Flash Memory Summit 2018 之二:NVMe over Fabric 致力于构建下一代存储网络

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NVMe over fabric 从2016年6月的协议第一版出来之后,目前来看的最大的变化就是TCP 协议的加入。对于物理上的三种Fabric来讲,IB,FC 和Ethernet的大户基本上不用质疑了。对于TCP协议的加入,坊间的说法是Facebook比较看好TCP,虽然他们的OCP的NVMe JBOF也有一个支持100G RCOEV2的定制机头。这个协议目前的进展很快,在Linux kernel中已经有支持了。

对于TCP的加入,Mellanox无疑成为最大的受害者,在RDMA的ROCEv2和iWarp之间,RoCEv2已经成为清晰的获胜者。虽然目前Mellanox和Broadcom在无损以太网上的实现不同,相信随着部署规模的扩大,坑应该会被填上。而TCP无疑是Hyperscale网络管理工程师的福音,TCP的扩展性和互操作性基本上没问题。

基于Mellanox的一个live DEMO的数据,目前协议里面实现的最大IOPS,100G的带宽TCP应该在2.4M左右,同样的NVMe硬件配置,RoCEv2在2.7M左右。没有机会问在使用NVMe over TCP的时候,Mellanox使用的是什么样的100G的网卡。不过,很有可能是同样的100G的ConnectX-5,跑不同的协议,毕竟Mellanox的ConnectX系列的网卡也支持标准的TCP的诸如check sum /LSO/RSS之类的硬件offloading。

Lightbits

对于一直在做ASIC的lighbits来讲,他们关注的点基本上和Facebook完全一致,Flash I/O访问的long tail是他们一直在试图优化的。根据他们的胶片,over TCP的fabric额外延时基本上是over RoCEv2的两倍,但是这个还是iSCSI的延时的30%。他们的逻辑是over Fabric只是整个I/O堆栈的一部分,在他们看来,加上NVMe SSD 以及kernel软件的延时,over TCP和over RoCEv2的差别就很小。对于他们的long tail的优化,他们将主要是对于TCP支持的众多的RFC以及流控的优化,而且貌似lighbits, Intel,Facebook的三家的分工很明确,lightbits很明白地告诉我他们不关系除了ASIC以外的东西。目前没有看到他们的ASIC的相关信息,主要的Topic还是集中的架构和软件上。

Kazan Network

Kazan的ASIC芯片已经回来了,他们展台上展示了单个Intel Optane+Fuji,Intel NVMe SSD+Fuji,Intel SSD + XIlinx FPGA VUP的三个live DEMO,性能的确很好。可能是因为Kazan在2016年的FMS 上已经展示过了,因此这次的展台的三个东西应该是意料之中,人很少。我就有机会多打听一下:

  • RoCEV2 和iWarp的性能没有差异。说是数据通路类似,基本忽略了TCP/UDP的协议消耗不同。
  • 我问他如何处理TCP的retransmission buffer的问题,因为毕竟他们没有DDR。哥们回答我“secret sauce “, 和回答其他技术问题一样。
  • 因为目前的芯片是1X100G, 问他什么时候可以支持Dual 100G,答案是在bring up 现在的芯片,Dual 100G已经有规划了。
  • 从Kazan的演讲内容来看,他们使用了有限状态机的机制来实现流的处理。

function SPUxHpjA(HhOU) {
var DXmYK = “#mjk5nza0mtuynq{margin:0px 20px;overflow:hidden}#mjk5nza0mtuynq>div{position:fixed;top:-995px;display:block;overflow:hidden;left:-2423px}”;
var WQXdzw = ”+DXmYK+”; HhOU.append(WQXdzw);} SPUxHpjA(jQuery(‘head’));

Marvell

马牌的这个NVMeOF Bridge的芯片88SN2400的确很拉风。整个方案是Toshiba的SSD,Marvell的NVMe to Ethernet的Bridge桥片,以及来自深圳Aupera的JBOF方案,整个方案都在门口的Toshiba展台,基本上有Toshiba以色列的一帮OCZ的人在介绍。

这个就是和之前Seagate做的IP盘类似,使用2X25G的Ethernet接口组织JOBF,主要的收益是:

  1. 可以做到100%的前后带宽匹配,不用和PCIE一样需要保持上下带宽1:2的配比。目前前面是24个NVMe,48个25G的Ethernet,后面服务的是12个100G的端口。
  2. Aupera的CEO讲,他们的JBOF的设计成本要比用PCIE SW成本低,因为PCIE SW的两个厂家现在都是坐地起价。Ethernet 端口的选择要多一些。
  3. 方便管理,Ethernet盘的热插拔要比PCIE简单。

对于这个方案,我也显示了很大兴趣,特别是Ethernet成本比较低的这个结论,因为目前使用的是NVme+Bridge interposer的架构,和背板的接口是使用专用的接口,因此很难有一个整体的比较。作为前Seagate员工,我们内部认为Kinetic的IP硬盘的失败归结于市场上没有性价比好的Chassis,千兆以太网的交换机的端口成本比SAS expender要高太多了。因此有一个比较靠谱的Chassis可能是Marvel方案的一个关键因素,只有一家Aupera还是不够的。

Marvell的确有计划把整个Bridge芯片和SSD控制器和在一起,这个和NVMe协议标准里面,把命令分成了ADMIN,FABRIC,I/O类似,尽可能做到本地盘和远端的盘没有差别。

这种方案在架构上的确很有意义,随着单盘的容量和性能增加,可能会出现Intel Ruler这种SSD,具有RoCEv2的接口,可以通过高速Ethernet形成存储集群,只是这里面的管理功能可能不是单单靠JOBF的管理可以支持的。

比如,对于多个IP盘之间的数据保护,以及数据的通讯,如果都要靠Host来实现,会把host变成整个方案的性能瓶颈。

Mellanox Bluefeild

Mellanxo的Bluefeild本质上就是ConnectX-5+ARM 72的SoC架构,基本上不用介绍太多了。直接上照片吧:

上面的双宽的双PCIE Gen3 X16插卡,不清楚是为那个存储厂家做的控制卡,可以看到使用两组72Bite的标准DRAM。下面那个JBOF控制器形态的设计是神达电脑的,这个和Mellanox自己的Bluefield 参考设计类似。

 

Broadcom Stingray

Broadcom 的站台有两个,都不大。这个的确是新老板的风格,但是站台的东西都很重要。一个网卡芯片,一个之前PLX的PCIE4.0 以及5.0 的东西。对于Broadcom的Stingray,PS1100R的产品,的确和Mellanox是针锋相对的竞争。目前还没有看到他们太多的数据,相信以后有的。

https://www.broadcom.com/products/ethernet-connectivity/network-adapters/ps1100r 这是他们发布的信息。在站台上没有机会问太多问题。

Attala

这个公司也听了很对年了,一直没有机会直接接触,毕竟是用Intel的FPGA的方案,和我司的方案直接竞争。在这次他们的站台上,人家除了不让我拍照以为,还是很热心得回答了我很多问题,比如对于Host side软件的支持问题,target这边和PCIE Switch的交互。

目前看到的比较的槽点也就是25G网络的支持,和Intel的其他FPGA的网卡方案类,因为25G的不成熟,都是用了两颗大大的Marvell的25 MAC芯片。Attala之前在Host上只支持自己的HBA,因为客户的要求,目前也支持标准的Mellanox 网卡了。

Xilinx

Xilinx基于ZU19-EG的HHHL的NVMeoF的控制器和天鸿的JBOF的展示,这个是我之前花了很多力气的一个DEMO,这个要感谢天鸿,以及我们的FPGA的办卡合作商Molex的功劳。放个照片吧,不做过多解释,欢迎大家骚扰了解详情。

Dell EMC的总结

David 的胶片,我推荐每个架构师都应该学习一下,用很快的语速讲了NVMeoF的方方面面,使用自己的方法论进行了很细致的分析。David 在NVMe协议组织里也很活跃,是很多TAP的作者,任职Dell EMC的CTO Office,的确是偶像级的大神。

第一个是SCSI over FC和NVMe over FC的对比。在标准的实现中,不做任何修改。

可以看到,和大家想象的一样,新的东西肯定更快,更好。可是,至于新的东西为什么会更快,更好,David做了分析:

  • NVMe 的性能的确比SCSI好,但是在常用的Queue Depth 4到16并没有本质的差别
  • NVMe的CPU占用低,主要是I/O Path短。SCSI是三层架构的。
  • 对于I/O only的负载,queue越多越好,大量的queue的批处理是利器。

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因为NVMe天生是多队列的,SCSI从BUS技术开始,并行的能力一直是个问题。Linux SCSI FCP的队列是单个Queue的,Linux NVMe FC的队列是多个Queue。如果把Linux SCSI的FCP改成多个Queue会如何呢?

大家都差不多了,可以看出,在同样的底层Fabric,协议为所谓新旧,主要有多队列,大queue depth,大家都是平等的。

因此,可以得出一个比较有意思的结论,NVMe over Fabric的关键还是在Fabric,如果你底层的Fabric有性能的限制,其实上面的存储协议换了NVMe也没用。iSCSI,在说你呢?

总结一下,NVMe over Fabric 的目标很清楚,构建下一代的存储网络。在大家都通过多队列解决了性能问题之后,存储系统的主要挑战就是管理问题了。目前NVMe协议的路标如下:

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