传统FC存储向NoF发展进化

全闪存时代背景下，传统的FC（Fibre Channel，网状通道）存储网络已经无法满足全闪存数据中心的要求，NVMe（Non-Volatile Memory express，非易失性内存主机控制器接口规范）存储协议的出现极大提升了存储系统内部的存储吞吐性能、降低了传输时延，NoF（NVMe over Fabric）存储网络应运而生。

在多种Fabric技术中，NVMe over RoCE（RDMA over Converged Ethernet）被广大存储厂商所接受，成为业界NoF的主流。华为推出的NoF+存储网络解决方案，相较于标准NoF方案，在性能、可靠性、易用性上均实现了颠覆性改进，是全闪存时代的最佳选择。

2018 年起 SSD（Solid-State Drive，固态硬盘）全球发货量超过传统 HDD（Hard Disk Drive，机械硬盘），读写性能提升百倍。Gartner 预测，2022 年 SSD 在存储中占比将达到 52%，超越半壁江山，成为真正的主流。存储介质的百倍性能提升，驱动了存储协议从传统串行 SCSI（Small Computer Systems Interface，小型计算机系统接口）协议发展到高速并行的 NVMe 协议。新一代存储网络基于 RDMA（Remote Direct Memory Access，远程直接存储读取）技术，保证了全闪存 NVMe协议的高吞吐、低时延的特性。

智能时代各种新技术、新应用层出不穷，数据呈现爆发式增长，对存储网络的稳定性、可扩展性、易用性的要求逐步提高。首先就是更加强调高性能下的稳定性，存储作为数据中心底座，为了减少存储抖动放大对业务的影响，越是在高业务负荷承载的情况下越要保持稳定；其次，更多线下业务转型线上，数据流动性极大增强，这时就需要考虑如何能够满足网络大规模建设问题，未来必然需要扩展性更强大、产业可持续发展的网络；最后还要保障在大规模扩展建设情况下的易用性，以便很好地解决业务扩张带来的挑战。

FC 开发于 1988 年，初衷是用来提高硬盘协议的传输带宽，侧重于数据的快速、高效、可靠传输，早期应用于 SAN（Storage Area Network，存储局域网络）。到上世纪 90 年代末，FC 存储网络（FC SAN）开始得到大规模的应用。

FC 存储网络在高性能块存储网络独占鳌头已近 30 年，过去曾有 iSCSI（Internet Small Computer Systems Interface）、FCoE（Fibre Channel over Ethernet）等基于 IP 的新技术试图颠覆 FC 存储网络，但由于这些技术在性能和功能方面仍存在短板，所以只是替代了部分中低性能要求的场景，在高性能高可靠场景仍旧是 FC 存储网络的天下。

FC 存储网络具备高可靠、稳定低时延的特点：FC 内在的协议机制支持快速故障感知通告（百 ms 级），同时 FC B2B Credit 流控机制带来了稳定低时延性能。但 FC本身机制也带来了很多问题，传统 FC 存储网络已成为存储产业瓶颈：

• 厂商垄断，网络技术封闭：业界唯二国外厂商，存在巨大的业务连续风险

• 带宽不足，存储性能瓶颈：FC 网络最大只有 32G 带宽，满足不了业务发展需求

• 运维复杂，依赖原厂支持：FC 运维人员稀缺，运维依赖原厂响应

随着存储介质从 HDD 发展到 SSD，存储高性能吞吐与 SCSI 协议传输较低性能吞吐之间的矛盾日益严重，从而出现了 NVMe 存储协议。NVMe 规范了 SSD 访问接口，简化了协议复杂性，充分利用 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）通道的低延时以及并行性，利用多核处理器，通过降低协议交互时延，增加协议并发能力，并且精简操作系统协议堆栈，显著提高了 SSD 的读写性能。

全场景闪存化推动了数据中心的网络改革，NVMe 最大化释放了 SSD 介质的能力。更快的存储呼吁更快的网络。NoF 存储网络应运而生，通过使用 IP 网络对专用网络的创新性革新，实现了更高的带宽和更低的时延，同时也兼具 IP 易管理的优势，是更好地实现端到端 NVMe 存储网络的最佳方案。

NoF 将 NVMe 协议应用到服务器主机前端，作为存储阵列与前端主机连接的通道，可端到端取代 SAN 网络中的 SCSI 协议，构建全以太的存储 SAN 网络。

NVMe over Fabric 中的“Fabric”，是 NVMe 的承载网络，这个网络可以是RoCE、FC 或 TCP。具体说明如下：

NVMe over FC 协议标准为 FC-NVMe，FC-NVMe 和 FC-SCSI 同样都基于 FCP，IO 交互基于 Exchange。FC-NVMe 基于传统的 FC 网络，通过升级主机驱动和交换机支持，FC-SCSI 和 FC-NVMe 能同时运行在同一个 FC 网络中。FC-NVMe 能最大化继承传统的 FC 网络，复用网络基础设施，基于 FC 物理网络发挥 NVMe新协议的优势。

NVMe over TCP 基于现有的 IP 网络，采用 TCP 协议传输 NVMe，在网络基础设施不变的情况下实现了端到端 NVMe。 

NVMe over RoCE 是 NVMe over RDMA 的一种，RDMA 是承载 NoF 的原生网络协议，RDMA 协议除了 RoCE 外还包括 IB（InfiniBand）和 iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）。其中，基于以太网的 RoCE 目前已成为 RDMA 的主流网络承载方式。NVMe over RDMA 协议比较简单，直接把 NVMe 的 IO 队列映射到 RDMA QP（Queue Pair）连接，通过 RDMA SEND，RDMA WRITE，RDMA READ 三个语义实现 IO 交互。NVMe over RoCE 基于融合以太网的RDMA 技术承载 NVMe 协议。

三种方案相比较，基于以太网的 RoCE 比 FC 性能更高（更高的带宽、更低的时延），同时兼具 TCP 的优势（全以太化、全 IP 化），因此 NVMe over RoCE 是 NoF最优的承载网络方案，也已成为业界 NoF 的主流技术。

基于以太网的 RoCE 在存储性能、带宽方面比 FC 有显著优势，但替换 FC，联接全闪存，标准的 NVMe over RoCE 还需在 3 个方面加强完善：

• 1. 网络性能：零丢包网络零丢包是存储网络的基本需求，传统以太网络拥塞易丢包。

• 2. 可靠性：秒级主备切换存储为了可靠性，会构建多个网络平面，切换时间需<1s。

• 3. 易用性：即插即用，FC 存储网络场景单一、配置简单，当前以太网络还需针对存储场景适应性改进。

基于当下业界主流的标准 NoF 方案，进一步从网络性能、可靠性和易用性这三点都进行提升，基于智能无损网络面向集中式存储场景提出了 NoF+解决方案，将数据中心存储网络进一步推向更广阔的发展空间。

网络性能增强：NoF+方案改变了传统以太静态水线方式，对网络预测性能力进行专项优化，通过样本计算，针对特定场景，通过算法进行精准的控制，从而预判业务对网络的诉求，提前做出优化，实现高吞吐带宽，进一步提升性能。

可靠性增强：保障业务系统可靠是存储的根基，比如存储的秒级切换功能就是可靠性的关键保障之一，标准以太缺乏故障主动发现和通知能力，NoF+实现了从事后被动响应到主动通知、提前识别拥塞和故障。当一个节点出现故障，业务会以亚秒级响应速度切换，在高性能运行的前提下，也能维持系统的稳定可靠。

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