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传统FC存储向NoF发展进化

架构师技术联盟 | 979 2021-10-26 06:28 0 0 0
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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 SSDSolid-State Drive,固态硬盘)全球发货量超过传统 HDDHard Disk Drive,机械硬盘),读写性能提升百倍。Gartner 预测,2022 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 SCSISmall 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 RDMARemote 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。


传统 FC 存储网络成为存储产业瓶颈

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 SANStorage 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 iSCSIInternet Small Computer Systems Interface)、FCoEFibre 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


NVMe over RoCE 成为 NoF 主流

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RoCEFC TCP。具体说明如下:


NVMe over FC 协议标准为 FC-NVMeFC-NVMe FC-SCSI 同样都基于 FCPIO 交互基于 ExchangeFC-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 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 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 IBInfiniBand)和 iWARPInternet 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 IO 队列映射到 RDMA QPQueue Pair)连接,通过 RDMA SENDRDMA WRITERDMA 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 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 NoF最优的承载网络方案,也已成为业界 NoF 的主流技术。


NoF+存储网络,全闪存时代最佳选择

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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