Co je NVMe přes TCP (NVMe/TCP)

Zjistěte, co je NVMe over TCP a jak funguje NVMe over TCP, ve snadném jazyce.

Vysvětlení NVMe přes TCP

Rostoucí poptávka po cloud computingu vyžaduje efektivní a cenově dostupný úložný systém. Přestože jsou konvenční pevné disky (HDD) velmi levné, nejsou schopny hostovat výkonově řízený software nebo výpočetní procesy v cloudu.

K vyřešení tohoto problému ve velkokapacitním úložišti pro počítačová zařízení proto NVM Express Inc. zveřejnila architekturu pro NVMe SSD, bleskově rychlé interní úložné zařízení pro počítače přes sběrnici PCIe nebo Peripheral Component Interconnect Express.

PCIe je však pouze pro přímou datovou komunikaci mezi RAM a NVMe SSD. Jak by bylo možné implementovat totéž pro prostředí cloud computingu, kde jsou hostitelské a klientské počítače umístěny na vzdálených místech? Tato zařízení mohou komunikovat pouze přes internet nebo intranet.

K vyřešení tohoto problému byl navržen protokol NVMe over Fabric nebo NVMe-oF, který umožňuje vývoj řešení síťového úložiště NVMe. K přenosu dat mezi hostitelským počítačem nebo serverem a sítí SAN (Storage Area Network) nebo přímo připojeným úložištěm (DAS) používá rozhraní specifikace logického zařízení NVMe.

Nasazení NVMe-oF je však velmi nákladné i pro velké podniky. Protože NVMe-oF vyžaduje především kabel z optických vláken jako médium pro přenos dat z bodu A do bodu B, není možné nasadit NVMe-oF pouze pro veřejné cloudy.

K vyřešení tohoto problému společnost NVM Express Inc. přišla s protokolem NVMe over TCP nebo NVMe/TCP.

Co je NVMe přes TCP (NVMe/TCP)?

NVMe/TCP je rozšířené vydání specifikace I/O příkazu úložiště založeného na NVMe. Je to pokročilá verze NVMe-oF a definuje funkce protokolu přenosu dat NVMe na komunikační protokol založený na zprávách, TCP.

Existuje specifikace přenosu NVMe/TCP, která popisuje následující:

• Jak mapovat fronty NVMe podle standardní sady pravidel
• Jak vytvořit kapsle pro NVMe přes Fabric
• Jak dodávat kapsle NVMe-oF do optických, InfiniBand a non-Fibre síťových přenosových systémů pomocí známého  Transport Control Protocol nebo TCP

Stručně řečeno, kombinace NVMe a TCP, NVMe/TCP přenáší data a příkazy rychleji a bezchybně mezi hostiteli NVMe-oF a řadiči NVMe-oF.

Taková zařízení lze připojit přes internet a intranet pomocí sítě TCP/IP na bázi Ethernetu. Propojovacím médiem mohou být kabely z optických vláken nebo konvenční kabely Cat 5 a Cat 6

Proč NVMe přes TCP?

Původní transportní systém NVMe byl určen pro SSD, které půjdou přímo do PC systému, hlavně na základní desku. Transportní protokol byl původně optimalizován pro NVM PCIe SSD, které se připojují k serverům nebo pracovním stanicím interně.

Později kvůli závratným požadavkům na rychlé a masivní ukládání dat v cloudu byl transportní protokol NVMe propojen se specifikacemi transportní vazby, které cloudová datová centra většinou používají, jako je Fibre Channel, RDMA over Converged Ethernet (RoCE), Internet Wide Area RDMA Protocol (iWARP) a Infiniband.

Ačkoli výše uvedená modifikace NVMe funguje dobře, není vhodná pro veřejné cloudy, protože na straně klienta je potřeba specializované hardwarové vybavení. Proto byl začleněn TCP transportní vazebný systém, který je snadno dostupný globálně a spolehlivý přes dálkové sítě.

Základní součásti NVMe přes TCP

Specifikace přenosu NVMe/TCP pro NVMe-oF zahrnuje následující síťové součásti:

• Systém vzdáleného přístupu k datům využívající protokol NVMe se řídí modelem Open Systems Interconnection (OSI) pro systémy počítačových sítí.
• NVMe/TCP využívá síťovou technologii Ethernet, která funguje ve fyzické OSI a OSI datové vrstvě.
• Pro komunikační protokoly a zásady výměny paketových dat spoléhá NVMe/TCP na protokol TCP/IP.
• Sady příkazů NVMe pro převod všech uživatelských příkazů a I/O aplikací do konkrétní tabulky příkazů NVMe, jako je admin, I/O, fabric atd.
• Vzdálený přenos příkazů NVMe ve struktuře založené na zprávách probíhá pomocí kapslí. Tyto kapsle mohou být odpovědní nebo velitelské. Kapsle příkazů NVMe představují jednotku výměny dat NVMe.
• Subsystém a hostitelský řadič mezi sebou komunikují výměnou datových jednotek protokolu NVMe/TCP nebo jednotek PDU NVMe/TCP.
• Proces připojení mezi řídicím subsystémem a hostitelem probíhá ve třech krocích. Tyto kroky nebo fáze jsou NVMe-oF Connect, NVMe/TCP Connect a Fabric Connect.
• V systému vázání transportu NVMe/TCP jsou dynamické I/O řadiče automaticky vytvořeny a přiřazeny hostitelskému počítači, když se subsystém úspěšně připojí k hostitelskému NVMe-OF.

Výhody NVMe přes TCP

• TCP je nejrozšířenější internetový nebo intranetový přenosový protokol dat a je dostupný v každém datovém centru a klientech zdrojů cloud computingu.
• Datová centra a jejich klienti nepotřebují nahrazovat stávající síťový hardware, jako jsou směrovače, přepínače a síťové karty.
• TCP může používat jak optický kabel, tak kabel Cat 5 nebo Cat 6, a proto je údržba docela snadná.
• Transportní vazba TCP pro NVMe-oF nabízí vysoký výkon a nízkou latenci. Proto se dokonale hodí pro kritické procesy a procesy náročné na CPU na hostitelském počítači a snadno k němu přistupuje více vzdálených klientů bez jakýchkoli konfliktů při čtení/zápisu.
• TCP nabízí dynamické směrování. Proto ve srovnání se vzdáleným přímým přístupem do paměti (RDMA) je TCP nejvýkonnějším v rozsáhlých datových centrech a cloudových operacích na delší vzdálenosti.
• TCP má větší vývojovou komunitu než jakékoli jiné specifikace přenosu NVMe.

Výzvy NVMe přes TCP

• Když používáte zásobník TCP, musíte procesoru umožnit vyřešit většinu operací TCP, jako je výpočet kontrolních součtů. Když tedy ve větším měřítku bude více klientských pracovních stanic požadovat zápis a čtení dat ze síťových úložných zařízení prostřednictvím hostitelského počítače, zatížení hostitelského CPU se zvýší.
• Hyperkonvergovaná infrastruktura musí být jednoduchá. Když však používáte NVMe/TCP, děláte to složité.
• NVMe over TCP má také některé bezpečnostní slabiny, které mohou hackeři využít k infiltraci vašich cloudových operací, krádeži dat a zpřístupnění důvěrných dat na temném  webu  , pokud nenasadíte přísné kybernetické a  antivirové řešení .

NVMe přes TCP: Závěrečná slova

TCP je vedoucí protokol napříč veřejnými nebo privátními síťovými datovými centry. Proto je NVMe/TCP první volbou pro poskytování cenově dostupných řešení úložiště přes internet, intranet a cloudovou infrastrukturu.

Tento protokol je také škálovatelný a spolehlivý při připojení k síti na velké vzdálenosti. Vzhledem k tomu, že latence čtení/zápisu cloudového úložiště je ekvivalentní většině protokolů Fibre Channel, je preferovaným řešením přenosu cloudového úložiště NVMe přes TCP.

Dále  3 alternativy ke cloudovému úložišti