到底什么是NVMe？它到底有啥用

NVMe的發(fā)展史NVMe發(fā)展的過程，就是不斷給SSD“開綠燈”的過程。今天我們已經(jīng)知道，SSD的出現(xiàn)帶給存儲系統(tǒng)性能提升是革命性的，然而在當(dāng)時的年代里，SSD的性能想要完全發(fā)揮，卻面臨著諸多瓶頸。這是因為是當(dāng)時的存儲系統(tǒng)都是面向機械硬盤而設(shè)計的。舉例來說，早期的全閃或混閃陣列中很多是在使用傳統(tǒng)的存儲技術(shù)——SATASSD，這類存儲基于AHCI(AdvancedHostControllerInterface，高級主機控制器接口)命令協(xié)議。而AHCI是為機械硬盤而生，采用AHCI的SATAIII總線只允許數(shù)據(jù)傳輸速度達到600MB/s。因此，為了讓SSD在存儲中跑得更暢快，NVMe規(guī)范誕生了。NVMe全稱是NonvolatileMemoryExpress（非易失性內(nèi)存標準），在它首次投放市場的時候，許多人認為它只是一個新的、速度更快的SSD。但實際上，NVMe是一種基于性能并從頭開始創(chuàng)建新存儲協(xié)議，它可以使我們能夠充分利用SSD和存儲類內(nèi)存（SCM）的速度。NVMe替代了原有的AHCI規(guī)范，并且軟件層面的處理命令也進行了重新定義，不再采用SCSI／ATA命令規(guī)范。并且NVMeSSD利用了計算機或服務(wù)器中的PCIe高速總線，將其直接連接到計算機，從而減少了CPU的開銷，簡化了操作，降低了延遲，提高了IOPS和吞吐量。隊列深度（QD）是NVMe相對于AHCI的另一個優(yōu)勢。SAS和AHCI只能是單個隊列，而且每個隊列的深度也比較低，分別是254和32的隊列深度。而NVMe協(xié)議設(shè)計之初就考慮了該問題，它的最大隊列數(shù)量可以是65K，而且每個隊列的深度可以高達65K。除了減少延遲外，這對于提高服務(wù)器處理并發(fā)請求的能力至關(guān)重要。▉

什么是端到端NVMe？說完了NVMe，再來說說端到端NVMe。聽到描述一款產(chǎn)品特性的時候，我們會常常聽到這款產(chǎn)品支持“端到端NVMe”這個詞匯。其實，支持端到端NVMe意味著SSD的性能還能得到進一步的釋放。這是因為當(dāng)時的全閃存陣列大部分是在存儲后端支持NVMeSSD，與使用SATA或SASSSD的全閃存陣列相比，確實帶來了性能的提升。然而，這并不意味NVMeSSD已經(jīng)發(fā)揮出了它的性能極限。事實上，NVMeSSD全閃存陣列理論上可以提供更大的性能提升——比使用SAS和SATASSD的全閃存陣列多10倍性能。這種巨大的性能差異源于這樣一個事實，即當(dāng)時的全閃存陣列控制器架構(gòu)也是為了適應(yīng)機械硬盤而設(shè)計的，而在使用NVMeSSD時，這種控制器就成為了阻礙，為此，陣列控制器以及存儲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須不斷發(fā)展。而NVMeoverFabrics（簡稱NVMe-OF）的出現(xiàn)，就是將NVMe應(yīng)用到前端，作為存儲陣列與前端主機連接的通道，取代過去的FC、iSCSI。由此，主機可以使用本機NVMe協(xié)議直接與NVMeSSD通信，從而大幅降低了延遲。2016年EMC發(fā)布的DSSDD5存儲，它是業(yè)界第一款端到端NVMe存儲。這款存儲專為性能而生，其控制器、閃存模組到前端主機I/O卡全都是專屬規(guī)格，其性能可達到千萬級的IOPS和100GB每秒的吞吐量，而且延時則降到100微秒的延時。這些性能數(shù)據(jù)足以秒殺當(dāng)前市面上任何一款存儲系統(tǒng)，可謂是不折不扣的性能怪獸。不過，也許是因為設(shè)計理念太過超前，這款產(chǎn)品并沒有延續(xù)下去，而是轉(zhuǎn)化為寶貴的技術(shù)資產(chǎn)，如今DellEMCPowerMax和PowerStore上所支持的端到端NVMe技術(shù)，實際上就有來自DSSD的技術(shù)積淀。▉

NVMe-oF傳輸類型對于NVMe-oF，傳輸類型有3種選擇，分別是使用光纖通道的NVMe-oF、TCP的NVMe-oF和使用RDMA的NVMe-oF。FibreChannel在光纖通道(FC)上使用NVMe的組合通常被稱為FC-NVMe、NVMeoverFC，有時也稱為NVMe/FC。光纖通道是存儲陣列和服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)的強大協(xié)議，大多數(shù)SAN存儲系統(tǒng)都使用它。在FC-NVMe中，SCSI命令被封裝在FC幀內(nèi)。它基于標準的FC規(guī)則，與支持訪問共享NVMe閃存的標準FC協(xié)議相匹配。TCP這種傳輸類型是NVMe-oF的最新發(fā)展之一。NVMeoverTCP(傳輸控制協(xié)議)使用NVMe-oF和TCP傳輸協(xié)議在IP(以太網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)。NVMe通過以太網(wǎng)作為物理傳輸，在TCP數(shù)據(jù)報內(nèi)進行傳輸。盡管有RDMA和光纖通道，TCP提供了一個可能更便宜和更靈活的選擇。此外，與同樣使用以太網(wǎng)的RoCE相比，NVMe/TCP的表現(xiàn)更像FC-NVMe，因為它們在I/O中使用了消息語義。RDMA該規(guī)范采用遠程直接內(nèi)存訪問(RDMA)，使數(shù)據(jù)和內(nèi)存能夠在計算機和存儲設(shè)備之間跨網(wǎng)絡(luò)傳輸。RDMA是一種在網(wǎng)絡(luò)中兩臺計算機的主存儲器之間交換信息的方式，不涉及任何一臺計算機的處理器、緩存或操作系統(tǒng)。由于RDMA避開了操作系統(tǒng)，因此它通常是網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的最快、開銷最低的機制。RDMA上的NVMe-oF使用TCP傳輸協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)，典型的RDMA實現(xiàn)包括虛擬接口架構(gòu)、聚合以太網(wǎng)上的RDMA（RoCE）、InfiniBand、Omni-Path和iWARP。RoCE、InfiniBand和iWARP是目前使用最多的。將NVMe-oF與RDMA、光纖通道或TCP一起使用，就可以形成一個完整的端到端NVMe存儲解決方案。這些解決方案提供了顯著的高性能，同時保持了通過NVMe提供的極低延遲。今天，NVMe由于其低延遲和高吞吐量的多任務(wù)處理速度而變得越來越受歡迎。雖然NVMe也用于個人計算機中以改進