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。
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
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
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。
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
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。
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
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。
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
NVMe IO类命令如表5所示。
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。
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。
(a) 范例1：PRP直接指向内存页面
(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。
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。
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。
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
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。
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。
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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