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，已經改變了存儲行業(yè)。

NVMe最初是為高性能直連式PCIe SSD設計的，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）和遠程直接內存訪問（Remote Direct Memory Access，RDMA）結構。

如果我們能夠提供一種新的、更強大的技術，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結構將NVMe擴展到整個數(shù)據中心。

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

●支持跨數(shù)據中心可用區(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構。NVMe-oF規(guī)范擴展了NVMe，實現(xiàn)了通過網絡共享PCIe SSD，其最初是使用RDMA結構來實現(xiàn)的。如今，Lightbits Labs與Facebook、英特爾和其他行業(yè)領先企業(yè)合作來擴展NVMe-oF標準，以支持與RDMA結構互補的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)據中心的網絡基礎設施。無需更改基礎設施意味著可以輕松地跨數(shù)據中心進行部署，因為幾乎所有數(shù)據中心網絡都被設計為可支持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)和網絡接口卡（NIC）。NVMe/TCP Linux驅動程序原生匹配Linux內核，可以使用標準的Linux網絡協(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)據中心量身定制，可以在不改變底層網絡基礎設施的情況下輕松實現(xiàn)部署。

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

2. 現(xiàn)在的數(shù)據中心如何處理存儲

2.1 直連式存儲架構與NVMe

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

NVMe協(xié)議中所設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。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模式來構建自己的存儲基礎設施。

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

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移到具有更高基礎設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

以前，iSCSI標準是通過TCP/IP網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型磁盤驅動器。

非易失性存儲器（NVM）是一種并行存儲技術，它不需要一個或多個盤片在一個或一組磁頭下面旋轉。使用 NVM存儲設備，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功能的交換結構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)據中心中的閃存解耦合和 NVMe/TCP解決方案

在DAS環(huán)境中，驅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濟高效，而且數(shù)據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）的云基礎設施的潛力。它使數(shù)據中心能夠從低效的直連式SSD模式轉為一種共享模式，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設施上支持更多用戶。它也不需要對數(shù)據中心網絡基礎設施或應用軟件進行任何更改。它還可以降低數(shù)據中心的總體擁有成本（TCO），并使維護和擴展超大規(guī)模數(shù)據中心變得更容易。Lightbits Labs正與其他市場領導者合作，以實現(xiàn)該標準在行業(yè)中的廣泛采用。

NVMe/TCP利用標準的以太網網絡拓撲，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）轉為解耦合存儲和計算

4. Lightbits Labs：在數(shù)據中心部署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

-支持存儲基礎設施比計算基礎設施更快地擴展

-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

●提供與內部NVMe SSD相當?shù)母咝阅芎偷脱舆t

●可利用現(xiàn)有的網絡基礎設施，無需進行更改

●可在多跳（multi-hop）數(shù)據中心網絡架構中實現(xiàn)解耦合

圖3 NVMe/TCP可以跨數(shù)據中心將存儲節(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)據中心基礎設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)據中心能夠從低效的直連式SSD模式轉為一種共享模式，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。

圖4 針對并行云架構打造的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，也不需要更改網絡基礎設施或應用服務器軟件。Lightbits Labs正在與其他市場領導者合作，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精簡配置技術和面向數(shù)據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。與硬盤驅動器的寫操作可以覆蓋現(xiàn)有數(shù)據不同，閃存驅動器只允許將數(shù)據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上放大為更多的寫操作。寫入放大會增加閃存驅動器的耗損，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。總的來說，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架構將多種算法緊密結合在一起，以便優(yōu)化性能和閃存利用率。這包括將數(shù)據保護算法與用于數(shù)據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)據保護功能。

Lightbits結合了高性能數(shù)據保護方案，其可與用于數(shù)據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)據寫入SSD池而言，相比傳統(tǒng)的RAID 算法，Lightbits的數(shù)據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

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絡硬件，Lightbits解決方案運行在標準的TCP/IP 網絡上。

●使用TCP/IP以機架規(guī)模在一個或多個局域網上運行，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)據保護方案與其用于數(shù)據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合在一起。

●通過用于數(shù)據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)據中心可以降低其云級TCO。