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So revolutioniert NVMe over Fabrics das Shared Storage
NVMe hat schnellen Flash-Speicher eingeführt, aber es braucht NVMe-oF, um die Vorteile des schnellen Zugriffs und der geringen Latenz auf SAN- und NAS-Shared-Storage zu übertragen.
Es ist fast ein Jahrzehnt her, dass die NVM Express Workgroup die erste Version des NVMe-Standards veröffentlicht hat. Seitdem hat sich die Technologie zu einer zunehmend verbreiteten Schnittstelle für Solid State Storage entwickelt.
Für sich genommen ist NVMe jedoch etwas eingeschränkt, da es sich um eine Geräteverbindung handelt, die sich am besten für Server-interne oder direkt angeschlossene Speicher eignet.
Was Unternehmen brauchen, ist eine nahtlose Verbindung von Flash-Speicher über ein Netzwerk, um Leistungsvorteile zu erschließen und herkömmliche, auf Festplatten fokussierte SAN-Technologie wie iSCSI und Fibre Channel zu ersetzen. NVMe-over Fabrics (NVMe-oF) zielt darauf ab, genau das zu erreichen.
NVMe nutzt den PCI-Express-Bus statt älterer Schnittstellen wie SATA und SAS - die für rotierende Medien entwickelt wurden - und beseitigt so einen Großteil des Engpasses zwischen Prozessor und Speicher. Das bringt hohe IOPS, niedrige Latenz und eine parallele Architektur mit mehreren Kanälen, die die CPU und das Flash-Memory verbinden, und macht NVMe zur offensichtlichen Wahl.
Der Schlüssel für viele Enterprise-Storage-Implementierungen ist jedoch, dies über Shared Storage (gemeinsamer/geteilter Speicher) verfügbar zu machen. Das ist es, was NVMe-oF zu lösen versucht.
NVMe-over Fabrics beschreibt eine breite Palette von Technologien. Jede eignet sich für unterschiedliche Workloads und Anwendungsfälle und bietet unterschiedliche Leistungsvorteile.
Die Praxistauglichkeit von NVMe-oF hängt auch von der vorhandenen Infrastruktur des Unternehmens und den verwendeten Protokollen ab und davon, ob sich eine Aufrüstung von beidem für eine verbesserte Speicherleistung lohnt.
NVMe-oF funktioniert, indem NVMe-Befehle in eines von mehreren Netzwerkprotokollen eingebettet werden. Dazu gehören Fibre Channel, iWARP, RDMA over Converged Ethernet (RoCE), Infiniband und neuerdings auch TCP. Einige Anbieter behaupten Geschwindigkeiten von bis zu 100 Gbit/s über Infiniband und Ethernet; Fibre Channel ist mit bis zu 32 Gbit/s typischerweise langsamer.
Die Hauptnachteile von NVMe-oF sind Komplexität und Kosten. Um von NVMe-oF zu profitieren, müssen Unternehmen in neue Hardware investieren, und das schließt möglicherweise sowohl Netzwerk- als auch Speichersystem-Upgrades ein.
Außerdem ist die Technologie noch relativ neu, so dass sie am ehesten bei Hochleistungsanwendungen wie Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen, groß angelegten Geschäftsanalysen und zeitkritischen, datenintensiven Anwendungen in Bereichen wie Finanzdienstleistungen zum Einsatz kommt.
Derzeit ist die Akzeptanz von NVMe-oF in Unternehmen insgesamt moderat. Die Komplexität und die Kosten von NVMe-oF sind derzeit Hindernisse für die breite Akzeptanz der Technologie und werden dies auch in naher Zukunft sein.
Eine Reihe von hoch-performanten Workloads - KI/ML, High Performance Computing (HPC), In-Memory-Datenbankenoder Transaktionsverarbeitung - können NVMe-oF bereits heute nutzen. Aber die meisten Mainstream-Workloads scheinen keine schnelle Umstellung auf eine End-to-End-NVMe-Architektur zu erhalten.
Performance
Performance ist der erste und wichtigste Grund für die Einführung von NVMe over Fabrics. Das Aufkommen von Flash-Speicher bedeutet, dass die Netzwerkleistung und nicht die Lese- und Schreibgeschwindigkeit der Laufwerke der Engpass ist.
NVMe adressiert den Speicherengpass, indem es niedrige Latenzzeiten, verbesserte IOPS und die Möglichkeit bietet, parallel vom Speicher zu lesen oder zu schreiben, was mit rotierenden Medien wie Festplatten nur schwer zu erreichen ist.
NVMe-oF überträgt diese Leistung auf gemeinsam genutzte Speicher (Shared Storage) und bringt einige zusätzliche Vorteile mit sich, beispielsweise die Möglichkeit der Skalierung - NVMe-oF-Systeme können Tausende von Geräten unterstützen - und die Möglichkeit, mehrere Pfade zwischen dem NVMe-Host-Initiator und dem Speicher zu erstellen, sowie die Unterstützung mehrerer Hosts.
Das Ergebnis sind große, schnelle und flexible Systeme, die auch die anspruchsvollsten Rechenaufgaben bewältigen können, solange das Netzwerk mithalten kann.
Protokolle
NVMe-oF ist ein flexibler Standard. Da er eine Reihe von Netzwerkarchitekturen unterstützt, haben CIOs gute Chancen, einige ihrer vorhandenen SAN-Ressourcen wiederzuverwenden, entweder direkt oder durch ein Upgrade. Die weit verbreitete Unterstützung von NVMe-oF durch die Industrie bedeutet, dass bestehende Anbieter wahrscheinlich auch einen Weg zu dieser Technologie finden werden.
Systeme, die RDMA verwenden, gibt es in zwei Versionen: RDMA over Converged Ethernet (RoCE) und Internet Wide Area RDMA Protocol (iWARP), das über Ethernet oder InfiniBand arbeitet. RDMA-Implementierungen sind in der Regel neu aufgebaute Netzwerke, um die Leistung zu gewährleisten. Inzwischen unterstützt Fibre Channel Gen 6 NVMe-over-FC sowie softwaredefinierten Speicher (SDS).
Die neueste Option, NVMe over TCP, bietet die Möglichkeit, jedes ausreichend schnelle Ethernet-Netzwerk zu nutzen. Als solche ist sie ein logisches Upgrade für Unternehmen, die iSCSI-SAN-Speicher verwenden.
Laut Palmer von Gartner wird NVMe-over-TCP eine Barriere für die Mainstream-NVMe-oF-Einführung beseitigen. Sie gibt jedoch zu bedenken, dass die Technologie noch keine breite Unterstützung durch die Hersteller hat.
Nutzung der vorhandenen Infrastruktur
Die meisten RDMA-basierten NVMe-oF-Systeme werden „neu gebaut“ werden, aber die Flexibilität von NVMe bedeutet, dass es auch andere Optionen gibt. Die Aufrüstung von Fibre Channel zur Unterstützung von NVMe-Speicher kann der einfachere Weg sein: Gen6-FC-Systeme können mit NVMe-oF koexistieren, vorausgesetzt, die HBAs sind mindestens 16 Gb/s und vorzugsweise 32 Gb/s und die Speicherziele unterstützen NVMe-oF.
Der Branchenverband für Fibre Channel, FCIA, drängt die Hersteller, Geräte herzustellen, die Festplatten, SSDs und NVMe von einem einzigen Adapter unterstützen können.
NVMe over TCP soll noch flexibler sein. Es stellt die am wenigsten umfangreiche Aufrüstung dar, da die vorhandene Ethernet-LAN-Infrastruktur wiederverwendet werden kann, wenn die Netzwerk-Switches und -Controller ausreichend leistungsfähig sind.
Flexibilität bei der NVMe-oF-Implementierung
NVMe-oF ist flexibel, weil es von der Industrie breit unterstützt wird und weil die Bausteine - NVMe-verbundener Flash-Speicher, Fibre Channel, Infiniband und TCP - alle gut bekannt sind.
Fügt man softwaredefinierten Speicher hinzu und damit die Möglichkeit, NVMe-basierten Speicher sowohl in einem NAS als auch in SAN- und Direct-Attached-Konfigurationen zu verwenden, können IT-Teams die Anzahl der Anbieter von Hardware für den Speicher und möglicherweise auch für das Netzwerk reduzieren.
Dort, wo es auf absolute Leistung ankommt, können sich CIOs jedoch für RDMA entscheiden, möglicherweise auf Kosten einer geringeren Skalierbarkeit.
NVMe-oF Anwendungsfälle
Die Anwendungsfälle für NVMe-oF sind in der Regel nur durch das Budget begrenzt. Es gibt nur wenige Workloads, die nicht von einer Umstellung auf NVMe profitieren werden.
Die Kosten - und die Kosten für das Re-Design von Systemen zur Unterstützung der Technologie - haben NVMe-oF jedoch auf Bereiche beschränkt, in denen die Leistung entscheidend ist. Dies sind in erster Linie High Performance Computing (HPC)-Workloads, KI und maschinelles Lernen sowie Analytik, insbesondere Analytik, die auf neueren Plattformen wie Splunk, Tableau und MongoDB läuft. Auch für DevOps wird es immer beliebter.
Die Leistung von NVMe-oF ist so hoch, dass die Lücke zwischen einem netzwerkbasierten System und einem direkt angeschlossenen Flash-Speicher immer kleiner wird und sicherlich innerhalb der Leistungsanforderungen von Unternehmensanwendungen liegt. Die Flexibilität von NVMe-oF ermöglicht es IT-Teams, mit einer Investition von unter 100.000 US-Dollar klein anzufangen.
Die meisten Storage-Array-Anbieter bieten bereits Solid-State-Arrays mit internem NVMe-Speicher an. In den nächsten Monaten wird eine zunehmende Anzahl von Infrastrukturanbietern die Unterstützung von NVMe-oF-Konnektivität zu Compute-Hosts anbieten.
Ein Nachteil von NVMe-oF ist, dass es Nachteile mit der zugrunde liegenden NVMe, Flash-basierten Architektur teilt. Software muss geschrieben oder umgeschrieben werden, um die Eigenschaften zu berücksichtigen, nicht zuletzt, weil die Flash-Speicherleistung mit der Zeit abnehmen kann.
Aber das ist kein spezifischer Nachteil von NVMe-oF, und da NVMe-basierter Speicher in Unternehmensservern bereits weit verbreitet ist, ist dies ein Problem, das die meisten Anbieter und IT-Teams bereits angehen.
