Brocade为何认为FC是NVMe over Fabric中最好的Fabric?

Brocade最近发表了对NVMe over Fabric理解和观点,认为FC Fabric相比以太网具有很多优势,并且FC聚焦数据中心数据传输和交换,具有更好的网络安全性。文章把Brocade的主要观点做了解析(文章全是干货,建议阅读前记得多喝水,易于消化),大家可以关注本公众号,在菜单底部回复关键字“Fcfabric”获取Brocade相关全文技术资料。

目前,基于SCSI的全闪存和混合阵列正成为数据中心的主流,但与此同时,一种为固态PCIe模块专门构建的非易失性存储器(NVMe)标准已经成为服务器连接Flash的一个新的高性能接口。NVMe通过低延迟和增强队列机制提供了更好的随机和连续性能,并增加了传统协议(如SAS)应用程序的并行性。

为了支持数据中心的网络存储,通过NVMe over Fabric实现NVMe标准在PCIe总线上的扩展,以此来挑战SCSI在SAN中的统治地位。NVMe over Fabric支持把NVMe映射到多个Fabrics传输选项,主要包括FC、InfiniBand、RoCE v2和iWARP

随着NVMe的发展和NVMe over Fabric技术商品化,在SAN市场,将NVMe定位为SCSI的替代方案,这也为Flash模块供应商打开一扇门来应对这个新的市场。自然地,存储市场的新来者试图吹捧他们的技术有优势,然而,新技术的缺点可能没有受到太多关注。通过作者的分析,希望大家能对NVMe和NVMe over Fabrics技术有个综合全面的认识。

1、FC不但可以作为NVMe的Fabrics且更有优势

FC实际上是支持NVMe的一种fabrics选择。NVMe over fabric白皮书上概述了对NVMe支持的两种类型的fabrics,一个是RDMA和一个是使用FC。尽管一些竞争者会声称光纤通道不是合法的NVMe Fabric,但是NVM Express白皮书例证说明了这个问题。

同样,白皮书明确列出了光纤通道作为一个NVMe over Fabrics选择,也描述了理想的Fabrics需要具备可靠的、以Credit为基础的流量控制和交付机制。然而,基于Credit的流程控制机制是FC、InfiniBand和PCIe传输原生能力。基于Credit流控制不是以太网/ IP网络的一部分,所以,相比iWARP或RoCE的以太网Fabrics,FC实际上是NVMe更好的Fabrics选择。

2、RDMA也不是NVMe Fabric的关键

RDMA提倡者一般声称RDMA对设计好NVMe Fabric很重要。但在NVMe的白皮书中并没有把RDMA列为“理想”NVMe over Fabric的重要属性,也就是说RDMA除了只是一种实现NVMe Fabric的方法外,没有什么特别的。在博科看来,InfiniBand社区在RDMA有较大投入且与PCIe社区合作紧密,但是NVMe和NVMe over Fabric本身并不依赖于RDMA。

3、SCSI也不是唯一的FC Native协议

RDMA倡导者通常将NVMe over以太网/IP和FC的延迟时间进行比较(这就像比较把IP和以太网比较一样),由于NVMe是上层协议,光纤通道是链路层协议。完整的比较应该是把NVMe over以太网和SCSI over FC进行比较,如果描述正确的话,这才是一个有效的比较。现在,作为光纤通道专家也意识到一个问题,由于FC上承载SCSI叫光纤通道协议(FCP),所以不止一个新手错误地认为所有的FC通信都必须是FCP。但事实上FCP与FC不一样,FCP仅仅是一种FC-4(上层)协议,类似于FICON(大型机存储协议),可以通过FC传输。

常常产生的一个误解是NVMe首先被翻译成底层SCSI(FCP)之后才运行在FC上。这种误解很有可能是由同样的白皮书引起的,它告诉我们理想的NVMe传输应该允许客户端“直接发送和接收本地NVMe命令,无需使用诸SCSI如此类的转换层”。这句话本身这是有道理的,因为NVMe是延迟优化的,而转换层却会引入延迟。

实际上FC本身就可以运输NVMe,无需翻译和转化。NVMe over FC定义了一个新的上层FC-NVMe流量类型,它识别了特定于NVMe的帧。

FC-NVMe标准组织认为在FC上同时支持NVMe和SCSI会具有更大价值。FC-NVMe标准规定了NVMe over FC使用与FCP相同IO框架类型。FC作为多协议结构的长期使用和应用表明FC SAN同时支持SCSI和NVMe是非常可靠的。

4、如何看待SCSI到NVMe转换层对NVMe产生的影响?

NVMe fabric聚焦于最低延迟,NVMe over fabric的白皮书说明传输的一个理想方式是不需要翻译层,如果存在SCSI到NVMe转换就是次优的传输方式。在编写应用程序时,如果能直接使用NVMe,不但有效避免翻译步骤,还将避免了每IO引入的时钟周期。FC不需要转换翻译且支持Native NVMe。

与此同时,NVMe社区也意识到SCSI应用程序部署时,上层应用程序适配、兼容和SCSI到NVMe转换层的重要性。许多NVMe的潜在用户无法重新设计他们运行的应用程序,但希望能选择搬到NVMe基础设施之上,不依赖于它们的应用程序供应商重新设计。从这个角度来看,有一个转化翻译层作为一种选择对NVMe的采用和普及实际上是有益的。

值得庆幸的是,目前业界主流的HBA厂商都提供了从SCSI到 NVMe转换翻译的驱动程序,同时也提供Native NVMe能力支持原生支持NVMe over Fabric应用程序。

5、FC能否实现零拷贝(Zero Copy)功能?

IP堆栈当时被开发时,主要设计用于处理许多上层协议和许多层2网络,从令牌环到电话线,清晰的网络层划分对于互操作性有很好的意义,为了达到这个目的最好的选择是使用中间缓冲,使缓冲区复制公共数据。

在20世纪80年代早期,提供单副本复制(Single-Copy)也算是一个好的网络协议栈,网络接口卡(NIC)接收帧后,通过DMA技术将它们写到与网络堆栈相关联的DRAM缓冲区中,然后堆栈会决定哪个应用应该接受、继续处理帧数据,并把数据复制到应用对应的DRAM缓存区中。

在20世纪80年代中期,随着FC的生产,一切发生了变化。FC主要特点就是速度,所以为了达到优化的目前,FC允许芯片技术更复杂,FC/SCSI堆栈的层数更少,也放开了IP堆栈所面临的向后兼容性的限制。因此,FC实现一个适配器、驱动模型的堆栈架构,从而消除单一副本(Single-Copy)。

事实也确实如此,当应用程序请求存储IO时,应用程序以“逻辑地址范围”的形式指定一个缓冲区地址,然后将其转换为DMA的物理地址范围实现DMA传输。有时,一个逻辑范围将映射到多个物理块,因此HBA采用Scatter-Gather List (SGL)完成数据传输和保存。FC通过提供零拷贝(Zero-Copy)技术,支持DMA数据传输。RDMA通过从本地服务器传递Scatter-Gather List到远程服务器有效地将本地内存与远程服务器共享,使远程服务器可以直接读取或写入本地服务器的内存。

6、IP上的零拷贝(Zero-Copy)也不需要RDMA

由于RDMA越来越流行,因此在2007年将其扩展了到Internet Wide Area网络,从而形成RDMA协议(iWARP)标准。iWARP是建立在TCP之上的,传输协议使用确认和重传机制。TCP还采用一个“窗口”算法以避免传输超过了发送方和接收方之间的网络容量。

在Internet Engineering Task Force (IETF) Requests For Comment (RFCs 5040–5044)中,前一个RFC 5040中描述了RDMA如何使用Direct Data Placement (DDP)协议来实现FC和InfiniBand的零拷贝(Zero-Copy)效率,后一个RFC 5044标记了TCP中PDU对齐规范,有效地禁用了TCP 的“合并”行为,使得NIC更容易地处理接收的数据,提供DDP的硬件支持。

前面提到的RFCs为零拷贝(Zero-Copy)效率提供了基础,但是传统的NICs没有TCP处理功能。软件实现虽然提供了互操作性,但无法满足RDMA性能要求。为此,新的称为TCP Offload Engines (TOEs)的NICs卡就产生了,然而早期的TOEs都不适合iWARP,只有基于硬件实现DDP能力的RDMA使能TOEs才能提供类似FC一样的零拷贝(Zero-Copy)效果。

2009年前后,随着当时InfiniBand市场的低迷,NVMe获得了越来越多的关注,IETF的Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) 和IEEE的 Data Center Bridging (DCB)获得发展动力并以太网成为无损的Fabric。其中TRILL是指除IEEE的生成树协议支持以外的任何以太网拓扑结构;DCB采用基于优先级的流量控制、增强的传输选择和数据中心桥接交换技术。

InfiniBand行业协会(IBTA)看到了一个机会,在新的技术领域利用其在RDMA方面的专业知识,因此,他们开发了RDMA over Converged Ethernet (RoCE)规范(Converged Ethernet就是早期的DCB)。就像iWARP需要专门的TOEs来实现零拷贝(Zero-Copy)效率一样,RoCE依赖于RDMA-enabled NICs (RNICs)实现这一能力。IBTA认为RoCE的性能比iWARP更高,并指出了TCP (iWARP)不是低延迟通信的理想协议。

因为以太网不提供类似TCP的可靠传输能力,RoCE标准是在更高层的协议堆栈中实现可靠性功能。在RoCE发布的时候,对IPv4地址有相关约束,对TRILL的2层以太网网络扩展能力也有很高要求。IBTA显然认为RoCE应该拥有交付大规模高性能RDMA所需的一切能力。

7、“可路由”的RoCE v2才是更好的RoCE

Hyper-Scale和软件定义的网络推崇者促使IBTA创建RoCE v2(有时会被称为“可路由的RoCE”),意在取代RoCE。不同于基于TCP的iWARP, RoCE v2运行在UDP之上没有缓慢启动的节流行为。当然,采用UDP意味着RoCEv2帧不兼容RoCEv1帧(尽管支持RoCEv2的RDMA-enable的NICs通常可以配置为使用RoCE v1格式)。因为基于UDP的 RoCEv2缺乏类似TCP的显式拥塞通知能力,所以IBTA指出通过支持IETF的ECN实现在UDP之上传输层的流控制。

本文来自企鹅号 - 架构师技术联盟媒体

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