Kdy se stane NVMe dominantní technologií pro připojování serverů k storage zařízením? - část 1/2
V tomto článku bych chtěl představit NVMe technologii dostupnou od NetApp-u a zabývat se hlavně NVMe / FC.
NVMe (Non-Volatile Memory Express) standard je rozvíjející se technologie pro podnikové IT prostředí, která tvoří novou storage infrastrukturu nebo umožňuje přechod na modernější technologie. NVMe je nejen protokol optimalizovaný pro připojení SSD disků a zařízení ale i sada open-source standardů pro NVMEM komponenty a systémy.
NVMe standard je navržen pro přenos velkého množství dat při velmi nízkém zpoždění, a to nejen pro současné, ale i pro budoucí paměťové technologie. NVMe nahrazuje tradiční soubor SCSI příkazů souborem NVMe příkazů a spoléhá se na připojení k PCIe (Peripheral Connect Interface express), vysoce-rychlostnímu a vysoce-propustných hardware protokolu, který je podstatně rychlejší než starší standard SCSI (Small Computer System Interface), SAS (Serial Attached SCSI) nebo SATA (Serial ATA).
- SCSI bylo představeno před více než 40 lety a bylo navrženo pro storage technologie poplatné té době: 8 palcovým floppy diskem a pevným diskem velikosti chladničky. Také bylo navrženo pro mnohem pomaleji jedno-jádrové procesory s mnohem menší DRAM pamětí.
- NVMe na druhé straně bylo navrženo pro práci s flash disky, poháněnými více-jádrovými procesory a vybavenými gigabyty paměti. Využívá také podstatný pokrok v počítačových technologiích a používá přímočarý soubor příkazů, které jsou při analýze a zpracování dat mnohem efektivněji.
Proč je NVMe tak rychlé?
NVMe se stává základní součástí moderních datových center protože dokáže adresovat tři klíčové atributy datových storage zařízení: IOPS, propustnost a zpoždění:
Parametr IOPS je měřen podle počtu čtecích a zápisové operací na storage zařízení za jednu sekundu. Tento parametr je rozdílný pro operace čtení a zápisu dat, závisí na tom, zda se jedná o sekvenční operace nebo náhodné operace a také závisí na velikosti datového bloku, který je čten nebo zapisován. Storage zařízení většinou vykazují vyšší IOPS při práci s menšími datovými bloky jako například 4kB nebo 8KB. Ale aplikace používané v praxi nejednou pracují s mnohem většími bloky jako například 32kB nebo 64kB, takže případné měření musí být založeny na relevantních charakteristikách.
Parametr propustnost je měřen, jak rychle dokáže storage zařízení číst nebo zapisovat data, nejčastěji je specifikován v gigabitů za sekundu (Gbps). Propustnost je obvykle lepší při práci s většími IO bloky dat a závisí i na druhu IO operace (čtení nebo zápis) a samozřejmě i na tom, zda se jedná o náhodné ale sekvenční operace.
Obrázek 1: NVMe může používat různé způsoby přenosu dat
NVMe a moderní SAN sítě
Storage Area Network (SAN) je preferována architektura pro mnohé z nejdůležitějších v současnosti používaných průmyslových aplikací.
SAN sítě jsou založeny na blokovém přístupu k storage zařízením. Prezentují množiny bloků dat pro operační systém běžící na hosta. Host OS vytváří oddílu a formátuje Luny (které jsou v podstatě množiny bloků dat) do souborového systému, který je spravován operačním systémem.
SAN sítě založené na FCP (SCSI příkazech a datových blocích uvnitř FC rámce) mají ve světě největší podíl na trhu, na druhém místě je iSCSI a zbytek trhu připadá na FCoE (Fibre Channel over Ethernet). Všechny tyto blokové protokoly jsou populární, efektivní a představují spolehlivý způsob přístupu k datům.
Dalším primárním způsobem přístupu k datům je NAS (Network-Attached Storage), kde storage zařízení je vlastníkem souborového systému a prezentuje soubory připojeným serverem prostřednictvím NFS, CIFS resp. SMB protokolů.
Všechny blokové protokoly jsou jednoduše použitelné host operačními systémy a průmyslovými aplikacemi, jsou rychlé, spolehlivé a "neviditelné" pro aplikace. SAN je převažující technologie přístupu k datům. Pokrývají přibližně 70 % storage trhu. NAS pokrývá zbývajících 30 % trhu.
NVMe over Fibre Channel
NetApp zákazníci vybudovali a provozují některé z největších datových center na světě. V blízké budoucnosti plánují upgrade storage zařízení na NVMe technologii. Ale otázka zní, kterou možnost pro NVMe transport použít?
Ačkoliv RDMA (Remote Direct Memory Access) transport je důležitý, je velmi pravděpodobné, že NVMe / FC bude zejména zpočátku nejdominantnějším způsobem připojení k storage zařízením v datových centrech. Použití FC jak transportní vrstvy má tyto benefity:
- drtivá většina dnešní high-performance zátěže běží dnes na FCP.
- většina (70 %) těchto organizací používá v současnosti SAN zařízení s FCP protokolem.
- většina IT zátěže, která je výkonnostně orientovaná již používá SAN zařízení (switche) 5tej a 6tej generace (16Gbps nebo 32Gbps)
- v kategorii 25/50/100 Gbps Ethernet switchů je pouze málo zařízení, které mohou být použity jako základ pro nosnou část síťové infrastruktury pro RDMA přes IP, TCP, roce nebo podobné způsoby přenosu.
- oba protokoly - FCP i NVMe / FC mohou používat stejné fyzické komponenty pro přenos SCSI-3 a NVMe protokolů současně.
- množství NetApp zákazníků již v současnosti vlastní potřebný hardware pro provozování NVMe / FC a bude schopné začít používat NVMe / FC pouze jednoduchým software upgradem na vhodnou verzi ONTAP.
Obě technologie FCP i NVMe mohou sdílet společný hardware a síťové komponenty a mohou koexistovat na stejné kabeláži (technicky optických spojeních), portech, switchích a storage kontroléry. Organizace tak může jednoduše přejít na NVMe, jelikož si mohou zvolit svůj způsob a rychlost takové migrace.
NVMe / FC technologie je velmi podobná technologii FCP, která je definována vložením SCSI-3 CDB (Command Descriptor Block) do FC rámce. Důvodem, že je to podobné, neboť NVMe / FC má starší SCSI-3 CDB nahrazen za vylepšený NVMe příkaz. S touto jednoduchou substitucí, NVMe / FC dokáže trvale zlepšit propustnost a snížit zpoždění IO operací.
FCP - SCSI - 3 příkaz uvnitř FC rámce
NVMe/ FC - NVMe příkaz uvnitř FC rámce
NetApp implementoval NVMe / FC pro operační system ONTAP jako první z NVMe protokolů, nakolik FC je nejdominantnější SAN protokol. To znamená, že organizace, které již učinili signifikantní investice do FC infrastruktury mohou nadále používat svou stávající infrastrukturu a zkušenosti.
Jelikož NVMe / FC jednoduše nahrazuje SCSI příkazy NVMe příkazy, tak tento přechod je velmi jednoduchý. NVMe / FC používá stejnou transportní vrstvu a tím pádem i stejný hardware na hosté, na připojených switchích i cílový NVMe / FC port na diskovém poli. NVMe / FC implementace dokáže využít kompletní FC infrastrukturu včetně HBA, switchů, zónování, cílových portů a kabeláže.
Ačkoliv ONTAP používá NVMe / FC LIFy, které jsou rozdílné od FCP LIFov, tyto LIFy mohou koexistovat na stejných fyzických portech, a to na straně serverů i na straně diskových polí. NVMe / FC a FCP mohou sdílet stejnou fyzickou infrastrukturu ve stejném čase, takže fyzické porty, kabeláž, porty na switchích jakož i cílové porty mohou ve stejnou dobu přenášet FCP jakož i NVMe / FC rámce. Tyto protokoly jsou odděleny pouze na logické úrovni, a toto dělá přechod mezi FCP a NVMe / FC bezproblémovým.
NVMe a FCP terminologie
NVMe přidalo nové názvy pro některé stávající struktury. Přiložená tabulka shrnuje výrazy, které se změnily oproti FCP.
Tabulka 1 FCP a NVMe/FC výrazy
| FCP | NVMe/FC | Poznámka |
| Worldwide port name (WWPN) | NQN | Unikátny identifikátor |
| SCSI target | NVMe subsystem | Entita, která poskytuje přístup k storage kapacitě |
| Port | Port | Přístupový bod |
| I_T nexus | NVMe kontroller (with multiple queue pairs) | Spojení mezi iniciátorem a targetem |
| LUN | Namespace | Storage objekt |
| Asymmetric logical unit access (ALUA) | ANA | Charakteristika pro asymetrický přístup |
NVMe Qualified Name (NQN) identifikuje koncový bod a je to podobné jako iSCSI Qualified Name (IQN) v obou stávajících formátech. Namespace je analogií Lenku (Logical Unit Number, unikátní identifikátor pro logické nebo fyzické zařízení), v obou případech se jedná o množinu bloků dat prezentovanou iniciátor. Subsystém je analogií igroup (Initiator group – skupině iniciátorů), přičemž subsystém má mnohem širší funkcionalitu, pro naše účely je však toto vysvětlení dostačující. Subsystém je používán pro připojení iniciátora, který "vidí" a dokáže si připojit LUN nebo namespace. Asymetric namespace access (ANA) je nová vlastnost protokolu pro monitorování komunikačních cest a jejich stavu směrem k MPIO (Multipath IO) běžícím v rámci operačního systému připojeného hostu. ANA umožňuje vybrat vícenásobné cesty mezi iniciátorem a targetem.
Velmi důležitým rozdílem mezi FCP a NVMe / FC je definice relace (session) mezi iniciátorem a targetem. V FCP pojetí je toto reprezentováno prostredníctvomI_T nexus, které mapuje jednu jedinou cestu mezi iniciátorem a targetem. Ale v NVMe / FC je toto definováno jako NVMe controler, který obecně zahrnuje několik komunikačních párů mezi iniciátorem a targetem. Toto silně rozšiřuje paralelismus a škáluje výkon v rámci jednoho vztahu a představuje klíčový faktor proč je technologie NVMe / FC o tolik výkonnější než FCP.
Tabulka 2 SCSI a NVMe mapování výrazů
| FCP | NVMe/FC |
| WWPN | NQN |
| LUN | Namespace |
| Igroup, LUN mapping, LUN masking | Subsystem |
| ALUA | ANA |
Pokud mám na závěr odpovědět na otázku, kterou jsem položil v názvu tohoto článku, tak můj názor je:
Technicky nic nebrání tomu, aby zákazníci okamžitě přešli na technologii NVMe / FC, protože mnozí z nich již vlastní zařízení, které podporují tento způsob připojení. Je to možná jen opatrnost nebo setrvačnost našeho myšlení, která nám říká: "Když to funguje (přes FCP), tak se toho Nechytej!"
K přechodu na novou kvalitu připojení přijde, až když si to vyžádají nové požadavky business aplikací jako například AI (Artificial Intelligence - umělá inteligence), ML / DL (Machine Learning / Deep Learning - strojové učení) nebo IoT (Internet of Things - internet věcí ) i když současné business kritické aplikace jako Microsoft SQL Server, SAP HANA, a NoSQL databáze (například MongoDB) dokáží také benefitovat z výhod poskytovaných technologií NVMe / FC.
Rádi Vás u nás přivítáme a nabízíme Vám možnost provést PoC testování v prostorách společnosti ALEF.