NVMe SSD：是否需要所有这些速度？

协议的背景

存储设备协议在基于服务器的设备和基于消费者的设备中都有所发展。高级技术附件（ATA）是从PC体系结构发展而来的，PC体系结构后来演变为PATA（并行ATA）和SATA（串行ATA）。SCSI是在20世纪70年代末开发的，它是用于HDD和其他存储设备（如磁带）的基于服务器的连接。所有这些都演变成了串行连接SCSI或SAS。

SCSI是的底层存储协议基于光纤通道san和iSCSI以太网。（稍后我们将讨论NVMe对存储网络的影响。）即使在今天，SAS和SATA协议都需要主机总线适配器或芯片组控制器来运行。光纤通道和iSCSI也是如此。

SAS和SATA起源于物理存储介质比处理器和系统内存慢的时代。硬盘访问时间以毫秒为单位，而内存访问时间以纳秒为单位，大约快了6个数量级，即一百万倍。NAND闪存SAS和SSD设备介于100微秒左右，仍然比传统硬盘快很多数量级。

随着从HDD到SSD的性能提升，SAS和SATA协议的漏洞开始出现。两者都只提供用于访问I/O的单个队列，而SATA的队列深度相对较小，为32。SAS在254左右更好，但只有一个I/O队列要处理，并不能充分利用写入NAND flash媒体的并行能力。

NVMe是什么?

NVMe是一种新的协议这解决了SAS和SATA的许多缺点。这包括与处理器更直接的连接、优化的I/O通道和简化的软件堆栈。NVMe设备设计用于连接到PCIe根复合体，使其更靠近处理器，位于过去称为北桥的位置。这减少了延迟，并引入了与远程连接设备通信的新方法。

驱动器制造商已经在一系列外形因素中实施了NVMe，包括插入PCIe主板插槽的标准插件卡、需要NVMe接口适配器的2.5英寸驱动器以及尺寸类似于DIMM的较小M.2设备。设备的具体选择取决于容量、性能和环境要求（如功率和空间）的组合。通常，M.2和扩充卡设备不可热插拔。

NVMe通过使用多个I/O队列(最高可达64,000)和更大的队列深度(最高可达64,000)引入了并行性。闪存能够并行处理许多请求，因为设备是由多个NAND芯片构建的，每个芯片包含许多独立的硅片。因此，并行处理请求以获得最佳带宽是有意义的。

I/O堆栈的简化包括用于指示I/O请求何时准备好处理的新的信令方法。这包括门铃概念，其中NVMe设备向主机发出I/O完成信号，而不是主机必须不断检查状态。这个过程可以节省服务器上的CPU开销，减少软件处理每个I/O的时间。

新的存储体系结构

这个采用NVMe ssd带来了一系列新的存储体系结构，其中一些体系结构建立在我们现有的基础上。服务器供应商，如Dell EMC和Hewlett-Packard Enterprise，已经在传统PCIe插槽或通过适配卡的2.5英寸外形中支持NVMe驱动器。这种方法可以将NVMe构建到一个独立的服务器应用程序中，或者作为超聚合基础架构（HCI）的一部分。大多数操作系统已经支持NVMe，因此在驱动程序或兼容性方面几乎没有问题。

VMware vSphere等平台也支持NVMe。我们已经看到Scale Computing和X-IO Technologies等公司的Axellio边缘计算系统在人机交互方面取得了显著的性能提升。

传统存储阵列中的NVMe又如何呢?一些供应商已经宣布产品为NVMe就绪，并能够接受NVMe ssd。从物理上来说，这意味着它们支持NVMe连接，并提供与SAS和SATA相同的功能，例如能够热插拔故障驱动器或动态增加容量。

传统体系结构存在一个潜在问题，导致NVMe的好处没有得到充分利用。一个典型的单NVMe驱动器可以提供300000或更高的随机读取IOPS和40000到50000的写入IOPS，读吞吐量高达每秒3 GB，写吞吐量为1 GBps。这至少比SAS和SATA固态驱动器可能实现的功能大一个数量级。将十几台这样的设备放入服务器，即使是最新的Xeon处理器也无法将这些设备驱动到接近其能力的任何地方。此外，例如，使用光纤通道的前端连接将无法提供使这些驱动器保持繁忙所需的吞吐量。

这代表了供应商升级现有产品以使用NVMe的问题。由于消除了对SAS和SATA吞吐量的限制，性能有所提高。然而，基于控制器的体系结构成为下一个瓶颈，解决这一瓶颈意味着使用扩展或新型体系结构。

分类存储

供应商，尤其是初创公司，正在分离传统阵列的数据和控制路径。这分解法允许主机服务器跨高速网络直接写入NVMe驱动器。

供应商正在使用融合以太网和InfiniBand实现存储网络，而不是使用传统的光纤通道。通过聚合以太网和互联网广域RDMA协议实现的远程直接内存访问等技术允许主机服务器直接与NVMe驱动器通信，而无需通过传统的存储控制器。

包括E8 Storage和Apeiron Data Systems在内的公司已经构建了新的存储产品，将NVMe ssd打包到存储框中，提供热插拔驱动器和集中监控和管理等功能。机箱和主机之间的数据路径通过以太网(通常是40和100千兆以太网)传输，没有中间控制器。

回顾SSD和全闪存存储的早期，NVMe的推出与之平行。

要支持这个模型，主机服务器必须有支持RDMA或InfiniBand的网卡，并运行供应商提供的客户端软件和驱动程序。对司机的需求是显而易见的。需要额外的客户端软件来管理定义映射到每个主机的lun和卷的元数据。阵列中的控制器将执行的功能分散到客户端，这会带来一些开销，但会显著提高I/O性能。

Excelero走了一条不同的道路，建立了一种基于软件的产品，可以用于超融合。NVMesh是允许多个服务器通过以太网或InfiniBand连接在一起的软件，并有任何服务器写入到任何NVMe设备．Excelero使用其专有的远程直接驱动器访问(Remote Direct Drive Access，简称RDDA)协议，声称每个NVMe驱动器的性能都是线性扩展的，利用率接近100%。供应商能够实现这些声称的性能级别，因为远程主机可以直接与另一台服务器上的驱动器通信，就像驱动器在本地PCIe总线上一样，绕过驱动器安装的CPU。

经典存储区域网络

像光纤通道这样的传统网络的未来会怎样?我们已经讨论过了使用NVMe而不是fabric使用高速网络，如InfiniBand和以太网。NVM Express工作组正在开发一种标准，用于在现有的光纤通道网络中使用NVMe，即FC-NVMe。基于新标准的产品预计将与现有硬件一起工作，尽管它对遗留主机总线适配器的支持程度有限制。

这意味着FC NVMe应该支持现有技术，通过使用NVMe而不是SCSI协议获得性能提升。应该没有必要撕毁和更换最新的光纤通道技术。

识别用例

有什么问题可能的用例对于这项技术，使用NVMe的预期成本溢价是多少？回顾SSD和全闪存存储的早期，NVMe的推出与之平行。固态驱动器最初很昂贵，用作服务器缓存，并用于存在延迟问题的特定应用程序。这一机会扩展到所有用于修复被认为过于昂贵而无法重写的应用程序的闪存系统。

NVMe的部署无疑将遵循同样的路径。服务器内的NVMe将提供低延迟的闪存以提高应用程序性能。然而，与从HDD转移到SSD相比，NVMe闪存降低了应用程序开销，因此它也可能提供比以前更好的资源利用率。

在阵列级别，NVMe将提高延迟和吞吐量。分解将提供低延迟，但没有全闪存阵列提供的成熟功能集，如重复数据删除和压缩。这可能会导致NVMe采用速度变慢，因为许多全闪存系统都是以每gb美元的价格销售的，这利用了重复数据删除的节省。

今天，我们看到应用程序NVMe用例，如高频金融交易、高性能分析和其他对延迟敏感的应用程序。NVMe也将非常适合于传统应用程序，如关系数据库，其中单个I/O响应时间非常关键。

内存存储类

展望未来，我们开始看到新的持久化存储类，如3D XPoint，也被称为英特尔Optane. 这项技术提供了比flash更低的延迟，更高的耐久性和更高的每GB成本。

我们开始看到支持NVMe的持久内存设备的层次结构，具有一系列特征。分布式系统和共享存储的未来很可能是利用每种介质特性的技术的混合。

你应该搬到我这里来吗？那要看你的要求了。NVMe SSD和Optane驱动器提供了存储管理员军械库中的另一种工具以及更多价格、性能和耐久性选项。如果您有需要，那么NVMe很可能是您的路线。