软硬件融合 · 2021年10月08日

高速的、标准化的存储接口NVMe

编者按

网络侧现在还没有形成标准的接口。Virtio-net因为软件虚拟化的流行所以标准,但其性能较差;AWS有自己的ENA/EFA接口,NVIDIA提供的是NV-SRIOV自定义接口,以及基于此封装的Virtio-net接口。

在存储侧,业界形成了“伟大”的共识:NVMe标准接口,兼顾了标准化和高性能。与此同时,从Virtio-blk逐步切换到NVMe在业界得到了众多的认可。

(标题)高速存储接口NVMe
跟网络接口相比,存储的接口标准化程度相对较高。NVMe是本地高性能存储主流的接口标准,同时基于NVMe扩展的NVMeoF是高性能网络存储主要的接口及整体解决方案标准。

1 NVMe概述

NVMe(Non-Volatile Memory Express)是经过优化的、高性能的、可扩展的主机控制器接口,专为非易失性存储器(NVM)技术而设计。NVMe解决了如下一些性能问题:

  • 带宽:通过支持PCIe和诸如RDMA和光纤之类的通道,NVMe可以支持比SATA或SAS高很多的带宽。
  • IOPS:例如,串行ATA可能的最大IOPS为20万,而NVMe设备已被证明超过100万IOPS。
  • 延迟:NVM以及未来的存储技术具有一微秒以内的访问延迟,需要一种更简洁的软件协议,能够实现包括软件堆栈在内的不超过10毫秒的端到端延迟。

NVMe协议支持多个深度队列,这是对传统SAS和SATA协议的改进。典型的SAS设备在单个队列中最多支持256个命令,而SATA设备最多支持32个命令。这些队列深度对于传统的硬盘驱动器技术已经足够,但不能充分利用NVM技术的性能。

相比之下,图1所示的NVMe多队列,每个队列支持64K命令,最多支持64K队列。这些队列的设计使得IO命令和对命令的处理不仅可以在同一处理器内核上运行,也可以充分利用多核处理器的并行处理能力。每个应用程序或线程可以有自己的独立队列,因此不需要IO锁定。NVMe还支持MSI-X和中断控制,避免了CPU中断处理的瓶颈,实现了系统扩展的可伸缩性。NVMe采用简化的命令集,相比SAS或SATA,NVMe命令集使用的处理IO请求的指令数量减少了一半,从而在单位CPU指令周期内可以提供更高的IOPS,并且降低主机中IO软件堆栈的处理延迟。
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图1 NVMe多队列

2 NVMe寄存器

NVMe(Over PCIe)寄存器主要分为两类,一类是PCIe配置空间寄存器,一类是NVMe控制器相关的寄存器。

a.PCIe配置空间和功能

NVMe PCIe总线寄存器如表1所示,NVMe跟主机CPU的接口主要是基于PCIe总线,使用PCIe的Config和Capability机制。包括PCI/PCIe头、PCI功能和PCIe扩展功能。

表1 NVMe PCIe配置空间和功能
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b.NVMe控制器寄存器

NVMe控制器寄存器位于MLBAR/MUBAR寄存器(PCI BAR0和BAR1)中,这些寄存器应映射到支持顺序访问和可变访问宽度的内存空间。NVMe 1.3d版本的控制器寄存器列表如表2所示。

表2 NVMe 1.3d版本的控制器寄存器列表
FireShot Capture 053 - 高速的、标准化的存储接口NVMe - mp.weixin.qq.com.png

3 NVMe队列

NVMe的队列是经典的环形队列结构,通过提交/完成队列对来实现队列的传输交互。

a.队列概述

NVMe使用的是经典的循环队列结构来传递消息(例如,传递命令和命令完成通知)。队列可以映射到任何PCIe可访问的内存中,通常是放在主机内存。

如图2,队列是固定大小的,通过Tail和Head来分别指向写入和读取的指针。像通常的队列数据结构一样,队列实际可使用的大小是队列大小减1,并且用Head等于Tail指示队列空,用Head等于(Tail+1)除以队列大小的余数来指示队列满。
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图2 NVMe队列结构

如上一节的图1,根据用途,NVMe队列有两类:管理队列和IO队列;根据传输方向有两类:提交队列和完成队列。具体介绍见表3。

表3 NVMe队列类型
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b.队列处理流程

NVMe的驱动和设备交互跟Virtio不同:Virtio是在通过一个队列完成双向通知交互;而NVMe则采用提交队列和完成队列配合完成双向交互的方式。

如图3,NVMe队列处理流程如下(其中主机为软件驱动,控制器为硬件设备):

  • (1)主机写命令到提交队列项中。
  • (2)主机写DB(Doorbell)寄存器,通知控制器有新命令待处理。
  • (3)控制器从内存中的提交队列中读取命令。
  • (4)控制器执行命令。
  • (5)控制器更新完成队列,表示当前的SQ项已经处理。
  • (6)控制器发MSI-x中断到主机CPU。
  • (7)主机处理完成队列,同步更新提交队列中的已处理项。
  • (8)主机写完成队列Db到控制器,告知完成队列项已释放。
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    图3 NVMe队列处理流程

4 NVMe命令结构

我们通过如下一些概念来理解NVMe命令结构:

  • 队列项的数据格式。NVMe的提交命令固定64字节,完成命令固定16字节。
  • 命令。NVMe命令分为Admin和IO两类。
  • NVMe的数据块组织方式有PRP和SGL两种。

a.队列项的数据格式

提交队列和完成队列,组成队列对,协作完成NVMe驱动和设备之间的命令传输。提交队列每一项64字节固定大小,完成队列每一项16字节固定大小。

提交队列的数据格式如图4所示。NVMe提交队列项的数据格式属性如下:

  • Opcode:命令操作码
  • FUSE:熔合两个命令为一条命令
  • PSDT:PRP或SGL数据传输
  • Command Identifier:命令ID
  • Namespace Identifier:命名空间ID
  • Metadata Pointer:元数据指针
  • PRP entry 1/2:物理区域页项,对应的由PRP和PRP列表
  • SGL:散列聚合列表

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图4 提交队列项的数据格式

完成队列的数据格式如图5所示。
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图5 完成队列项的数据格式

NVMe完成队列的数据格式属性如下:

  • SQ Header pointer:SQ头指针
  • SQ Identifier:SQ ID
  • Command Identifier:命令ID
  • P:相位标志phase tag,完成队列没有head/tail交互,通过相位标志实现完成队列项的释放
  • Status Field:状态域

b.NVMe命令

NVMe管理类的命令如表4所示。

表4 NVMe管理命令列表
FireShot Capture 054 - 高速的、标准化的存储接口NVMe - mp.weixin.qq.com.png
NVMe IO类命令如表5所示。

FireShot Capture 055 - 高速的、标准化的存储接口NVMe - mp.weixin.qq.com.png

c.物理区域页PRP

PRP本质是一个链表,链表中的每一个指针都指向一个不超过页大小的数据块。PRP为8字节(64bits)固定大小,PRPList则最多可以占满一整个页。

PRP1和PRP2的格式如图6(a)所示。如果是首个PRP,则Offset(偏移量)可能是非零的数据,另外,偏移量是32bits对齐的(即末尾两位为0)。如图6(b)所示,在PRP列表中的所有PRP项的偏移量都为0,也即是PRP指针指向页面起始地址。
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图6 PRP和PRP列表的格式

如图7(a)所示,当数据只有一个或两个页面的时候,就不需要使用PRP列表数据结构,直接PRP1和PRP2指向内存页面。当一个命令指向的数据超过两个内存页面的时候,就需要使用PRP列表,图7(b)所显式的为使用PRP列表的数据结构。
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(a) 范例1:PRP直接指向内存页面
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(b) 范例2:PRP列表指针,指向PRP列表,再指向内存页面

图7 PRP数据结构范例

d.散列聚合列表SGL

PRP每个链表指针最多指向一个页大小的数据块,即使若干个页在内存连续放置,PRP也需要对应的多个PRP项。为了减少元数据规模,SGL不限制指针指向数据块的大小,这样连续的若干个页的数据,只需要一个SGL项就可以标识。

NVMe中SGL的长度为16字节固定长度,其格式如图8(a)所示,在最高的第15字节SGL描述符类型域和子类型域标识不同类型的SGL描述符,根据不同的描述符,字节14-0的格式各有不同。SGL描述符类型如图8(b)所示。

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图8 NVMe SGL数据格式

如图9,NVMe SGL的数据结构是链表形式,SQ中的首个SGL段只有1项,为指向下一个SGL段的指针。下一个SGL段包含若干SGL数据块描述符,SGL段的最后的一个SGL描述符为另一个SGL段指针,指向下一个SGL段。根据传输数据大小,在最后一个SGL 段中,所有的SGL描述符都是SGL数据块描述符。

PRP只能指向单个内存页,这样,当要传输的数据块非常大的时候,就需要非常多的PRP项。而SGL可以指向不同大小的数据块,处于连续内存区域的多个数据块只需要一个SGL描述符就可以标识。因此,一般情况下,SGL比PRP更高效,更节省描述符资源。

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图9 NVMe SGL数据结构范例

5 网络存储接口NVMeoF

NVMeoF(NVMe over Fabrics)定义了一种通用架构,该架构支持一系列基于NVMe块存储协议的存储网络系统。包括从前端存储接口到后端扩展的大量NVMe设备或NVMe子系统,也包括访问远程NVMe设备和NVMe子系统所需的网络传输系统。

如图10所示,NVMeoF支持以太网、光纤和InfiniBand等不同的网络传输介质。基于RDMA的NVMeoF,使用的是InfiniBand、RoCEv1/v2或iWARP。NVMeoF的主要目标是提供与NVMe设备的低延迟远程连接,与服务器本地NVMe设备相比,增加的延迟不超过10µs。

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图10 NVMe over Fabrics支持的网络传输介质

利用NVMeoF技术,可以轻松构建由许多NVMe设备组成的存储系统,它通过基于RDMA或光纤网络实现的NVMeoF,构成了完整的NVMe端到端存储解决方案。NVMeoF系统可以提供非常高的访问性能,同时保持非常低的访问延迟。

为了远距离传输NVMe协议,理想的基础网络结构应具有以下特征:

  • 可靠的基于信用的流量控制和传输机制。需要网络能支持自动流量调节,从而提供可靠的网络连接。基于信用的流量控制是光纤、InfiniBand和PCIe原生支持的功能。
  • 优化的NVMe客户端。客户端软件能够直接与传输网络之间发送和接收NVMe命令,不需要使用诸如SCSI之类比较低效的转换层。
  • 低延迟的网络。网络应该是针对低延迟优化过的,网络路径(包括交换机)端到端延迟不能超过10 µs。
  • 能够减少延迟和CPU使用率的硬件接口卡。接口卡支持直接内存注册给用户模式的应用程序使用,以便数据传输可以直接从应用程序传递到接口卡。
  • 网络扩展。网络能够支持扩展到成千上万个设备,甚至更多。
  • 多主机支持。该网络应能够支持多个主机同时发送和接收命令。这也适用于多个存储子系统。
  • 多端口支持。主机服务器和存储系统应能够同时支持多个端口。
  • 多路径支持。该网络应能够同时支持任何NVMe主机发起端和任何NVMe存储目标端之间的多个路径。

最多可达64K的独立IO队列以及IO队列固有的并行性可以很好地与上述特征一起使用。每个IO队列可同时支持64K个命令。另外,NVMe命令数量非常少,因此在各种不同的网络环境中实现起来也非常的简单高效。

NVMeoF协议大约90%与NVMe协议相同。这包括NVMe命名空间、IO和管理命令、寄存器和属性、电源状态、异步事件等。两者的差异对比如表6所示。

表6 NVMe和NVMeoF对比
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NVMe基于分层的设计:如果把NVMe传输映射到内存访问和PCIe总线,则是通常所理解的NVMe;如果把NVMe传输映射到RoCE等网络接口,基于消息传输和内存访问,则是NVMeoF。

如图11,在本地NVMe中,NVMe命令和响应映射到主机中的共享内存,可以通过PCIe接口访问。但是,NVMeoF是基于节点之间发送和接收消息的概念构建的。NVMeoF通过把NVMe命令和响应封装到消息,每个消息包含一个或多个NVMe命令或响应。
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图11 NVMeoF堆栈

对于NVMeoF来说,多队列特征是支持的。通过使用类似NVMe的提交队列和完成队列机制来支持NVMe多队列模型,但是将命令封装在基于消息的传输中。NVMe IO队列对(提交和完成)是为多核CPU设计的,这种低延迟的设计在NVMeoF也同样支持。

当通过网络将复杂的消息发送到远端NVMe设备时,允许将多个小消息合并成一条消息发送,从而提高传输效率并减少延迟。如图12,一条消息封装了提交队列项或完成队列项、多个SGL、多组数据以及元数据等。每一项的内容与本地NVMe协议相同,但是封装是将它们打包在一起,用以提高传输效率。

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图12 NVMeoF的命令和响应封装

6 NVMe及NVMeoF总结

NVMe是为了高速非易失性存储定制的存储接口访问协议,定向优化了存储的主要性能指标:带宽、延迟和IOPS。NVMe最重要的特征体现在:

  • 面向高速存储场景定制:NVMe是专门面向高速存储场景定制的协议,因此充分考虑了块存储的特点,重点解决存储性能的关键问题。
  • 多队列支持:多队列不仅仅充分利用了硬件的并行处理能力,同时,也充分的利用了多核系统多线程并行的特点,最大化的优化了NVMe的性能。
  • 标准化:NVMe是得到广泛应用的PCIe SSD接口标准,各大主流操作系统支持统一的标准NVMe驱动。

NVMeoF集成现有的NVMe和高速低延迟传输网络的技术,提供一整套整合的远程高速存储系统解决方案,非常适应于大规模存储集群的应用场景。

(正文完)

作者:Chaobowx
来源:https://mp.weixin.qq.com/s/FGetbTOXj4lb9IALOmUTRw
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