Kommentar

SCSI hat ausgedient, NVMe wird zum Speicherprotokoll des nächsten Jahrzehnts

| Autor / Redakteur: Fausto Vaninetti / Rainer Graefen

Fausto Vaninetti, Chairman der SNIA Europe
Fausto Vaninetti, Chairman der SNIA Europe (Bild: SNIA)

Schon seit vielen Jahren schreitet die Entwicklung der CPU-Leistung und des zugehörigen Speicherkomplexes voran; und ein ähnlich explosives Wachstum lässt sich in der Netzwerkbandbreite beobachten. Doch seit es SSD-Laufwerke gibt, können Anwendungen nur noch einen Bruchteil der Leistungsfähigkeit des Speichermediums nutzen. Mit NVMe steht jetzt noch mehr Performance zur Verfügung.

Die schnelle Steigerung der CPU-Leistung unterlag dem Mooreschen Gesetz, das im Speicherbereich allerdings nicht zu gelten schien. Tatsächlich hat sich die Leistung von Festplatten in einem völlig anderen Tempo entwickelt. Die erste magnetische 15k RPM HDD erschien im Jahr 2000 und seitdem konnte diese Drehgeschwindigkeit bedingt durch simple physische Gesetze nicht weiter gesteigert werden.

Der Fokus verschob sich demzufolge von der Leistung zur Kapazität und der damit verbundenen Kosteneinsparung pro GByte. Der Unterschied zwischen der Rechen- und Speicherleistung war schließlich so groß geworden, dass jeder darauf wartete, dass irgendetwas passiert. Das Aufkommen von Flash als praktisches Speichermedium stellte einen Quantensprung in der Speicherung dar und brachte die Dinge wieder ins Gleichgewicht.

Wie Sie Ihren Flash-Speicher optimal nutzen

Obwohl Flash-Medien sehr schnell sind, ist es eine völlig andere Geschichte, diese Geschwindigkeit beim Datenzugriff auch vollständig ausschöpfen zu können. Man benötigt ein passendes Protokoll für die Kommunikation mit diesem neuen Medium und, wenn dieses Protokoll seiner Natur nach langsam oder ungeeignet für diesen Zweck ist, bleibt die Geschwindigkeit weiterhin theoretisch.

Als alle Speichermedien wie magnetische Festplatten noch von Natur aus langsamer waren, fiel die Latenz der Kommunikationsprotokolle nicht ins Gewicht und das SCSI-Protokoll wurde allgegenwärtig. Aber mit einem schnellen Speicher wie Flash macht diese Latenz sich nun doch bemerkbar.

Daher ist ein besseres und effizienteres Kommunikationsprotokoll nötig, bevor man überhaupt daran denkt, an den Medien der nächsten Generation zu arbeiten, die sogar noch schneller als Flash sind und dessen Schreibbegrenzungen überwinden. Die wichtigste Änderung ist die Abschaffung des sequenziellen Ansatzes und die Ermöglichung von parallelen I/Os.

I/O-Transformation entfällt

Damit ist die bisher einspurige I/O-Straße, auf der Sie warten müssen, bis sie frei ist, auf eine fast beliebig skalierbare vielspurige Autobahn erweitert worden; die Gesamtgeschwindigkeit macht deshalb einen förmlichen Dimensionssprung.

Auf die gleiche Weise erfolgt die Beschleunigung von Flash-Speichern nun hauptsächlich über das Kommunikationsprotokoll und nicht mehr über ein etwas schnelleres Speichermedium. Der Geschwindigkeitssprung basiert allein auf NVMe, einem standardisierten Protokoll für arbeitsspeicherbasierte Speichertechnik.

Kurz gesagt, das neue Protokoll kann schon jetzt für Flash-Medien genutzt werden und ist schon so programmiert, dass auch neue Solid-State-Medien wie 3D XPoint, Z NAND, Phase Change Memory (PCM) usw. unterstützt werden.

Durch spezielle Treiber etabliert NVMe über den PCIe-Bus eine schnelle End-to-End-Kommunikation zwischen dem CPU-Komplex und dem Flash-Speicher, ohne dass ein Übersetzungs/Anpassungsgerät dazwischen geschaltet werden muss.

Das ist ein Vorteil im Vergleich zu SCSI, wo die PCIe-Transfers von der CPU erst zu einem IO-Controller geschickt werden müssen, der dann die PCIe-Befehle für SAS-/SATA-Festplatten übersetzt. Moderne CPUs haben 40 oder 48 Lanes und können damit mit einer hohen Bandbreite mehrere NVMe-Ziele unterstützen.

Das NVMe-Protokoll läuft zwar nativ auf dem PCIe-Bus, limitiert aber den physischen Abstand zwischen den kommunizierenden Speicherelementen. Wer also die beliebten Netzwerkspeicher mit Flash-Geräten verwenden will, benötigt mehr Reichweite: NVMe over Fabrics ist eine Erweiterung des NVMe-Protokolls, die die Anwendung in Rechenzentrumsnetzwerken ermöglicht.

Mehr Reichweite mit NVMe over Fabrics

NVMe over Fabrics kann in zwei Varianten über Ethernet (RoCE, iWARP), über Infiniband und über Fibre Channel laufen. Die Standardspezifikation ist für alle Varianten geeignet, wobei jedoch die kommerzielle Verfügbarkeit und die Marktnachfrage entscheiden werden, welche schneller weiterentwickelt und ob eine Lösung letztendlich den Markt dominieren wird.

Da es sich um eine ganz neue Technologie handelt, ist es vielleicht zu früh, Vorhersagen über ihre zukünftige Verbreitung zu treffen; es ist aber davon auszugehen, dass sie bereits Ende 2017 vereinzelt eingesetzt wird. Die unterschiedlichen Optionen haben alle ihre Vor- und Nachteile und die Anbieter werden jeweils in die eine oder andere Richtung drängen. Alle Optionen werden aber durch vollständige Auslagerungsfunktionen und Null-Kopie-Daten die signifikante Reduzierung der CPU-Zyklen für die Datenein- und Ausgabe von Servern gemein haben.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Leistungssteigerung von NVMe over Fabrics im Vergleich zu traditionellen SCSI-Implementierungen, da mehrkernige CPUs besser ausgelastet werden und die Latenz voraussichtlich um das Dreifache reduziert wird. Beide Varianten von NVMe over Ethernet werden die größere Bandbreite von 25/40/50/100G Ethernet-Switches (oder sogar 400G, wenn verfügbar) nutzen, die sich momentan einer hohen Nachfrage erfreuen.

NVMe over Fibre Channel wiederum wird auf seine bekannte robuste hohe Verfügbarkeit und die große Installationsbasis bei Speichernetzwerken aufbauen. Das größte Problem für NVMe over Infiniband wird es zweifellos sein, Kunden davon zu überzeugen, dass Infiniband auch für andere Anwendungen als Hochleistungsrechner effektiv verwendet werden kann.

5 Überlegungen zu High Speed Fibre Channel

Erstens sind Übertragungstechniken wie Fibre Channel in Rechenzentren gut etabliert. Für die großen Unternehmen auf dem Markt ist es die Technik der Wahl, wenn es um geschäftskritische Speicherverbindungen geht, und die Installationsbasis ist enorm.

Zweitens ist NVMe eine Speichertechnik und NVMe over Fabrics passt bestens zu den Best Practices, zum Wissen und zum Budget von Speicherteams. Obwohl sowohl Ethernet als auch Infiniband als Transportschichten für den Speicherdatenverkehr verwendet werden können, denkt man doch immer noch zuerst an Fibre Channel. Nicht zuletzt sind Speicheradministratoren sehr vertraut damit.

Drittens werden NVMe-basierte All-Flash-Arrays nicht über Nacht eingeführt und die Fähigkeit von HBAs und FC-Switches, gleichzeitig SCSI und NVMe over Fabrics zu unterstützen, schützt Investitionen und ermöglicht die Migration, was dafür sorgt, dass Fibre Channel nicht so leicht verdrängen werden wird.

Viertens ist der Flusssteuermechanismus des PCIe-Busses sehr ähnlich zu dem, der von Fibre-Channel-Netzwerken verwendet wird, und dieser Mechanismus basiert auf allgemein vereinbarten Eigenschaften. Das Ergebnis ist, dass sowohl NVMe als auch NVMe over Fabrics mit Fibre Channel auf bewährten Mechanismen beruhten und so die End-to-End-Implementierung einfacher wird.

Fünftens gibt es nur noch wenige Anbieter von Fibre-Channel-Technik, was es einfacher macht, Vereinbarungen zu treffen und Produkte kommerziell verfügbar zu machen.

Überlegungen zu NVMe over Fabrics mit Ethernet

Andererseits ist Ethernet sowohl innerhalb als auch außerhalb von Rechenzentren die am weitesten eingesetzte Netzwerktechnologie. Es wird ständig angepasst und verbessert, um bestimmte Anforderungen (wie No-Drop) zu erfüllen, und die Verwendung in Speichern ebenfalls weit verbreitet.

Die Beliebtheit von neuen hyperkonvergierten Lösungen gibt Ethernet als Speichernetzwerklösung zusätzlichen Rückenwind. Zudem verspricht die Verfügbarkeit von 25/50/100G Portgeschwindigkeiten gemeinsam mit dem Volume-basierten Preisverfall sowohl für Netzwerkadapter als auch Switches Ethernet-Unterstützern eine glänzende Zukunft.

NVMe over Fabrics mit Ethernet wird daher voraussichtlich für skalierbare und gemeinsame Solid-State-Arrays und den Anschluss von Hosts verwendet werden. Obwohl bereits 2015 funktionierende Präsentationen von NVMe over Fabrics mit iWARP und RoCE stattfanden, gab es bisher noch keine kommerziellen Angebote.

Wir sollten uns nicht wundern, wenn auch kombinierte Lösungen schon bald zu haben sind: NVMe over Fabrics mit RoCE in NVMe-basierten All-Flash-Arrays und NVMe over Fabrics mit Fibre Channel außerhalb des Arrays für den Anschluss von Hosts.

Fazit

Ebenso wie Solid-State-Speicher eine Revolution in der IT-Industrie darstellten, die die Tür zu vielen neuen Ideen und für zahlreiche Start-ups geöffnet hat, werden das NVMe-Protokoll und seine skalierende Version NVMe over Fabrics in der Zukunft große Auswirkungen auf den Speicherzugriff von Anwendungen haben.

NVMe verhält sich zu SCSI wie Solid-State-Speicher zu magnetische Festplatten. Am Ende werden die Kundenentscheidungen und Preise bestimmen, welche neue Fabric-Technologie den größten Marktanteil erobern wird. Selbst wenn Fibre Channel einen Blitzstart hinlegen würde, kann die Entwicklung auf lange Sicht ganz anders aussehen.

* Fausto Vaninett ist Mitglied im Board of Directors der SNIA Europe

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