Скорость — лучшее оружие, позволяющие выжить и процветать в условиях жесткой конкуренции. На сегодняшний день высочайшую скорость для достижения ваших целей предлагает протокол NVMe.

Традиционный протокол SAS, разработанный для жестких дисков, не позволяет твердотельным накопителям раскрыть свой потенциал из-за сложной архитектуры системы, слишком большого количества протоколов для обработки и ограниченного числа параллельных очередей. Компания NVM Express сформулировала стандарты протокола NVMe и заменила сложную структуру протоколов в системе SAS, таких как планировщик ввода/вывода и SCSI, оптимизированным протоколом NVMe. В результате низкие задержки и отличная производительность при работе с флеш-массивами (all-flash arrays, AFA) сделали NVMe наиболее подходящим выбором для крупных предприятий.

Huawei детально проработала поддержку NVMe, включая комплексную разработку флеш-контроллеров NVMe, ОС для флеш-массивов NVMe и твердотельных накопителей NVMe. Следует отметить, что архитектура NVMe и алгоритмы согласования взаимодействия диск — контроллер обеспечивают для флеш-накопителей на базе NVMe стабильную задержку на уровне всего 0,5 мс.


Архитектура: SAS и NVMe

Флеш-массивы на базе NVMe превосходят аналогичные системы на базе SAS, но почему?

Во-первых, на уровне передачи во флеш-массивах на базе SAS данные ввода/вывода передаются от процессора на накопитель следующим образом:

  • Шаг 1: Данные ввода/вывода передаются от процессоров к чипам SAS по каналам и коммутаторам PCIe.
  • Шаг 2: Перед доставкой на накопитель SSD данные ввода/вывода преобразуются в пакеты SAS с помощью соответствующих чипов SAS.


Путь передачи: SAS и NVMe

Флеш-массивы на базе NVMe передают данные ввода/вывода от процессора на твердотельный накопитель через шину и коммутаторы PCIe. Процессоры флеш-массивов на базе NVMe напрямую взаимодействуют с накопителями NVMe по наиболее короткому пути, что повышает эффективность и уменьшает величину задержки при передаче данных.

Во-вторых, на аналитическом уровне программного протокола видны большие различия между флеш-накопителями на базе SAS и NVMe в области технологий взаимодействия протоколов для записи данных. Для завершения запроса на запись данных требуется четыре взаимодействия в случае с протоколом SCSI (подключается через устройство вывода SAS) и всего два для протокола NVMe.


Разбор ввода: SAS и NVMe

В-третьих, на уровне инкапсуляции протокола при использовании стека протоколов SAS запросы ввода/вывода отправляются с блочных устройств на накопитель по каналам SAS после инкапсуляции двух уровней (протоколы SCSI и SAS). А при использовании стека протоколов NVMe для запросов ввода-вывода требуется инкапсуляция только одного уровня (протокол NVMe). Благодаря упрощенным стекам протоколов NVMe расход ресурсов на инкапсуляцию снижается на 50%, тем самым уменьшая нагрузку на ЦП и задержку при передаче данных ввода-вывода, вызываемую каждой инкапсуляцией.

В-четвертых, на уровне параллельной работы нескольких очередей протокол SAS поддерживает только одну очередь, тогда как протокол NVMe поддерживает до 64 тыс. очередей, каждая из которых способна обрабатывать до 64 тыс. параллельных команд. Протокол NVMe с поддержкой множества очередей работает лучше благодаря обработке большего количества параллельных задач и более эффективному взаимодействию нескольких каналов и контроллеров в твердотельном накопителе.

В-пятых, на уровне механизма блокировки архитектуру SAS с одной очередью необходимо блокировать в многоядерной среде. Huawei разработала механизм управления очередью операций ввода/вывода для NVMe, который полностью исключает взаимоисключающую блокировку уровней диска на исходных маршрутах ввода/вывода и устраняет конфликты обработки ввода/вывода. Этот механизм обеспечивает полную совместимость с параллельной обработкой данных в многоядерных процессорах, уменьшает расходы на программное обеспечение и повышает эффективность внутренней обработки. При управлении очередью операций ввода/вывода многопотоковая обработка и множество очередей позволяют достичь оптимальной производительности.


Управление очередью операций ввода/вывода в системы NVMe

В-шестых, на уровне оптимизации ОС операционная система хранения, специально разработанная для флеш-памяти, улучшает алгоритм взаимодействия дисковых контроллеров.

Стабильность и эффективность

Благодаря перечисленным преимуществам клиенты, которые захотят выбрать новый протокол хранения, скорее всего, обратятся к NVMe. Несмотря на его беспрецедентную производительность, протокол NVMe предполагает и новые трудности при проектировании дисков и систем хранения.

  • Несобственные порты с двойным разъемом PCIe. Технология резервирования с двумя контроллерами используется в корпоративных хранилищах для обеспечения надежности системы. Однако технология с двумя разъемами на базе PCIe вызывает сложности при проектировании твердотельных накопителей. В настоящее время в SSD-накопителях некоторых производителей не используются родные двойные порты PCIe. Например, в NVMe SSD от Intel используются двойные порты PCIe, подключаемы с помощью внутренних коммутаторов PCIe. Такие недостатки сказываются на надежности системы.
  • Низкая производительность при горячей замене PCIe. Коммерческие SSD на базе NVMe должны поддерживать функцию подсоединения без отключения питания. Однако традиционная горячая замена, особенно внезапная, неудобна для пользователя из-за возникающих системных исключений и прерывания работы устройства.
  • Необходимость гарантировать надежность данных. Поскольку на дисках может храниться все больше данных, то для защиты таких объемов требуется более высокая надежность накопителя.
  • Трудность в обеспечении надежности при размещении на разных объектах. Вопрос надежности одиночных систем хранения уже поднимался. Теперь он стоит и перед системами, размещенными на разных объектах.

Huawei является одной из ведущих компаний, успешно создающих стабильные флеш-массивы. Их преимущества описаны в более чем 1000 историй успеха наших клиентов.

Во-первых, на уровне интерфейса SSD-накопители Huawei на базе NVMe используют родные двойные порты с двумя независимыми каналами PCIe 3.0. Это обеспечивает аппаратную основу для восстановления системы и обработки исключений, а также поддержку резервирования с двумя контроллерами, что повышает надежность корпоративных систем хранения.

Во-вторых, Huawei является экспертом в области телекоммуникаций, особенно когда дело касается комплексного управления каналами PCIe, технологий устранения неисправностей PCIe и горячей замены. Драйвер PCIe разработан таким образом, чтобы твердотельный накопитель можно было удалить в любое время. За счет этого обеспечивается высокая надежность системы PCIe при замене диска или возникновении сбоя.


Механизм удаления SSD-накопителя NVMe

В-третьих, для защиты данных была использована инновационная технология Huawei RAID-TP, основанная на алгоритме Erasure Code (EC). Биты четности поддерживают 1, 2 и 3 измерения и могут допускать выход из строя от одного до трех дисков одновременно. Это означает, что даже в случае выхода из строя трех дисков система не пострадает от потери данных или прерывания обслуживания. На сегодняшний день три одновременных сбоя могут выдержать только продукты Huawei, NetApp и Nimble, а другие поставщики (такие, как Dell EMC, HDS и IBM) пока не могут этим похвастаться.

Хотя продукты некоторых вендоров могут работать при сбое трех дисков, в них используется традиционная архитектура RAID: фиксированные диски с данными и диски горячего резерва. Восстановление 1 Тб данных с помощью горячего резерва в устройствах этих компаний занимает 5 часов. В OceanStor Dorado используется система блочной виртуализации, с помощью которой данные в 1 ТБ можно восстановить всего за 30 минут, что соответствует требованиям систем хранения больших объемов данных.

В-четвертых, для защиты данных, размещенных на разных объектах во флеш-хранилищах Huawei на базе NVMe используются комплексные технологии защиты данных, такие как создание моментальных снимков, клонирование и удаленная репликация, которые помогут клиентам создать решение для многоступенчатой защиты данных как в локальных и городских, так и удаленных центрах обработки данных (ЦОД). Huawei — первая компания, создавшая бесшлюзовую структуру «активный-активный» для флеш-систем хранения данных.

Не отставайте от прогресса, подготовьтесь к будущему

Из-за большого времени поиска задержки в системах хранения на базе традиционных жестких дисков может превышать 10 мс. Благодаря применению электронных таблиц сопоставления SSD-накопители позволяют уменьшить время задержки в два раза до 5 мс.

Традиционные контроллеры запоминающего устройства часто используют одни и те же ОС, несмотря на различия в форматах жестких дисков. Поэтому их удобно использовать при смене типа диска. Однако множество типов жестких дисков и используемых на них ОС устарели. Именно по этой причине Huawei выпустила флеш-массивы OceanStor Dorado V3. Эти системы разработаны специально для работы с SSD и способны уменьшить задержки до значений ниже 1 мс.

В будущем многие компании, желающие извлечь пользу из новых способов хранения данных, без сомнения перейдут на более быстрые носители. Этим и полезны современные технологии.

Хотите создать более эффективную флеш-систему хранения? Обращайтесь к Huawei.

НА ПРАВАХ РЕКЛАМЫ

Другие спецпроекты

Версия для печати