Que é NVMe sobre TCP (NVMe/TCP)

Aprende o que é NVMe sobre TCP e como funciona NVMe sobre TCP nun idioma sinxelo.

Explicación de NVMe sobre TCP

A crecente demanda de computación na nube precisa dun sistema de almacenamento eficiente e accesible. Aínda que as unidades de disco duro (HDD) convencionais son moi baratas, estas non son capaces de aloxar programas de rendemento nin procesos computacionais na nube.

Por iso, para abordar este problema no almacenamento masivo de dispositivos informáticos, NVM Express Inc. publicou a arquitectura para NVMe SSD, un dispositivo de almacenamento interno ultrarrápido para ordenadores sobre o bus PCIe ou Peripheral Component Interconnect Express.

Non obstante, PCIe só é para comunicacións directas de datos entre a RAM e o SSD NVMe. Como se implementaría o mesmo para un entorno de computación en nube onde os ordenadores anfitrións e clientes están situados en lugares remotos? Estes dispositivos só poden comunicarse a través de internet ou intranet.

Para abordar este desafío, deseñouse o protocolo NVMe over Fabric ou NVMe-oF para permitir o desenvolvemento de solucións de almacenamento en rede NVMe. Usa a interface de especificación do dispositivo lóxico NVMe para transferir datos entre o ordenador ou servidor host e unha rede de área de almacenamento (SAN) ou almacenamento conectado directo (DAS).

Pero, a implantación de NVMe-oF é moi cara incluso para as grandes empresas. Ademais, como NVMe-oF esixe principalmente cable de fibra óptica como medio de transporte de datos do punto A ao punto B, non só é factible implementar NVMe-oF para nubes públicas.

Para solucionar este problema, NVM Express Inc. presentou o protocolo NVMe sobre TCP ou NVMe/TCP.

Que é NVMe sobre TCP (NVMe/TCP)?

NVMe/TCP é unha edición estendida da especificación do comando de E/S de almacenamento baseado en NVMe. É a versión avanzada de NVMe-oF e define as funcionalidades do protocolo de transferencia de datos NVMe ao protocolo de comunicación baseado en mensaxes, TCP.

Existe unha especificación de transporte NVMe/TCP que describe o seguinte:

• Como mapear as colas de NVMe seguindo un conxunto de regras estándar
• Como crear cápsulas para NVMe sobre Fabric
• Como entregar cápsulas NVMe-oF a sistemas de transporte de redes de fibra, InfiniBand e non fibra utilizando o  protocolo de control de transporte familiar ou TCP

En poucas palabras, a combinación de NVMe e TCP, NVMe/TCP transfire datos e comandos máis rápido e sen erros entre hosts NVMe-oF e dispositivos controladores NVMe-oF.

Estes dispositivos pódense conectar a través de Internet e Intranet mediante unha rede TCP/IP baseada en Ethernet. O medio de conectividade pode ser cables de fibra óptica ou cables convencionais Cat 5 e Cat 6

Por que NVMe sobre TCP?

O sistema de transporte NVMe orixinal estaba pensado para SSD que irán directamente ao sistema de PC, principalmente na placa base. O protocolo de transporte optimizouse inicialmente para SSD NVM PCIe que se conectan aos servidores ou estacións de traballo internamente.

Máis tarde, para os requisitos de almacenamento de datos masivos e rápidos na nube, o protocolo de transporte NVMe conectouse coas especificacións de enlace de transporte que usan principalmente os centros de datos na nube, como Fibre Channel, RDMA sobre Ethernet converxente (RoCE), Internet Wide Area RDMA Protocol (iWARP) , e Infiniband.

Aínda que a modificación de NVMe anterior funciona ben, non é adecuada para nubes públicas xa que se necesitan equipos de hardware especializados do cliente. Polo tanto, incorporouse o sistema de unión de transporte TCP, que está facilmente dispoñible a nivel mundial e é fiable en redes de longa distancia.

Os compoñentes principais de NVMe sobre TCP

Unha especificación de transporte NVMe/TCP para NVMe-oF inclúe os seguintes compoñentes de rede:

• O sistema de acceso remoto a datos mediante o protocolo NVMe segue o modelo de interconexión de sistemas abertos (OSI) para sistemas de redes informáticas.
• NVMe/TCP utiliza a tecnoloxía de rede Ethernet que opera na capa de enlace de datos OSI física e OSI.
• Para protocolos de comunicación e políticas de intercambio de datos de paquetes, NVMe/TCP depende do protocolo TCP/IP.
• Conxuntos de comandos NVMe para converter todos os comandos emitidos polo usuario e E/S da aplicación nunha táboa de comandos NVMe específica, como administrador, E/S, tecido, etc.
• A transferencia remota de comandos NVMe, nun tecido baseado en mensaxes, realízase mediante cápsulas. Estas cápsulas poden ser cápsulas de resposta ou comando. As cápsulas de comandos NVMe representan unha unidade de intercambio de datos NVMe.
• Un subsistema e un controlador host comunícanse entre eles intercambiando unidades de datos de protocolo NVMe/TCP ou PDU NVMe/TCP.
• Hai un proceso de conexión de tres pasos entre o subsistema controlador e o host. Estes pasos ou fases son NVMe-oF Connect, NVMe/TCP Connect e Fabric Connect.
• Nun sistema de enlace de transporte NVMe/TCP, os controladores de E/S dinámicas créanse automaticamente e asígnanse ao ordenador host cando un subsistema se conecta correctamente co host NVMe-OF.

Beneficios de NVMe sobre TCP

• TCP é o protocolo de transferencia de datos de Internet ou Intranet máis utilizado e está dispoñible con todos os centros de datos e os clientes dos recursos de computación en nube.
• Os centros de datos e os seus clientes non precisan substituír o hardware de rede existente, como enrutadores, conmutadores e NIC.
• TCP pode usar cable de fibra e cable Cat 5 ou Cat 6 e, polo tanto, o mantemento é bastante sinxelo.
• A vinculación de transporte TCP para NVMe-oF ofrece alto rendemento e baixa latencia. Así, é perfectamente axeitado para procesos críticos e intensivos en CPU no ordenador anfitrión e ao que acceden facilmente varios clientes remotos sen ningún conflito de lectura/escritura.
• TCP ofrece enrutamento dinámico. Así, en comparación co acceso remoto directo á memoria (RDMA), TCP ten o maior rendemento nas operacións de centros de datos a gran escala e na nube desde grandes distancias.
• TCP ten unha comunidade de desenvolvemento máis grande que calquera outra especificación de transporte NVMe.

Desafíos de NVMe sobre TCP

• Cando se utiliza unha pila TCP, debe permitir que a CPU resolva a maioría das operacións TCP, como o cálculo de sumas de comprobación. Así, a maior escala, cando varias estacións de traballo cliente soliciten escribir e ler datos de dispositivos de almacenamento en rede a través do PC host, a carga na CPU host aumentará.
• A infraestrutura hiperconverxente debe ser sinxela. Non obstante, cando usas NVMe/TCP, faino complexo.
• NVMe sobre TCP tamén ten algunhas debilidades de seguridade que os piratas informáticos poden utilizar para infiltrarse nas súas operacións na nube, roubar os datos e facer que os datos confidenciais estean dispoñibles na  web escura  a non ser que implemente unha  solución antivirus e de ciberseguridade estrita .

NVMe sobre TCP: palabras finais

TCP é o protocolo líder en centros de datos en rede públicos ou privados. Polo tanto, NVMe/TCP é a primeira opción para ofrecer solucións de almacenamento asequibles a través de Internet, intranet e infraestrutura de nube.

Este protocolo tamén é escalable e fiable en conexións de rede de longa distancia. Dado que a latencia de lectura/escritura do almacenamento na nube é equivalente á maioría dos protocolos de canle de fibra, NVMe sobre TCP é a solución de transporte de almacenamento na nube preferida.

A continuación,  3 alternativas ao almacenamento na nube