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新一轮I/O介面更新焦点——NVMe-oF、PCIe与SAS

  所有I/O规格的发展,都是在各标准组织的推动下,按一定的周期与发展路线进行。以目前这个时间点来看,即将在2018~2019年间完成制定,或是进入实用化的重要企业IT I/O规格,包括NVMe-over-Fabrics(NVMe-oF)、PCIe 4.0与5.0,以及SAS-4等3种。

  NVMe-oF传输架构

  NVMe在伺服器与储存设备上的应用,可分为后端与前端两种类型,后端的NVMe应用是取代SAS介面,作为SSD或Flash储存模组连接控制器的介面;前端的NVMe应用,则是将NVMe嫁接在既有的网路传输通道上,构成外接的NVMe-oF传输架构。

  NVMe的后端应用算是已经进入成熟期,但前端应用的NVMe-oF架构仍在早期推广阶段,目前主要的焦点是在底层嫁接储存网路的选择上。目前已实作出的NVMe-oF架构,包括基于32Gb FC、基于InfiniBand,基于25/50GbE RoCE或iWARP乙太网路等多种形式,就初期推广来看,基于FC的NVMe-oF架构,有着用户较为熟悉FC应用环境的优点,不过,由于用户必须先升级到32Gb FC环境,才能应用NVMe-oF架构,以致抵销了FC介面较为用户熟悉的优点。

  考虑到同样必须引进新的网路环境设备,基于RoCE或iWARP等RDMA乙太网路的NVMe-oF架构,长期来看是更有潜力的发展路线。

  关于NVMe-oF的更进一步介绍,可参见我们9月初的《NVMe开始迈入主流储存应用》封面故事。

  PCIe的新进化

  过去除了少数搭载GPU的运算密集型伺服器以外,既有的PCIe 3.0汇流排规格,对于绝大多数的伺服器或储存设备来说,都是绰绰有余的。然而当SSD也开始使用PCIe通道作为传输介面时,便让主机板的PCIe传输通道(lane)资源顿时陷入紧绷。

  随着NVMe介面SSD在伺服器应用的普及,连带大幅增加了伺服器或储存设备的PCIe传输通道耗用。为了获得足够的传输频宽,一台NVMe SSD便需占用4条PCIe 3.0,所以一台标準的2U伺服器若插满24台NVMe SSD,便须占用多达96条PCIe传输通道,耗用掉伺服器主机板大多数的PCIe资源。

  面对这个情况,除了持续增加伺服器主机板的PCIe通道数量外,根本的解决办法是升级PCIe规格,以便透过较少的传输通道,便能为周边装置提供足够的传输频宽。

  负责PCIe标準制定的组织PCI-SIG,刚在2017年底发布了新的PCIe 4.0规範,单通道传输率比PCIe 3.0提高一倍,接下来还预定在2019年发布PCIe 5.0,可让传输速率再提高一倍。

  目前支援PCIe 4.0的主机板与SSD产品仍然很少,可能要等到2019年下半,应用环境才会较为成熟,但届时PCIe 5.0也将问世,所以PCIe 4.0很可能会成为一项过渡性规格。

  新一代SAS介面

  SAS-3(12Gb SAS)是目前最重要的企业级储存I/O介面规格之一,是SSD与外接扩充柜的标準介面,统一了所有储存设备的后端储存I/O规格,另外也能做为直连前端主机的前端介面使用。

  由SAS标準组织STA(SCSI Trade Association)负责推动的SAS规格发展,比早先预期的时程略为滞后,新一代的SAS-4目前还在控制器元件阶段,尚未实际进入储存产品应用。

  SAS-4的传输频宽比上一代的SAS-3提高一倍,单一通道可达24Gb/s,汇聚4条通道便可达到96Gb/s的惊人速率。不过随着NVMe的出现,SAS-4的推出恐怕已时不我予。就传输频宽来说,SAS-4并不比基于PCIe的NVMe逊色多少,但SAS较大的延迟是先天缺陷,因此在一些全快闪储存设备上,SAS的地位已开始为NVMe所取代。

  因此,SAS-4推出后,恐怕不再能像上一代的SAS-3般,全面占据储存设备的后端介面应用。不过考虑到NVMe相对较高的成本,以及对PCIe资源的占用问题,SAS-4在中低阶与混合式储存阵列上仍有需求,最终应该会形成NVMe与SAS-4两种介面并存的情况。

  【应用新世代I/O介面的储存先驱产品 (1)】NetApp AFF A800

  


  NetApp新款旗舰级全快闪储存阵列AFF A800,是市面首批支援新一代I/O介面的储存设备,引进了NVMe介面的SSD,在主机端介面除了提供当前最普遍的16Gb FC与10GbE外,在FC方面。引进了最新的32Gb FC,在乙太网路方面,则提供25GbE、40GbE与100GbE等新规格介面。

  一线储存大厂中,NetApp算是支援新一代I/O介面最积极的一家。其他大厂迄今还谨守于传统的SAS磁碟介面,以及10GbE与16Gb FC主机端介面时,NetApp便率先为旗下产品,提供了最新的NVMe、乙太网路与FC介面,其中最具代表性的产品,便是刚在今年中发表的AFF系列全快闪储存阵列旗舰机型A800。

  AFF A800是当前高阶储存阵列产品中,第一款「由里到外」全面导入新一代I/O介面的产品。就「里」来说,是引进了NVMe介面的SSD,取代了SAS介面SSD;就「外」来说,则引进了32Gb FC、25GbE、40GbE与100GbE等新一代储存网路介面,还支援基于FC的NVMe-oF传输架构。

  在A800之前,NetApp就曾为FAS系列混合储存阵列,引进NVMe介面的Flash Cache模组,但实际写入资料的SSD仍是SAS介面。而A800则是NetApp第一款引进NVMe SSD的产品。

  先前NetApp在2017年下半推出的EF570全快闪储存阵列上,就率先采用了32Gb FC、25GbE、100GbE与100Gb InfiniBand等新款主机端介面,稍后A800也跟进支援这些新介面,虽然少了其中的100Gb InfiniBand,不过多了40GbE选项,对乙太网路的支援更为完整。

  更进一步,NetApp还与Broadcom合作,为A800提供了基于FC介面的NVMe-oF传输架构,藉此提供低延迟的存取服务。

  

AFF A800的I/O介面组态:可选购的I/O介面卡包括16Gb或32Gb的FC介面,10、25、40与100GbE等4种乙太网路埠,以及6Gb或12Gb SAS。


  【应用新世代I/O介面的储存先驱产品 (2)】Pure Storage FlashArray//X

  


  Pure Storage新一代主力产品FlashArray//X,同为最早全面支援新一代I/O介面的储存阵列,内接SSD介面更新为NVMe规格,主机端介面也引进32Gb FC、25GbE、40GbE、50GbE等新规格,也支援基于RoCE乙太网路或FC的NVMe-oF传输架构。

  固态储存应用,可说是储存I/O介面更新的主要驱动力之一,正是为了满足固态储存对于传输效能几乎永无止境的需求,才推动着储存厂商不断寻求效能更高的新一代I/O介面,这也让身为全快闪储存阵列领导者的Pure Storage,成为率先采用新世代I/O介面的厂商之一。

  Pure Storage旗下的最新主力产品FlashArray//X,是最早全面采用新一代I/O介面规格的储存阵列产品之一,从SSD内接介面、后端扩充介面,到前端主机介面,都全面导入了新规格,但同时也保留对旧规格的支援。

  在SSD内接介面上,FlashArray//X保留了传统的SAS介面,也提供新的NVMe介面,还允许混搭Pure Storage专属的DirectFlash NVMe储存模组(DFM),与一般的SAS SSD。

  在后端扩充介面方面,FlashArray//X既可透过12Gb SAS埠串接的SAS扩充储存柜,也能透过基于50GbE RoCEv2的NVMe介面,串接DFM扩充储存柜。

  在主机端介面方面,FlashArray//X除了支援当前最普遍的16Gb FC与10GbE两种规格以外,也提供32Gb FC、25GbE、40GbE与50GbE等新规格,还能在32Gb FC与50GbE两种介面上,运行NVMe-oF传输架构,进一步改善存取延迟表现。

  

FlashArray//X的I/O介面组态:每组控制器内含2组GbE管理埠,以及4组外接扩充柜用的12Gb SAS埠或50GbENVMe直连埠,还内含了类型丰富的I/O埠,包括2组10/25GbE iSCSI埠,以及2组10/25GbE远端复製埠,另外还能利用保留的PCIe扩充槽,安装额外的10/40GbE或16/32Gb FC等主机端介面卡。 


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