非易失性快速存储器 (NVMe)

NVMe 一致性测试

自从十多年前推出以来,非易失性快速存储器设备已经成为高速网络计算领域不可或缺的一部分。VIAVI 的协议分析平台为 NVMe 流量解码、错误注入和故障排查提供了完整的解决方案。

利用数十年的协议测试专业知识,VIAVI 推出了一系列多功能测试平台,成功结合了协议解码、性能分析、错误注入和协议训练器功能。特定于 NVMe 的协议和性能分析功能被集成到 VIAVI 的工具中,这些工具是为 PCI Express 测试和调试而开发的。

VIAVI Xgig® PCIe 分析仪具有协议分析功能,拥有 128 GB 的可用内存、高级触发和搜索功能、接口适配卡自动调谐和内存分段功能,可捕捉多条轨线。主机-客户端架构允许通过以太网进行远程调试。

什么是 NVMe? 

非易失性快速存储器 (NVMe) 是一种固态存储器接口协议,旨在通过 PCIe 总线访问闪存并提高 NVM 性能。NVMe 于 2011 年推出,使用 PCIe 接口将命令和响应映射到主机计算机。

  • NVMe 读写速度比 SATA 固态硬盘 (SSD) 接口快六倍。延迟也从大约 6 毫秒减少到 3 毫秒以下。
  • NVMe 最多支持 64K I/O 队列,每个队列有 64K 条目。这大大减少了数据传输所需的 CPU 周期数。
  • NVMe SSD 的性能非常适合实时应用,如人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和当今企业和超大规模数据中心常见的大数据分析。

PCI Express

外围组件快速互连 (PCIe) 是适用于几乎所有内部计算机连接的行业标准高速总线约定。点对点拓扑、多通道和创新的时钟方案是 PCIe 总线架构的其中几项强大功能。

支持 PCI Express 的设备利用并行数据传输和低功耗特性。NVMe,固态设备 (SSD) 技术集成了 PCIe 的这些优势,主导了计算机存储。 

NVMe 的优势

除了比传统 SAS 和 SATA 更快的存储访问速度和更低的延迟之外,NVMe 还提供了许多其他优势,可在支持新应用的同时改进现有存储应用。

  • 直接连接:传统架构包括 CPU 和存储设备之间的 I/O 控制器。通过从 PCIe 到 CPU 的直接连接,NVMe 设备现在遵循最小阻力的路径,提高了通道利用率并降低了功耗。 
  • 标准 SSD 接口:NVMe 在设计时考虑到 NVM 和闪存的独特特性,专为 PCIe 开发,而不是采用现有的协议,例如 SATA。
  • 面向未来:NVMe 规范并不指向任何特定类型的内存或设备。通过 PCIe 接口实现的 NVM 可以适应当前和未来的许多不同类型的非易失性存储器。
  • 新功能:NVMe 2.0 协议通过分区命名空间 (ZNS) 等新功能改进了性能和对存储的访问,这些功能允许主机和 SSD 在数据放置方面进行协作,并增加了对机械硬盘接口的支持。

查看 NVMe 流量

实施 NVMe 时所观察到的令人印象深刻的结果不言而喻。所需的指令数量不到传统 SCSI 到 SAS 接口的一半,寻道速度比 SATA SSD 快十倍以上。随着流量的增加,具有 PCIe Gen 4.0 功能、高内存容量和 NVMe 上下游流量解码分段功能的分析仪成为必不可少的工具。

VIAVI 第 5 代 PCIe 分析仪提供了 NVMe 流量的完整可见性,PCIe 和 NVMe 流量在堆栈的所有级别进行解码。使用 NVMe 管理界面 (NVMe-MI),NVMe 存储的命令集和架构可通过 SMB 捕获和触发观察到。

测试 NVMe 协议

完整的 NVMe 协议测试需要一个先进的通用测试解决方案。第 5 代 PCIe 分析仪的干扰和分析功能旨在满足 NVMe 设备的独特验证要求。

  • Xgig 平台可实现准确高效的故障排查和协议测试。 
  • 高级触发和搜索功能包括训练序列、有序集和队列对。
  • 只需将附加设备连接到集成的 Xgig 平台,就可以在多功能环境中同时支持多种协议。
  • 内联错误注入或“干扰”允许将错误引入系统,以便在协议测试期间验证错误恢复过程。

除了将设备集成到计算机系统内部的 NMVe 协议之外,还开发了扩展来促进网络存储。 

NVMe over Fabrics

NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 是 NVMe 协议的扩展,它支持位于不同位置的主机计算机和存储设备之间的数据传输。网络结构类型包括以太网、光纤通道和 Infiniband。这个协议扩展增加了 NVMe 设备可以成功连接的距离。 

  • NVME-oF 网络的特征包括基于信用的流和低延迟结构。目标是在 NVMe 设备之间提供连接,额外延迟不超过 10 微秒。 
  • NVMe oF 通过大幅提高外部存储 I/O 处理的效率,减少了网络架构中的瓶颈。 
  • NVMe-oF 1.1 标准支持 TCP 传输绑定,它允许在标准以太网接口上使用 NVMe,而无需特殊设备。 
  • NVMe-oF 标准与 NVMe 规范的相似程度大约是 90%,包括了传输机制作为额外的指引。

NVMe 的未来

NVMe 将随着每一次修订和完善而不断发展,增加新的特性和功能,同时保持使其成功的原有优势。 通过增加对旋转介质(硬盘)的支持,NVMe 兼容传统技术,同时有望在未来的超低延迟和数据密集型工作负载方面大有作为。NVMe 的速度和多功能性使这项技术成为领先的存储解决方案,市场份额逐年提高。NVMe 具有广阔的前景,其容量和潜在应用仅受限于设计师的想象力。