Hvad er NVMe over TCP (NVMe/TCP)

Lær, hvad der er NVMe over TCP, og hvordan fungerer NVMe over TCP i et nemt sprog.

NVMe over TCP forklaret

Den stigende efterspørgsel efter cloud computing kræver et effektivt og overkommeligt lagersystem. Selvom konventionelle harddiske (HDD'er) er snavsbillige, er disse ikke i stand til at hoste præstationsdrevet software eller beregningsprocesser i skyen.

For at løse dette problem inden for masselagring til computerenheder udgav NVM Express Inc. derfor arkitekturen for NVMe SSD, en lynhurtig intern lagerenhed til computere over PCIe eller Peripheral Component Interconnect Express-bus.

PCIe er dog kun til direkte datakommunikation mellem RAM og NVMe SSD. Hvordan ville man implementere det samme for et cloud computing-miljø, hvor værts- og klientcomputere er placeret fjerntliggende steder? Disse enheder kan kun kommunikere via internettet eller intranet.

For at løse denne udfordring blev NVMe over Fabric eller NVMe-oF-protokollen designet til at muliggøre udvikling af NVMe-netværkslagringsløsninger. Den bruger NVMe logiske enhedsspecifikationsgrænsefladen til at overføre data mellem værtscomputeren eller serveren og et storage area network (SAN) eller direkte tilsluttet lager (DAS).

Men NVMe-oF-implementering er meget dyrt selv for store virksomheder. Da NVMe-oF hovedsageligt kræver fiberoptisk kabel som transportmedium for data fra punkt A til punkt B, er det ikke kun muligt at implementere NVMe-oF til offentlige skyer.

For at løse dette problem har NVM Express Inc. kommet med NVMe over TCP eller NVMe/TCP-protokollen.

Hvad er NVMe over TCP (NVMe/TCP)?

NVMe/TCP er en udvidet udgave af den NVMe-baserede storage I/O-kommandospecifikation. Det er den avancerede version af NVMe-oF og definerer funktionaliteterne af NVMe dataoverførselsprotokollen til den beskedbaserede kommunikationsprotokol, TCP.

Der er en NVMe/TCP-transportspecifikation, der beskriver følgende:

• Sådan kortlægges NVMe-køer efter et standardsæt af regler
• Sådan opretter du kapsler til NVMe over stof
• Sådan leverer du NVMe-oF-kapsler til fiber-, InfiniBand- og ikke-fibernetværkstransportsystemer ved hjælp af den velkendte  Transport Control Protocol eller TCP

I en nøddeskal, kombinationen af ​​NVMe og TCP, NVMe/TCP overfører data og kommandoer hurtigere og på en fejlfri måde mellem NVMe-oF-værter og NVMe-oF-controllerenheder.

Sådanne enheder kan forbindes via internet og intranet ved hjælp af et Ethernet-baseret TCP/IP-netværk. Tilslutningsmediet kan være optiske fiberkabler eller konventionelle Cat 5- og Cat 6-kabler

Hvorfor NVMe over TCP?

Det originale NVMe-transportsystem var beregnet til SSD'er, der går direkte ind i pc-systemet, primært på bundkortet. Transportprotokollen er oprindeligt blevet optimeret til NVM PCIe SSD'er, der opretter forbindelse til serverne eller arbejdsstationerne internt.

Senere på grund af lynhurtige og massive datalagringskrav i skyen blev NVMe-transportprotokollen hotwired med transportbindingsspecifikationer, som cloud-datacentre for det meste bruger, såsom Fibre Channel, RDMA over Converged Ethernet (RoCE), Internet Wide Area RDMA Protocol (iWARP) , og Infiniband.

Selvom ovenstående NVMe-modifikation fungerer fint, er den ikke egnet til offentlige skyer, da der kræves specialiseret hardwareudstyr fra klientenden. Derfor blev TCP-transportbindingssystem indarbejdet, som er let tilgængeligt globalt og pålideligt over langdistancenetværk.

Kernekomponenterne i NVMe over TCP

En NVMe/TCP-transportspecifikation for NVMe-oF inkluderer følgende netværkskomponenter:

• Fjerndataadgangssystemet, der bruger NVMe-protokollen, følger Open Systems Interconnection (OSI)-modellen for computernetværkssystemer.
• NVMe/TCP bruger Ethernet-netværksteknologien, der fungerer i det fysiske OSI-lag og OSI-datalinklaget.
• For kommunikationsprotokoller og pakkedataudvekslingspolitikker er NVMe/TCP afhængig af TCP/IP-protokollen.
• NVMe-kommandosæt til at konvertere alle brugerudstedte kommandoer og applikations-I/O til en specifik NVMe-kommandotabel som admin, I/O, stof osv.
• Fjernoverførslen af ​​NVMe-kommandoer, i et meddelelsesbaseret stof, foregår ved hjælp af kapsler. Disse kapsler kunne være respons- eller kommandokapsler. NVMe-kommandokapsler repræsenterer en enhed af NVMe-dataudveksling.
• Et undersystem og værtscontroller kommunikerer indbyrdes ved at udveksle NVMe/TCP Protocol Data Units eller NVMe/TCP PDU'er.
• Der er en tre-trins forbindelsesproces mellem controller-undersystemet og værten. Disse trin eller faser er NVMe-oF Connect, NVMe/TCP Connect og Fabric Connect.
• I et NVMe/TCP-transportbindingssystem oprettes dynamiske I/O-controllere automatisk og tildeles værtscomputeren, når et undersystem opretter forbindelse med værtens NVMe-OF.

Fordele ved NVMe over TCP

• TCP er den mest udbredte internet- eller intranetprotokol for dataoverførsel og er tilgængelig med ethvert datacenter og klienterne til cloud computing-ressourcer.
• Datacentrene og deres klienter behøver ikke at erstatte eksisterende netværkshardware som routere, switches og NIC'er.
• TCP kan bruge både fiberkabel og Cat 5 eller Cat 6 kabel, og vedligeholdelsen er derfor ret nem.
• TCP-transportbinding til NVMe-oF tilbyder høj ydeevne og lav latenstid. Det er således perfekt egnet til missionskritiske og CPU-intensive processer på værtscomputeren og let tilgængeligt af flere fjernklienter uden læse-/skrivekonflikter.
• TCP tilbyder dynamisk routing. Sammenlignet med RDMA (Remote Direct Memory Access) er TCP således den højeste performer inden for store datacentre og cloud-operationer fra længere afstande.
• TCP har et større udviklingsfællesskab end nogen anden NVMe-transportspecifikation.

Udfordringer ved NVMe over TCP

• Når du bruger en TCP-stak, skal du tillade CPU'en at løse de fleste af TCP-operationerne som at beregne kontrolsummer. Når flere klientarbejdsstationer vil anmode om at skrive og læse data fra netværkslagringsenheder gennem værts-pc'en, vil belastningen på værts-CPU'en således stige.
• Hyperkonvergeret infrastruktur skal være enkel. Men når du bruger NVMe/TCP, gør du det komplekst.
• NVMe over TCP har også nogle sikkerhedssvagheder, som hackere kan bruge til at infiltrere dine cloud-operationer, stjæle dataene og gøre fortrolige data tilgængelige på det  mørke web  , medmindre du implementerer en stringent cybersikkerheds- og  antivirusløsning .

NVMe over TCP: Slutord

TCP er den førende protokol på tværs af offentlige eller private netværksforbundne datacentre. Derfor er NVMe/TCP det første valg til at levere lagringsløsninger til overkommelige priser over internettet, intranet og cloud-infrastruktur.

Denne protokol er også skalerbar og pålidelig over langdistance netværksforbindelser. Da cloud storage læse/skriveforsinkelse svarer til de fleste fiberkanalprotokoller, er NVMe over TCP den foretrukne cloud storage transportløsning.

Næste op,  3 alternativer til cloud storage