向NVMe overFabrics(NVMe-oF)的Fabric傳輸選項，由NVMExpress Inc.(一家擁有100多家成員技術公司的非營利組織)開發(fā)的規(guī)范。其他NVMe傳輸選項包括以太網和InfiniBand上的遠程直接內存訪問(RDMA)。NVM Express Inc.于2016年6月5日發(fā)布了1.0版NVMe-oF。

國際信息技術標準委員會(INCITS)的T11委員會定義了一種幀格式和映射協(xié)議，將NVMe-oF應用到光纖通道。T11委員會于2017年8月完成了FC-NVMe標準的***版，并將其提交給INCITS出版。

FC協(xié)議(FCP)允許上層傳輸協(xié)議，如NVMe，小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)和IBM專有光纖連接(FICON)的映射，以實現主機和外圍目標存儲設備或系統(tǒng)之間的數據和命令傳輸。

在大規(guī)?；趬K閃存的存儲環(huán)境最有可能采用NVMeover FC。FC-NVMe光纖通道提供NVMe-oF結構、可預測性和可靠性特性等與給SCSI提供的相同，另外，NVMe-oF流量和傳統(tǒng)的基于SCSI的流量可以在同一FC結構上同時運行。

基于FC標準的NVMe定義了FC-NVMe協(xié)議層。NVMe over Fabrics規(guī)范定義了NVMe-oF協(xié)議層。NVMe規(guī)范定義了NVMe主機軟件和NVM子系統(tǒng)協(xié)議層。

要求必須支持基于光纖通道的NVMe才能發(fā)揮潛在優(yōu)勢的基礎架構組件，包括存儲操作系統(tǒng)(OS)和網絡適配器卡。FC存儲系統(tǒng)供應商必須讓其產品符合FC-NVMe的要求。目前支持FC-NVMe的主機總線適配器(HBA)的供應商包括Broadcom和Cavium。Broadcom和思科是主要的FC交換機供應商，目前博科的Gen 6代FC交換機已經支持NVMe-oF協(xié)議。

NVMe over fabric白皮書明確列出了光纖通道作為一個NVMeover Fabrics選擇，也描述了理想的Fabrics需要具備可靠的、以Credit為基礎的流量控制和交付機制。然而，基于Credit的流程控制機制是FC、PCIe傳輸原生能力。在NVMe的白皮書中并沒有把RDMA列為“理想”NVMe overFabric的重要屬性，也就是說RDMA除了只是一種實現NVMeFabric的方法外，沒有什么特別的。

FC也提供零拷貝(Zero-Copy)技術支持DMA數據傳輸。RDMA通過從本地服務器傳遞Scatter-Gather List到遠程服務器有效地將本地內存與遠程服務器共享，使遠程服務器可以直接讀取或寫入本地服務器的內存。更多關于NVMe over FC的內容，請參考“基于FC的NVMe或FC-NVMe標準”和“Brocade為何認為FC是***的Fabric”。

接下來，談談基于RDMA技術實現NVMe over fabric的Fabric技術，RDMA技術最早出現在Infiniband網絡，用于HPC高性能計算集群的互聯。基于InfiniBand的NVMe傾向于吸引需要極高帶寬和低延遲的高性能計算工作負載。InfiniBand網絡通常用于后端存儲系統(tǒng)內的通信，而不是主機到存儲器的通信。與FC一樣，InfiniBand是一個需要特殊硬件的無損網絡，它具有諸如流量和擁塞控制以及服務質量(QoS)等優(yōu)點。但與FC不同的是，InfiniBand缺少發(fā)現服務自動將節(jié)點添加到結構中。關于更多RDMA知識，請讀者參考文章“RDMA技術原理分析、主流實現對比和解析”。

***，談談NVMe/TCP協(xié)議選項(暫記為NVMe over TCP)，在幾年前，NVMe Express組織計劃支持傳輸控制協(xié)議(TCP)的傳輸選項(不同于基于TCP的iWARP)。近日NVM Express Inc.歷時16個月發(fā)布了NVMe over TCP***個版本。該Fabric標準的出現已經回答了是否滿足承載NVMe協(xié)議標準的Fabric即可作為NVMe over fabric的Fabric的問題。

但是TCP 協(xié)議會帶來遠高于本地PCIe訪問的網絡延遲，使得NVMe協(xié)議低延遲的目標遭到破壞。在沒有采用RDMA技術的前提下，NVMe/TCP是采用什么技術達到類似RDMA技術的傳輸效果呢？下面引用楊子夜(Intel存儲軟件工程師)觀點，談談促使了NVMe/TCP的誕生幾個技術原因：

1. NVMe虛擬化的出現：在NVMe虛擬化實現的前提下，NVMe-oF target那端并不一定需要真實的NVMe 設備，可以是由分布式系統(tǒng)抽象虛擬出來的一個虛擬NVMe 設備，為此未必繼承了物理NVMe設備的高性能的屬性 。那么在這一前提下，使用低速的TCP協(xié)議也未嘗不可。

2. 向后兼容性：NVMe-oF協(xié)議，在某種程度上希望替換掉iSCSI 協(xié)議（iSCSI最初的協(xié)議是RFC3720，有很多擴展）。iSCSI協(xié)議只可以在以太網上運行，對于網卡沒有太多需求，并不需要網卡一定支持RDMA。當然如果能支持RDMA， 則可以使用iSER協(xié)議，進行數據傳輸的CPU 資源卸載。 但是NVMe-oF協(xié)議一開始沒有TCP的支持。于是當用戶從iSCSI向NVMe-oF 轉型的時候，很多已有的網絡設備無法使用。這樣會導致NVMe-oF協(xié)議的接受度下降。在用戶不以性能為首要考量的前提下，顯然已有NVMe-oF協(xié)議對硬件的要求，會給客戶的轉型造成障礙，使得用戶數據中心的更新換代不能順滑地進行。

3. TCP OffLoading：雖然TCP協(xié)議在很大程度上會降低性能，但是TCP也可以使用OffLoading，或者使用Smart NIC或者FPGA。那么潛在的性能損失可得到一定的彌補?？偟膩碚f短期有性能損失，長期來講協(xié)議對硬件的要求降低，性能可以改進。為此總的來講，接受度會得到提升。

4. 相比Software RoCE：在沒有TCP Transport的時候，用戶在不具備RDMA網卡設備的時候。如果要進行NVMe-oF的測試，需要通過Software RoCE，把網絡設備模擬成一個具有RDMA功能的設備，然后進行相應的測試。其真實實現是通過內核的相應模塊，實際UDP 包來封裝模擬RDMA協(xié)議。有了TCP transport協(xié)議，則沒有這么復雜，用戶可以采用更可靠的TCP協(xié)議來進行NVMe-oF的一些相關測試。 從測試部署來講更加簡單有效。

NVMe/TCP(NVMe over TCP)的協(xié)議，在一定程度上借鑒了iSCSI的協(xié)議，例如iSCSI數據讀寫的傳輸協(xié)議。這個不太意外，因為有些協(xié)議的指定參與者，也是iSCSI協(xié)議的指定參與者。另外iSCSI協(xié)議的某些部分確實寫得很好。 但是NVMe/TCP相比iSCSI協(xié)議更加簡單，可以說是取其精華。

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