NVMe over Fabric

Das neue Paradigma für Storage-Verbindungen

| Autor / Redakteur: Dr. Jakob Jung / Dr. Jürgen Ehneß

Seit jeher in der Speicherwelt gefragt: Geschwindigkeit.
Seit jeher in der Speicherwelt gefragt: Geschwindigkeit. (Bild: ©metamorworks - stock.adobe.com)

NMVe over Fabric verspricht höhere Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit beim Datenaustauch zwischen Server und Storage. 2019 wird diese neue Technologie sicherlich ein Trendthema.

Non Volatile Memory Express (NVMe) ist eine innovative Methode für den Zugriff auf Speichermedien. NVMe nutzt den PCIe-Bus als Interface. Die Vorzüge liegen in höheren IOPS (Input/Output operations Per Second) und niedrigen Latenzen. Das sorgt für eine sehr hohe Geschwindigkeit. NVMe erreicht einen Datendurchsatz von 32 Gigabyte pro Sekunde (GBps). Die Spitzenmodelle einiger Hersteller von NVMe-Laufwerken können bereits zehn Millionen IOPS bewältigen. Die internen Datenabfragen (Queues) laufen über shared Memory mit bis zu 64.000 Queues gleichzeitig.

Die IOPS-Anforderungen steigen jedes Jahr, und zwar laut den Marktforschern von Gartner um 70 bis 100 Prozent jährlich. Eric Burgener, Research Director Storage der Analystenfirma IDC, sieht als Markttreiber für NVMe den hohen Datendurchsatz, das Preisleistungsverhältnis und die bessere Skalierbarkeit.

NVMe over Fabric löst Transportprobleme

Aber wenn 24 NVMe-Solid-State-Disks (SSDs) oder mehr in einen Server oder ein Array verbaut sind, gibt es ein Problem: Der Prozessor wird zum Flaschenhals. Das System bietet einfach nicht genug Bandbreite oder CPU-Zyklen, um mit der Datenflut fertigzuwerden, ohne dass IOPS und Latenz negativ beeinflusst werden.

Lange wurden Festplatten als Haupthindernis für den Fortschritt von Storage angesehen, jetzt ist der Prozessor der Sündenbock. Die Rolle der Prozessoren beschränkt sich nicht auf I/O-Abfragen, sondern sie leisten auch Services, an die sich Anwender gewöhnt haben. Kompression und Deduplikation sind eine starke Belastung für Prozessoren.

Die Situation kann durch die Datenübertragung mit NVMe over Fabric (oder auch Fabrics, die Nomenklatur und die Abkürzungen sind nicht eindeutig) gelöst werden. NVMe over Fabric (NVMe oF) ist ausgerichtet auf Netzwerkprotokolle wie Ethernet, Fibre-Channel oder Infiniband. Damit können Dutzende oder Hunderte NVMe-Laufwerke in ein einziges System eingebunden werden.

NVMe oF definiert eine gemeinsame Architektur, die eine Reihe von Speichermedien unterstützt. Das Ziel von NVMe over Fabric ist es, eine Fernkonnektivität zu NVMe-Geräten zu schaffen, die nicht mehr als zehn Mikrosekunden (µs) zusätzliche Latenzzeit gegenüber einem nativen NVMe-Gerät innerhalb eines Servers hinzufügt.

Die Spezifikation von NVMe oF 1.0 unterstützt zwei Transportarten: Fibre-Channel (FC) und Remote-Direct-Memory-Access (RDMA). Beide können Daten vom Host zum Array und umgekehrt übertragen, ohne dass die Daten mehrfach zwischen den Memory-Buffers und den I/O-Karten kopiert werden. Zu RDMA gehören Infiniband, RDMA-over-Converged-Ethernet, RoCE v2 (routable RoCE) und Internet-Wide-Area-RDMA-Protocol (iWARP). NVMe oF löst dabei auch Kompatibilitätsprobleme, denn die verschiedenen RDMA-Varianten sind untereinander nicht kompatibel.

Am meisten von NVMe oF profitieren Anwendungen für Künstliche Intelligenz (KI), Echtzeitanalyse und das Internet der Dinge sowie missionskritische Applikationen wie Datenbanken.

Beispiele für den Einsatz von NVMe oF

Im Moment ist NVMe oF noch nicht flächendeckend verfügbar. Die großen Storage-Hersteller bereiten ihre Systeme aber bereits auf diese Technologie vor, deren Durchbruch im Jahr 2019 erwartet wird. NVMe oF kommt mit älteren Transportprotokollen zurecht, so dass Kunden nicht ihre bestehende Infrastruktur ablösen müssen, wenn sie von den Vorteilen der neuen Technologie profitieren wollen.

Pure Storage hat beispielsweise das Array NVMe FlashArray//X70 eingeführt. Es handelt sich um ein traditionelles Array mit zwei Controllern, das ausschließlich mit NVMe-Laufwerken bestückt ist. Services für Thin-Provisioning, Compression, Deduplication, Snapshots, Clones, Replication synchron und asynchron sind integriert. Bei einer Latenz von nur 250 µs ist das NVMe FlashArray//X70 bis zu zweimal schneller als All-Flash-Arrays (AFAs) der vorigen Generation.

Netapp hat in der Version 9.4 seines Betriebssystems ONTAP erstmals NVMe over Fibre-Channel in NVMe oF integriert und dies serienmäßig in seinem AFF A800 All-Flash-Array umgesetzt.

Dell EMC integriert ebenfalls NVMe over Fibre-Channel in seine Host-Bus-Adapter-Bausteine (HBA), um Kunden einen Upgrade-Pfad in diese Technologie zu ermöglichen.

IBM hat das FlashSystem 9100 NVMe with FCM eingeführt, das für den Einsatz von NVMe oF vorbereitet ist.

Toshiba hat mit der Kumoscale NVMe oF Software auf dem Flash Memory Summit 2018 den „Best of Show Award“ gewonnen. Diese ermöglicht jedem Storage-Knoten optimale Kapazität und Leistung.

Toshiba kooperiert dabei mit Marvell. Der Marvell 88SN2400 ist ein SSD-ConverterController, mit dem sich Solid-State-Disks (SSD) einfach auf NVMe oF umrüsten lassen.

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