NVMe Over Fabrics架构概述

NVMe Over Fabrics使用RDMA或光纤通道（FC）架构等Fabric技术取代PCIe传输。如图所示，除了基于RDMA架构的传输包括以太网（ROCE），InfiniBand和iWARP，当然，采用基于原生TCP（非RDMA）传输也是可能的（截至2018年7月，TCP技术仍在研发阶段）。

图RDMA和FC Fabric NVMe架构

图中所示的NVM子系统是一个或多个物理结构接口（端口）的集合，每个单独的控制器通常连接到单个端口。多个控制器可以共享一个端口。尽管允许NVM子系统的端口支持不同的NVMe传输，但实际上，单个端口可能仅支持单个传输类型。

注意：NVM子系统包括一个或多个控制器，一个或多个命名空间，一个或多个PCI Express端口，非易失性存储器存储介质，以及控制器和非易失性存储器存储介质之间的接口。

下图是一个存储阵列的示例，该阵列是由通过FC结构连接到3个主机的NVM子系统组成。

图：由通过Fabric连接到3个主机的NVM子系统组成的示例阵列

通常，NVM子系统呈现一个或多个NVMe控制器（最大约64K）的集合，其用于通过一个或多个（最多64K）NVM子系统端口访问与一个或多个主机相关联的命名空间。实际上，子系统控制器的数量或子系统端口的数量往往非常小。

NVMe Over Fabrics（NVMe-oF）也是基于NVMe架构，包括命令集和排队接口。除Admin和I/O命令外，它也支持Fabric命令。NVMe-oF在某些方面与基本NVMe规范有所不同（例如，不允许中断）,因为NVMe中的Interrupt的说法，仅仅限于NVMe over PCIe的架构，在NVMe over Fabric的架构下，不存在任何Interrupt的说法。

注意：有关NVMeover Fabrics与NVMe基本规范之间差异的完整列表，请参阅NVMe Over Fabric 1.0规范

控制器一次只与一个主机关联，而端口可以共享。NVMe允许主机通过相同的端口或不同的端口连接到NVM子系统中的多个控制器。

NVMe-oF支持发现服务，使用发现机制，主机可以获得具有主机可访问的名称空间的NVM子系统的列表，包括发现到NVM子系统的多个路径的能力。NVMe Identify Admin命令用于确定控制器的命名空间。

如前所述，NVMe规范支持多路径I/O和命名空间共享。虽然多路径I / O，命名空间共享，多主机连接和预留等概念并不相同，但为了方便将它们一起描述，它们在涉及多主机命名空间访问，尤其是在使用NVMe预订(Reservations)时有些相互关联。以下提供了这些概念的简要说明。

命名空间共享

命名空间共享是指两个或多个主机使用不同的NVMe控制器访问公共命名空间的能力。命名空间共享要求NVM子系统包含两个或更多控制器。

下图显示了两个NVMe控制器通过两个NVM子系统端口连接的示例; 在此示例中，命名空间B（NS B）由两个控制器共享。NVMe操作可用于协调对共享命名空间的访问。与共享命名空间相关联的控制器可以同时在命名空间上操作。可以使用全局唯一标识符或与命名空间本身关联的命名空间ID（NSID）来确定何时存在到同一共享命名空间的多个路径。

NVM子系统不需要将相同的命名空间附加到所有控制器。在图中，只有命名空间B被共享并连接到控制器。

注：当前的NVMe规范未指定跨NVM子系统的命名空间共享，这在NVMe 1.4规范草案中得到了解决。

图：具有对共享命名空间的专用端口访问的示例

多路径

NVMe多路径I/O是指单个主机和命名空间之间的两个或多个完全独立的路径。每个路径使用自己的控制器，尽管多个控制器可以共享子系统端口。命名空间共享等多路径I/O要求NVM子系统包含两个或更多控制器。

在下图所示的示例中，主机A通过控制器1和控制器2具有2个路径。NVMe标准技术委员会目前正在制定关于多路径I/O的规范草案。

多主机连接和预留

NVMe预留功能类似于SCSI-3持久保留，可用于提供两个或多个主机用于协调对共享命名空间的访问的功能。命名空间上的NVMe预留限制了主机对该命名空间的访问。例如，受驱动程序支持的VMware ESXi可以使用NVMe预订来支持使用VM的MicrosoftWindows Server故障转移群集。

NVMe预留需要主机和命名空间之间的关联。多路径I/O和命名空间共享环境中的每个控制器只与一个主机相关联，如下图中的示例所示。主机可以通过向与其关联的每个控制器注册相同的主机ID来与多个控制器相关联。

注意：为了唯一标识主机ID，控制器可以支持以下两种格式之一：

1）64位主机标识符

2）扩展的128位主机标识符; NVMeOver Fabrics需要128位扩展格式

如下图所示的示例中，主机A与2个控制器相关联，而主机B与单个控制器相关联。主机标识符（例如，主机ID A）允许NVM子系统识别与同一主机（例如，主机A）相关联的控制器，并保留跨这些控制器的预留属性。

图：对共享命名空间的多主机访问

提醒一下，NVMe-oF是一种通过可扩展的方式在主流互连上扩展NVMe架构的事实标准。该标准旨在使非易失性存储器快速基于消息的命令能够通过网络在主计算机和目标固态存储设备或系统之间传输数据。主要的好处包括提高性能，减少网络延迟和瓶颈。

关于NVMe-oF/TCP

一个更有趣的新发展是NVMe和传输控制协议（TCP）的新传输绑定。对开发人员来说，好处是迁移NVMe技术到Internet小型计算机系统接口（iSCSI）。对于希望利用其以太网基础设施并避免远程直接内存访问（RDMA）协议的复杂性的企业而言，NVMe-oF/TCP是一个很好的选择。

NVMe-oF的传输无关性意味着NVMe-oF可以支持所有传输，目前有几种主流传输方式：RoCEv2，iWARP，InfiniBand和FCoE（以太网光纤通道/FC）。这里面有一些传输使用我们的规范中包含的RDMA协议实现绑定，但目前NVMe相关组织在正在添加TCP以满足市场需求。

业界对NVMe-oF /TCP标准持乐观态度，许多行业领导者都支持它，包括Facebook，谷歌，戴尔EMC，英特尔和其他公司。

外部存储市场已经开始采用NVMe-oF技术，我们希望企业客户能够继续在高性能要求的应用中使用和部署它。目前已经看到顶级供应商，包括Broadcom，思科，英特尔，IBM等，并宣布推出NVMe-oF解决方案。

NVMe-oF的未来在企业存储领域是光明的，新兴的计算密集型市场需要NVMe-oF技术。

人工智能，机器学习和实时分析都需要NVMe-oF提供的更低延迟和更快的吞吐量。NVMe-oF技术具有许多优势，可以满足新的应用需求。在服务器端，NVMe-oF减少了操作系统存储堆栈的长度，从而可以更有效地进行连接。在存储阵列方面，由于通过目标堆栈的路径较短，从而改善阵列性能。

然而，最重要的好处之一是NVMe-oF利用存储阵列的原有技术，通过从SAS/SATA驱动器转移到NVMe SSD，加速解决方案上市。

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