Новые подходы к хранению данных: SSD и NVMe
В последние несколько лет технологии хранения данных развиваются стремительными темпами, растут емкость, производительность и функциональность СХД, появляются новые модели накопителей NVMe SSD и реализованные на их основе решения. Как считают аналитики, накопители SSD PCIe, использующие NVMe (Non-Volatile Memory Express), спецификацию на протоколы доступа к твердотельным накопителям (SSD), подключенным по шине PCI Express, — одна из основных тенденций развития технологий хранения данных в текущем году.
СХД с накопителями NVMe демонстрируют свои лучшие качества в приложениях, чувствительных к задержкам. Например, в таких приложениях как массивные базы данных NVMe обеспечивает малые задержки и высокие пиковые скорости передачи данных. Снижение задержек и увеличение параллелизма значительно повышают производительность операций чтения/записи.
В стандарте протокола NVMe планировщик ввода-вывода и сложные уровни протокола SCSI в системах SAS заменены на легкий стек NVMe. В результате при аналогичной нагрузке процессора NVMe дает в два раза больше IOPS, чем SAS. Протоколы SAS предназначены для жестких дисков (HDD) и во флэш-массивах становятся слабым звеном.
В отличие от SAS с одной очередью NVMe поддерживает до 65536 (64K) очередей, каждая с глубиной до 65536 команд. Это увеличивает параллелизм при обработке (и как следствие - производительность в IOPS) и позволяет задействовать преимущества многоядерных процессоров благодаря прямому доступу каждого ядра к SSD.
Хотя SAS будет применяться еще долгое время, будущее принадлежит флэш-накопителям NVMe: уже сейчас они способны обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных и при этом сравнительно недороги. А спецификация NVMe over Fabrics открывает путь к созданию распределенных СХД с низколатентной фабрикой.
Флэш-массивы NVMe позволяют преодолеть свойственные сетевым хранилищам задержки — приложение получает возможность напрямую подключаться к блочному хранилищу через интерфейс PCIe. Протокол NVMe разработан с учетом требований флэш-памяти, он оптимизирован для эффективной работы с SSD и в конечном итоге заменит накопители SATA SSD. Он снижает издержки ввода-вывода, увеличивает число операций ввода-вывода и пропускную способность.
Поскольку в NVMe применяется обработка очередей, достигается более высокая масштабируемость, чем у SSD-накопителей SAS и SATA. Причем можно независимо масштабировать вычислительные ресурсы и хранилище. Это становится все более важным для более эффективного распределения ресурсов в задачах IoT, ИИ и в других чувствительных к задержке рабочих нагрузках.
Почему же в реальных приложениях прирост производительности при использовании NVMe SSD подчас малозаметен и не оправдывает применения этих накопителей, более дорогих и менее емких, чем SAS SSD? Одна из причин в том, что производители не всегда идут по пути полной замены протокола SCSI: контроллер системы хранения просто преобразует SCSI в NVMe. И хотя удается повысить быстродействие в IOPS, выигрыш в задержке оказывается минимальным.
Кроме того, для достижения высокой производительности NVMe необходима оптимизация на уровне системы. Архитектура системы ввода-вывода также требует доработки, чтобы сделать ее более подходящей для параллельной обработки в многоядерных конфигурациях.
Некоторые вендоры используют в контроллерах своих СХД подключенные по NVMe модули памяти Intel Optane в качестве кэш-памяти на чтение. В результате удается значительно (до 40%) снизить среднюю задержку и добиться ее стабильности. В роли кэша на запись используется оперативная память DRAM или NVRAM. Они считают такой подход даже более выигрышным, чем применение NVMe-накопителей, поскольку SCM-кэш дает кратный прирост производительности при относительно низких затратах.
Прогнозы широкого использования в ЦОД флэш-массивов с возможностями фабрики NVMe
Протокол NVMe пока что развивается. Так, поддержка Multi-pathing появилась в стандарте только год назад. Продолжается работа над NVMe over Fabric (NVMe-oF), соответствующие драйверы пока что имеют лишь базовую функциональность. Хотя флэш-массивы с возможностями фабрики NVMe внедряются более быстрыми темпами, чем прогнозировали эксперты, об их широком использовании в ЦОД можно будет говорить лишь спустя несколько лет.
По данным аналитической компании Gartner, к 2021 году на флэш-массивы, использующие NVMe-oF для подключения к серверам и SAN, будет приходиться около 30% дохода от продаж СХД. Это серьезный рост по сравнению с 1% в 2018 году. Прогнозы IDC также оптимистичны: по прогнозам, к 2021 году флэш-массивы с подключением по NVMe и NVMe-oF составят примерно половину всех доходов от продаж внешних систем хранения.
NVMe-oF обеспечит чрезвычайно высокую пропускную способность при сверхмалой задержке, что делает его одной из самых актуальных разработок в области технологий хранения активных данных. NVMe-oF позволяет нескольким серверам совместно использовать высокопроизводительное и дорогостоящее хранилище NVMe. Такая возможность будет привлекательной для организаций с крупными инсталляциями Oracle Real Application Clusters или других баз данных.
В настоящее время разрабатываются сетевые транспортные протоколы фабрики NVMe для FC-NVMe и различных технологий удаленного прямого доступа к памяти, включая InfiniBand, RDMA over Converged Ethernet и Wide-Area RDMA.
В прошлом году производители СХД вывели на рынок множество продуктов NVMe. В основном в этой нише активны крупные вендоры систем хранения, в частности, Dell EMC, HPE и NetApp, хотя и стартапы пытаются найти в ней свое место. По мере выхода на рынок крупных поставщиков систем хранения с массивами, поддерживающими NVMe, будет расти признание технологии. Кроме того, основные поставщики ОС активно работают над драйверами NVMe. Для массового внедрения NVMe потребуется сочетание технологий, стандартов и изменений в операционных системах. Эта должно произойти в ближайшее время.
