Τι είναι το NVMe μέσω TCP (NVMe/TCP)

Μάθετε τι είναι το NVMe μέσω TCP και πώς λειτουργεί το NVMe μέσω TCP σε μια εύκολη γλώσσα.

Επεξήγηση NVMe Over TCP

Η αυξανόμενη ζήτηση για υπολογιστικό νέφος χρειάζεται ένα αποτελεσματικό και προσιτό σύστημα αποθήκευσης. Αν και οι συμβατικοί δίσκοι σκληρού δίσκου (HDD) είναι φθηνοί, δεν είναι σε θέση να φιλοξενήσουν λογισμικό που βασίζεται στην απόδοση ή υπολογιστικές διαδικασίες στο cloud.

Ως εκ τούτου, για να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα στη μαζική αποθήκευση για συσκευές υπολογιστών, η NVM Express Inc. δημοσίευσε την αρχιτεκτονική για το NVMe SSD, μια απίστευτα γρήγορη συσκευή εσωτερικής αποθήκευσης για υπολογιστές μέσω διαύλου PCIe ή περιφερειακών στοιχείων διασύνδεσης Express.

Ωστόσο, το PCIe προορίζεται μόνο για απευθείας επικοινωνίες δεδομένων μεταξύ της μνήμης RAM και του NVMe SSD. Πώς θα μπορούσε κανείς να εφαρμόσει το ίδιο για ένα περιβάλλον υπολογιστικού νέφους όπου οι κεντρικοί υπολογιστές και οι υπολογιστές-πελάτες βρίσκονται σε απομακρυσμένα μέρη; Αυτές οι συσκευές μπορούν να επικοινωνούν μόνο μέσω Διαδικτύου ή intranet.

Για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης, το πρωτόκολλο NVMe over Fabric ή NVMe-oF σχεδιάστηκε για να επιτρέπει την ανάπτυξη λύσεων αποθήκευσης δικτύου NVMe. Χρησιμοποιεί τη διεπαφή προδιαγραφών λογικής συσκευής NVMe για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ του κεντρικού υπολογιστή ή διακομιστή και ενός δικτύου περιοχής αποθήκευσης (SAN) ή απευθείας συνδεδεμένης αποθήκευσης (DAS).

Όμως, η ανάπτυξη του NVMe-oF είναι πολύ ακριβή ακόμη και για μεγάλες επιχειρήσεις. Επίσης, καθώς το NVMe-oF απαιτεί κυρίως καλώδιο οπτικών ινών ως μέσο μεταφοράς δεδομένων από το σημείο Α στο σημείο Β, δεν είναι μόνο εφικτό να αναπτυχθεί το NVMe-oF για δημόσια σύννεφα.

Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, η NVM Express Inc. έχει δημιουργήσει το πρωτόκολλο NVMe μέσω TCP ή NVMe/TCP.

Τι είναι το NVMe Over TCP (NVMe/TCP);

Το NVMe/TCP είναι μια εκτεταμένη έκδοση της προδιαγραφής εντολής I/O αποθήκευσης που βασίζεται σε NVMe. Είναι η προηγμένη έκδοση του NVMe-oF και ορίζει τις λειτουργίες του πρωτοκόλλου μεταφοράς δεδομένων NVMe στο πρωτόκολλο επικοινωνίας που βασίζεται σε μηνύματα, TCP.

Υπάρχει μια προδιαγραφή μεταφοράς NVMe/TCP που περιγράφει τα ακόλουθα:

• Πώς να αντιστοιχίσετε τις ουρές NVMe ακολουθώντας ένα τυπικό σύνολο κανόνων
• Πώς να δημιουργήσετε κάψουλες για το NVMe μέσω Fabric
• Πώς να παραδώσετε κάψουλες NVMe-oF σε συστήματα μεταφοράς δικτύου οπτικών ινών, InfiniBand και μη ινών χρησιμοποιώντας το γνωστό  Πρωτόκολλο Ελέγχου Μεταφοράς ή TCP

Με λίγα λόγια, ο συνδυασμός NVMe και TCP, το NVMe/TCP μεταφέρει δεδομένα και εντολές πιο γρήγορα και χωρίς σφάλματα μεταξύ κεντρικών υπολογιστών NVMe-oF και συσκευών ελεγκτή NVMe-oF.

Τέτοιες συσκευές μπορούν να συνδεθούν μέσω Internet και Intranet χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο TCP/IP που βασίζεται σε Ethernet. Το μέσο συνδεσιμότητας θα μπορούσε να είναι καλώδια οπτικών ινών ή συμβατικά καλώδια Cat 5 και Cat 6

Γιατί NVMe Over TCP;

Το αρχικό σύστημα μεταφοράς NVMe προοριζόταν για SSD που θα μπαίνουν απευθείας στο σύστημα υπολογιστή, κυρίως στη μητρική πλακέτα. Το πρωτόκολλο μεταφοράς έχει βελτιστοποιηθεί αρχικά για NVM PCIe SSD που συνδέονται εσωτερικά με τους διακομιστές ή τους σταθμούς εργασίας.

Αργότερα για απίστευτες γρήγορες και τεράστιες απαιτήσεις αποθήκευσης δεδομένων στο cloud, το πρωτόκολλο μεταφοράς NVMe ενσωματώθηκε με προδιαγραφές μεταφοράς δέσμευσης που χρησιμοποιούν κυρίως τα κέντρα δεδομένων cloud, όπως Fiber Channel, RDMA over Converged Ethernet (RoCE), Internet Wide Area RDMA Protocol (iWARP) , και Infiniband.

Αν και η παραπάνω τροποποίηση NVMe λειτουργεί άψογα, δεν είναι κατάλληλη για δημόσια cloud, καθώς απαιτείται εξειδικευμένος εξοπλισμός υλικού από τον πελάτη. Ως εκ τούτου, ενσωματώθηκε σύστημα δέσμευσης μεταφοράς TCP το οποίο είναι άμεσα διαθέσιμο παγκοσμίως και αξιόπιστο σε δίκτυα μεγάλων αποστάσεων.

Τα βασικά στοιχεία του NVMe μέσω TCP

Μια προδιαγραφή μεταφοράς NVMe/TCP για το NVMe-oF περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία δικτύου:

• Το σύστημα απομακρυσμένης πρόσβασης δεδομένων που χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο NVMe ακολουθεί το Μοντέλο Διασύνδεσης Ανοικτών Συστημάτων (OSI) για συστήματα δικτύων υπολογιστών.
• Το NVMe/TCP χρησιμοποιεί την τεχνολογία δικτύωσης Ethernet που λειτουργεί στο φυσικό επίπεδο OSI και στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων OSI.
• Για πρωτόκολλα επικοινωνίας και πολιτικές ανταλλαγής δεδομένων πακέτων, το NVMe/TCP βασίζεται στο πρωτόκολλο TCP/IP.
• Σύνολα εντολών NVMe για τη μετατροπή όλων των εντολών που εκδίδονται από τον χρήστη και της εισόδου/εξόδου της εφαρμογής σε έναν συγκεκριμένο πίνακα εντολών NVMe, όπως admin, I/O, ύφασμα κ.λπ.
• Η απομακρυσμένη μεταφορά εντολών NVMe, σε ένα ύφασμα που βασίζεται σε μηνύματα, πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας κάψουλες. Αυτές οι κάψουλες θα μπορούσαν να είναι κάψουλες απόκρισης ή εντολής. Οι κάψουλες εντολών NVMe αντιπροσωπεύουν μια μονάδα ανταλλαγής δεδομένων NVMe.
• Ένα υποσύστημα και ένας ελεγκτής κεντρικού υπολογιστή επικοινωνούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας μονάδες δεδομένων πρωτοκόλλου NVMe/TCP ή PDU NVMe/TCP.
• Υπάρχει μια διαδικασία σύνδεσης τριών βημάτων μεταξύ του υποσυστήματος του ελεγκτή και του κεντρικού υπολογιστή. Αυτά τα βήματα ή οι φάσεις είναι NVMe-oF Connect, NVMe/TCP Connect και Fabric Connect.
• Σε ένα σύστημα σύνδεσης μεταφοράς NVMe/TCP, οι δυναμικοί ελεγκτές εισόδου/εξόδου δημιουργούνται αυτόματα και εκχωρούνται στον κεντρικό υπολογιστή όταν ένα υποσύστημα συνδέεται με επιτυχία με τον κεντρικό υπολογιστή NVMe-OF.

Πλεονεκτήματα του NVMe έναντι του TCP

• Το TCP είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων Διαδικτύου ή Intranet και είναι διαθέσιμο σε κάθε κέντρο δεδομένων και στους πελάτες πόρων υπολογιστικού νέφους.
• Τα κέντρα δεδομένων και οι πελάτες τους δεν χρειάζεται να αντικαταστήσουν το υπάρχον υλικό δικτύου όπως δρομολογητές, μεταγωγείς και NIC.
• Το TCP μπορεί να χρησιμοποιήσει και καλώδιο οπτικών ινών και καλώδιο Cat 5 ή Cat 6 και ως εκ τούτου η συντήρηση είναι αρκετά εύκολη.
• Η σύνδεση μεταφοράς TCP για το NVMe-oF προσφέρει υψηλή απόδοση και χαμηλή καθυστέρηση. Επομένως, είναι απόλυτα κατάλληλο για κρίσιμες διαδικασίες και διαδικασίες έντασης CPU στον κεντρικό υπολογιστή και είναι εύκολα προσβάσιμο από πολλούς απομακρυσμένους πελάτες χωρίς διενέξεις ανάγνωσης/εγγραφής.
• Το TCP προσφέρει δυναμική δρομολόγηση. Έτσι, σε σύγκριση με την απομακρυσμένη άμεση πρόσβαση στη μνήμη (RDMA), το TCP έχει την υψηλότερη απόδοση σε μεγάλης κλίμακας λειτουργίες κέντρου δεδομένων και cloud από μεγαλύτερες αποστάσεις.
• Το TCP έχει μεγαλύτερη κοινότητα ανάπτυξης από οποιεσδήποτε άλλες προδιαγραφές μεταφοράς NVMe.

Προκλήσεις του NVMe έναντι του TCP

• Όταν χρησιμοποιείτε μια στοίβα TCP, πρέπει να επιτρέψετε στην CPU να επιλύει τις περισσότερες από τις λειτουργίες TCP, όπως τον υπολογισμό των αθροισμάτων ελέγχου. Έτσι, σε μεγαλύτερη κλίμακα, όταν πολλοί σταθμοί εργασίας-πελάτες θα ζητήσουν να γράψουν και να διαβάσουν δεδομένα από δικτυωμένες συσκευές αποθήκευσης μέσω του κεντρικού υπολογιστή, το φορτίο στον κεντρικό υπολογιστή CPU θα αυξηθεί.
• Η υπερσυγκλίνουσα υποδομή πρέπει να είναι απλή. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείτε NVMe/TCP, το κάνετε περίπλοκο.
• Το NVMe μέσω TCP έχει επίσης ορισμένες αδυναμίες ασφαλείας που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι χάκερ για να διεισδύσουν στις λειτουργίες σας στο cloud, να κλέψουν τα δεδομένα και να διαθέσουν εμπιστευτικά δεδομένα στον  σκοτεινό ιστό  , εκτός εάν αναπτύξετε μια αυστηρή  λύση ασφάλειας στον κυβερνοχώρο και προστασίας από ιούς .

NVMe Over TCP: Τελικές λέξεις

Το TCP είναι το κορυφαίο πρωτόκολλο σε δημόσια ή ιδιωτικά δικτυωμένα κέντρα δεδομένων. Ως εκ τούτου, το NVMe/TCP είναι η πρώτη επιλογή για την παροχή οικονομικών λύσεων αποθήκευσης μέσω διαδικτύου, ενδοδικτύου και υποδομής cloud.

Αυτό το πρωτόκολλο είναι επίσης επεκτάσιμο και αξιόπιστο σε συνδέσεις δικτύου μεγάλων αποστάσεων. Δεδομένου ότι η καθυστέρηση ανάγνωσης/εγγραφής αποθήκευσης cloud είναι ισοδύναμη με τα περισσότερα πρωτόκολλα καναλιών οπτικών ινών, το NVMe μέσω TCP είναι η προτιμώμενη λύση μεταφοράς αποθήκευσης cloud.

Στη συνέχεια,  3 εναλλακτικές λύσεις για την αποθήκευση cloud