NVMe協(xié)議簡(jiǎn)介

非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范(NVMe)是一種存儲(chǔ)訪問(wèn)協(xié)議，允許CPU通過(guò)外圍組件互連(PCIe)快速訪問(wèn)SSD存儲(chǔ)器。通過(guò)一系列協(xié)議和技術(shù)，NVMe極大地加快了數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和檢索的速度。而使用NVMe，CPU直接訪問(wèn)SSD硬盤上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了SSD硬盤的更高利用率和靈活的可擴(kuò)展性。NVMe還允許存儲(chǔ)分解，并且可以與Kubernetes結(jié)合使用以擴(kuò)展應(yīng)用程序。

本文將探討NVMe如何重新定義Kubernetes中的存儲(chǔ)編排。

NVMe分布式存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)使用PCIe接口將CPU連接到SSD硬盤，NVMe移除了將計(jì)算連接到存儲(chǔ)的層，從而實(shí)現(xiàn)了高效的存儲(chǔ)抽象和分解。這為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心運(yùn)行提供了各種好處，其中包括：

高效的內(nèi)存?zhèn)鬏?。NVMe的每個(gè)CPU直接與SSD硬盤通信，降低了輸入-輸出控制器的內(nèi)部鎖定速度。NVMe還支持消息信號(hào)中斷以防止CPU瓶頸，從而提高存儲(chǔ)效率和可擴(kuò)展性。NVMe通過(guò)將消息信號(hào)中斷與CPU中的大量?jī)?nèi)核相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O并行性，從而減少網(wǎng)絡(luò)延遲。

NVMe提供大量隊(duì)列并行性

與每個(gè)隊(duì)列最多支持32個(gè)命令的SATA硬盤不同，NVMe使用私有隊(duì)列，在超過(guò)64,000個(gè)隊(duì)列的情況下，每個(gè)隊(duì)列最多可提供64,000個(gè)命令。這是因?yàn)槊總€(gè)I/O控制器都有自己的一組隊(duì)列，這會(huì)隨著可用CPU內(nèi)核的數(shù)量線性增加吞吐量。

NVMe提供更高的安全性

NVMe?over?Fabri規(guī)范支持由可信計(jì)算組織(TCG)等信譽(yù)良好的安全社區(qū)制定的安全隧道協(xié)議。這意味著NVMe支持企業(yè)級(jí)安全功能，例如訪問(wèn)控制、靜態(tài)數(shù)據(jù)加密、清除級(jí)擦除，以及加密擦除等。

NVMe依賴于高效的命令集

該協(xié)議依賴于一個(gè)簡(jiǎn)單、精簡(jiǎn)的命令集，它將處理I/O請(qǐng)求所需的CPU指令數(shù)量減半。除了提供較低的延遲之外，該方案還支持電源管理和預(yù)留等高級(jí)功能，從而將優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到輸入和輸出操作之外。

NVMe-oF

NVMe-oF是一種允許CPU通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接到SSD存儲(chǔ)設(shè)備的規(guī)范，旨在利用NVMe協(xié)議在存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)上的優(yōu)勢(shì)。主機(jī)可以使用基于MSI-X的命令將SSD存儲(chǔ)設(shè)備作為目標(biāo)，而網(wǎng)絡(luò)可以使用各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括光纖通道、以太網(wǎng)或Infiniband。

NVMe-oF在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗试S組織為高度分布式、高度可用的應(yīng)用程序?qū)嵤M向擴(kuò)展的存儲(chǔ)。通過(guò)將NVMe協(xié)議擴(kuò)展到SAN設(shè)備，NVMe-oF提高了CPU的使用效率，同時(shí)提高了服務(wù)器和存儲(chǔ)應(yīng)用程序之間的連接速度。

NVMe-oF支持各種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，例如：

RDMA

光纖通道

TCP/IP

NVMe-oF將網(wǎng)絡(luò)閃存存儲(chǔ)與服務(wù)器連接起來(lái)，使應(yīng)用程序能夠在共享網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)上運(yùn)行，從而為數(shù)據(jù)中心提供額外的網(wǎng)絡(luò)整合。采用SSD可以在應(yīng)用程序工作負(fù)載之間動(dòng)態(tài)共享，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效消耗、靈活性和可擴(kuò)展性。

Kubernetes編排和存儲(chǔ)持久性

雖然容器的存儲(chǔ)是暫時(shí)的，但Kubernetes通過(guò)提供引用物理存儲(chǔ)設(shè)備的抽象來(lái)支持有狀態(tài)的應(yīng)用程序。容器化應(yīng)用程序?qū)嶋H上與在其他容器上運(yùn)行的其他進(jìn)程和應(yīng)用程序相隔離。這使得Kubernetes環(huán)境具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，因?yàn)樗试S應(yīng)用程序在虛擬機(jī)、裸機(jī)系統(tǒng)、支持的云計(jì)算系統(tǒng)或各種部署的組合中運(yùn)行。雖然這種方法有一些好處，但當(dāng)需要在容器之間存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)時(shí)，也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。

Kubernetes提供了各種抽象和選項(xiàng)來(lái)將容器POD連接到物理存儲(chǔ)，例如：

卷

持久卷和持久卷聲明

存儲(chǔ)類

容器存儲(chǔ)接口(CSI)和存儲(chǔ)插件

使用直接附加存儲(chǔ)(DAS)進(jìn)行編排的挑戰(zhàn)

雖然直接附加存儲(chǔ)(DAS)提供了一種簡(jiǎn)單、高度可用且快速的存儲(chǔ)，但僅靠DAS不足以運(yùn)行Kubernetes集群。這是因?yàn)镈AS設(shè)備的存儲(chǔ)容量有限，無(wú)法動(dòng)態(tài)配置以匹配有狀態(tài)的Kubernetes工作負(fù)載。此外，DAS不包含網(wǎng)絡(luò)功能或促進(jìn)不同用戶組的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，因?yàn)榇鎯?chǔ)只能由單個(gè)服務(wù)器/桌面機(jī)器直接訪問(wèn)，而Kubernetes在分布式集群上進(jìn)行編排。

用于Kubernetes的NVMe

NVMe通過(guò)高速PCIe-oF接口將服務(wù)器連接到SSD硬盤，將DAS的低延遲擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)設(shè)備。這使得NVMe成為在Kubernetes上運(yùn)行的動(dòng)態(tài)、可擴(kuò)展和靈活的有狀態(tài)應(yīng)用程序提供存儲(chǔ)的有效選擇。容器存儲(chǔ)接口(CSI)標(biāo)準(zhǔn)將這些池化的NVMe設(shè)備連接到運(yùn)行有狀態(tài)應(yīng)用程序的Kubernetes集群。通過(guò)結(jié)合NVMe-oF提供的低延遲網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和CSI插件的靈活性，組織可以為Kubernetes應(yīng)用程序提供高效、敏捷以及需求驅(qū)動(dòng)的存儲(chǔ)解決方案。

NVMe-oF持久卷

為了避免在單個(gè)本地服務(wù)器上運(yùn)行NVMe?SSD出現(xiàn)的瓶頸，一些組織正在努力為Kubernetes存儲(chǔ)啟用NVMe-oF插件。Kubernetes支持使用RESTAPI以允許存儲(chǔ)供應(yīng)商通過(guò)NVMe-oF協(xié)議。存儲(chǔ)供應(yīng)商然后創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)卷API對(duì)象，這些對(duì)象可用于將一部分池化的NVMe?SSD連接到POD。然后，Kubernetes?POD和其他資源可以像任何持久卷對(duì)象一樣在這個(gè)池化存儲(chǔ)上讀寫數(shù)據(jù)。

MayaData創(chuàng)建的OpenEBS是一種流行的敏捷存儲(chǔ)堆棧，適用于需要更小延遲的有狀態(tài)Kubernetes應(yīng)用程序。OpenEBS的軟件基礎(chǔ)設(shè)施和插件與NVMe-oF提供的快速、分解的物理存儲(chǔ)完美集成。將NVMe?SSD與OpenEBS插件集成可以為具有狀態(tài)工作負(fù)載的松散耦合應(yīng)用程序提供更簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)配置。

OpenEBS是Kubernetes為性能敏感數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的一種流行的開源、靈活的存儲(chǔ)堆棧。Mayastor是OpenEBS的最新存儲(chǔ)引擎，與底層設(shè)備的性能能力相比，其開銷非常低。雖然OpenEBS?Mayastor不需要NVMe設(shè)備，也不需要工作負(fù)載通過(guò)NVMe訪問(wèn)數(shù)據(jù)。而通過(guò)低開銷的OpenEBS?Mayastor和最終的NVMe設(shè)備，從運(yùn)行一個(gè)通過(guò)TCP支持NVMe的容器的工作負(fù)載進(jìn)行端到端部署，將盡可能接近底層設(shè)備的理論最大性能，這是可以理解的。

OpenEBS?Mayastor構(gòu)建了一個(gè)基礎(chǔ)層，使工作負(fù)載能夠以聲明式的Kubernetes原生方式根據(jù)需要合并和控制存儲(chǔ)。在這樣做時(shí)，用戶可以專注于重要的事情，即部署和操作有狀態(tài)的工作負(fù)載。

如果用戶有興趣試用Mayastor，可以尋找一些有關(guān)如何設(shè)置集群以及運(yùn)行“fio”等基準(zhǔn)測(cè)試的說(shuō)明。

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