【协议】NVMe over RoCE |nvmeof

什么是nvme

nvme ssd和普通ssd区别

ssd是固态硬盘，普通的ssd配的是SATA口（AHCI协议），nvme ssd配的是PCIe口（nvme传输协议）

相比普通SSD的SATA口，nvme的PCIe口有巨大的性能优势。

更多详情见：http://t.csdn.cn/i0EvW

什么是nvmeof

nvmeof就是 NVMe over Fabrics 

简介：

      Fabrics 可理解为高速网络。NVMe over Fabrics 说白了就是把本地NVMe协议扩展成了网络的NVMe，原先的主板总线变成了RDMA等高速网络。扩展了原先NVME的协议。

为什么需要nvmeof：

NVMe协议的PCIe 接口的使用，使得处理单元和硬盘之间的传输速度快很多，但是一但磁盘不在本机，而是分布式的在其他机器上，跨网络去读其他机器的磁盘，网络又成了瓶颈。

“数据中心的问题仍然存在于存储网络协议上。尽管 NVMe 兴起，但它的收益仅限于每个单独的设备。事实上，闪存和其他企业级（昂贵）设备，例如 AFA，并不是为了将其卓越的性能隔离在机箱内。相反，它们旨在用于大型并行计算机集群，将它们与其他和多个设备（例如其他服务器和存储）连接起来。这种设备的互连就是我们所说的结构，即存储网络，包括交换机、路由器、协议桥、网关设备和电缆。”

所以，要使用新型高速网络：Fabrics。

“2016 年推出了 NVMe-oF 行业标准。协议规范使用以太网、光纤通道、RoCE 或 InfiniBand 将 NVMe 的高性能性能从存储阵列控制器延申到Fabrics高速网络。

Fabrics 建立在发送和接收消息的概念之上，而端点之间没有共享内存。NVMe 结构消息传输将 NVMe 命令和响应封装到基于消息的系统中，该系统包括一个或多个 NVMe 命令或响应。”

      相比与普通的 NVMe 命令，NVMe over Fabrics 扩展了 NVMe 标准命令和数据传输方式，比如增加了互联命令，discover，connect、Property Get/Set、Authentication Send/Receive等。可以让 发起(读写）者--initiator 端发现并连接target 端（磁盘或带有磁盘的服务器）

initiator 端，又称为host/client端，initiator 配置前提：RDMA基础环境已搭建。通过NVMe 互联命令探测和连接target 端 NVMe SSD 即可。

nvme over pcie

nvme over tcp

nvme over fabric

nvme over rdma

nvme over roce

 

 

https://www.flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2017/20170808_FA12_PartB.pdf

NVMe 的高速网络（Fabrics）

（参考：什么是 NVMe-oF？ - 知乎）

NVMe 支持和使用的三种高速网络（Fabrics）：

1、基于RDMA 的 NVMe-oF、

2、基于光纤通道的 NVMe-oF

3、基于 TCP 的 NVMe-oF。

NVMe-oF over RDMA

基于RDMA的高速网络（Fabrics）

RDMA，即 Remote Direct Memory Access，是一种绕过远程主机 OS kernel 访问其内存中数据的技术，概念源自于 DMA 技术。在 DMA 技术中，外部设备（PCIe 设备）能够绕过 CPU 直接访问 host memory，不仅可以访问本地主机的内存，还能够访问另一台主机上的用户态内存（ 通俗的看成是远程的DMA技术）。

RDMA允许用户态的应用程序直接读取或写入远程内存，不经过操作系统，无内核干预和内存拷贝发生，节省了大量 CPU 资源，提高了系统吞吐量、降低了系统的网络通信延迟。
更多介绍见：https://blog.csdn.net/bandaoyu/article/details/112859853

典型的 RDMA 实现包括verbs 、RoCE、InfiniBand、Omni-Path 和 iWARP。目前使用最多的是 RoCE、InfiniBand 和 iWARP。

NVMe over Fibre Channel （NVMe over FC）

使用 NVMe over Fibre Channel (FC) 的组合通常称为 FC-NVMe、NVMe over FC，有时也称为 NVMe/FC。光纤通道是一种用于在存储阵列和服务器之间传输数据的强大协议，大多数企业 SAN 系统都使用它。在 FC-NVMe 中，命令被封装在 FC 帧中。它基于标准 FC 规则，与支持访问共享 NVMe 闪存的标准 FC 协议相匹配。SCSI 命令封装在 FC 帧中；但是，将它们解释和转换为 NVMe 命令会带来性能损失。

基于 TCP/IP 的 NVMe

这种传输类型是 NVMe-oF 中的最新发展之一。NVMe over TCP（传输控制协议）使用 NVMe-oF 和 TCP 传输协议跨 IP（以太网）网络传输数据。NVMe 通过以太网作为物理传输在 TCP 数据报内传输。尽管有 RDMA 和光纤通道，但 TCP 提供了一种可能更便宜、更灵活的替代方案。此外，与同样使用以太网的 RoCE 相比，NVMe/TCP 的性能更像 FC-NVMe，因为它们使用消息传递语义进行 I/O。

将 NVMe-oF 与 RDMA、光纤通道或 TCP 结合使用，可构建完整的端到端 NVMe 存储解决方案。这些解决方案提供显着的高性能，同时通过 NVMe 保持极低的延迟。

NVMe over RDMA over Converged Ethernet (RoCE)

在 RDMA 协议中，RoCE 脱颖而出。我们知道 RDMA 和 NVMe-oF 是什么，现在我们有了融合以太网 (CE)，即通过以太网支持 RDMA。CE 就像一个增强的以太网版本，也称为数据中心桥接和数据中心以太网。它封装了以太网上的 InfiniBand 传输数据包。其解决方案提供了链路级流量控制机制，即使在网络饱和时也能确保零丢失。RoCE 协议允许比其前身 iWARP 协议更低的延迟。

（更多介绍见博客的其他文章介绍）

NVMe Initiator 和 target 配置

target端即磁盘阵列或其他装有磁盘的主机。通过iscsitarget工具将磁盘空间映射到网络上，initiator端就可以寻找发现并使用该磁盘。

Initiator（发起者） 和 target 连接方式如下图所示，左侧为initiator，其右为target。

在NVMe协议中，NVMe 控制器是与 initiator 进行沟通的实体。

通过确定 PCIe port 、NVMe controller 和NVMe namespace，initiator 端可以通过 discover 和 connect 互联命令发现 target 端 NVMe namespace 并将其连接至本地。

引用至《深入浅出SSD》

NVMe over Fabrics 协议定义了使用各种事务层协议来实现 NVMe 功能，其中包括 RDMA、FibreChannel等。

相比与普通的 NVMe 命令，NVMe over Fabrics 扩展了 NVMe 标准命令和数据传输方式，比如增加了互联命令，discover，connect、Property Get/Set、Authentication Send/Receive等。connect 命令携带 Host NQN、NVM Subsystem NQN 、PCIe port 和 Host identifier 信息可以连接到 target 端 NVMe 控制器。

本文中 NVMe over RoCE 调用关系如下图所示，内核 nvme_rdma 模块相当于胶水层，连接 rdma stack 和 nvme core接口，即 NVMe 队列接口可以对接 RDMA 队列接口，进而调用下层 rdma stack 中 verbs 传输接口。

NVMe over RoCE 调用关系

target 端配置

# NVMe target configuration
# Assuming the following:
# IP is 192.168.13.147/24
# link is up
# using ib device eth2
# modprobe nvme and rdma module

modprobe nvmet
modprobe nvmet-rdma
modprobe nvme-rdma

# 1、config nvme subsystem
mkdir /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name
cd /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name

# 2、allow any host to be connected to this target
echo 1 > attr_allow_any_host

# 3、create a namesapce，example: nsid=10
mkdir namespaces/10
cd namespaces/10

# 4、set the path to the NVMe device
echo -n /dev/nvme0n1> device_path
echo 1 > enable

# 5、create the following dir with an NVMe port
mkdir /sys/kernel/config/nvmet/ports/1
cd /sys/kernel/config/nvmet/ports/1

# 6、set ip address to traddr
echo "192.168.13.147" > addr_traddr

# 7、set rdma as a transport type，addr_trsvcid is unique.
echo rdma > addr_trtype
echo 4420 > addr_trsvcid

# 8、set ipv4 as the Address family
echo ipv4 > addr_adrfam

# 9、create a soft link
ln -s /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name /sys/kernel/config/nvmet/ports/1/subsystems/nvme-subsystem-name

# 10、Check dmesg to make sure that the NVMe target is listening on the port
dmesg -T| grep "enabling port"
[369910.403503] nvmet_rdma: enabling port 1 (192.168.13.147:4420)

initiator 端配置

initiator 端，又称为host/client端，initiator 配置前提：RDMA基础环境已搭建。通过NVMe 互联命令探测和连接target 端 NVMe SSD 即可。

# 探测 192.168.13.147 机器上 4420 端口 nvme ssd
nvme discover -t rdma -q nvme-subsystem-name -a 192.168.13.147 -s 4420

# 连接 192.168.13.147 4420 端口 nvme ssd
nvme connect -t rdma -q nvme-subsystem-name -n nvme-subsystem-name  -a 192.168.13.147 -s 4420

# 与target 端 nvme ssd 断开连接
nvme disconnect -n nvme-subsystem-name

配置成功状态

配置前 initiator 和 target 各有 4块 NVMe SSD，使用上述 initator 和 target 配置方法，将 target 上 4 块 NVMe SSD 挂载至 initator，配置后的现象是 initiator 会显示 8 块 NVMe SSD，target 仍然是 4 块。经验证： target 不可以操作被挂载至 initiator 端的 NVMe SSD。配置状态如下图所示：

配置前

配置后

性能测试

下面对比测试本地 NVMe SSD 和 NVMe over RoCE SSD之间的顺序/随机性能，单盘+ext4文件系统，结论是：通过性能数据表明，NVMe over RoCE方法顺序读性能下降约 14%，随机写和随机读性能分别下降约 6% 和 2%，顺序写性能无影响。

I/O类型	Local NVMe SSD	NVMe over RoCE SSD
顺序写 (MB/s)	2035	2031
顺序读 (MB/s)	3374	2889
随机写 (IOPS)	51.6k	48.4k
随机读 (IOPS)	571k	557k

注：NVMe 裸盘测试性能正常，挂载文件系统后性能急剧下降，后续会在文件系统层面研究如何调优。

测试方法：将 NVMe SSD 全盘顺序写2遍后，使用 fio 测试工具

# 顺序写：
fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=write --bs=128k  --filename=/partition1/write.txt --runtime=1200 --time_based --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=write

# 顺序读：
fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=read --bs=128k  --filename=/partition1/write.txt --runtime=120 --time_based --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=read

# 随机写：
fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=randwrite --bs=4k --runtime=1200 --time_based --filename=/partition1/randwrite.txt --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=rand_write

# 随机读：
fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=randread --bs=4k --runtime=300 --time_based --filename=/partition1/randwrite.txt --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=rand_read

target 中同 1 个子系统（例如：nvme-subsystem-name）可供多个 initiator 连接。target 子系统关联的硬盘为 /dev/nvme0n1，此时 initiator1 和 initiator2 同时连接 target nvme-subsystem-name，挂载分区后的效果是： initiator1 和 initiator2 均可对 /dev/nvme0n1分区正常读写，但不会同步，仅有等待 disconnect ，再次 connect 后才会进行数据同步。

遇到的问题

问题1：nvmet 模块无法加载的问题

# 导入nvmet内核模块
modprobe nvmet
dmesg | tail
[87679.872351] device-mapper: ioctl: 4.39.0-ioctl (2018-04-03) initialised: [email protected]
[87776.766628] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)
[87850.518208] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)
[88090.703738] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)
[88093.708573] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)

# 解决方法：删除 nvme 模块后，重新加载 nvme 即可
rmmod nvme
modprobe nvme nvmet

问题2：在 initiation 端执行 nvme discover 命令时，遇到 Failed to write to /dev/nvme-fabrics: Invalid argument报错

# 通过 dmesg 发现如下日志，说明 hostnqn 参数没有指定。
[Sat Jan  9 23:00:19 2021] nvme_fabrics: unknown parameter or missing value 'hostnqn=' in ctrl creation request

# 解决方法
nvme discover 添加 -q nvme-subsystem-name 参数

nvme-cli 用户文档

nvme 是 NVMe SSD和 NVMe oF 存储命令行管理工具，nvme安装包为 nvme-cli，它依赖Linux内核 IOCTL 系统调用，该调用连接用户层和NVMe驱动层，当用户执行 nvme commands 时，IOCTL 会将命令参数传递至 NVMe common 层，该层代码解析命令并执行命令，将命令封装至 capsule ，进而传递至 NVMe Submission 队列，Controller 处理后将 capsule 传递至 NVMe Completion 队列，应用从 Completion 队列取出 capsule，完成一次通信。

nvme 安装和常用命令

# 安装nvme-cli
apt-get install pkg-config uuid-runtime -y
git clone https://github.com/linux-nvme/nvme-cli.git
cd nvme-cli && make && make install

# nvme 命令使用方式：
usage: nvme <command> [<device>] [<args>]
# 其中 device 要么是 NVMe 字符设备，例如 /dev/nvme0，要么是 NVMe 块设备，例如 /dev/nvm0n1。

# 查看所有nvme块设备
nvme list

# 查看命名空间结构
nvme id-ns /dev/nvme1n1

# 创建命名空间，分为3个步骤：create-ns、attach-ns 和 reset；
# create-ns 命令中 -s -c 参数分别对应nsze、ncap，可以参考 nvme id-ns /dev/nvme1n1 输出结果
nvme create-ns -s 0xba4d4ab0 -c 0xba4d4ab0 -f 0 -d 0 -m 0 /dev/nvme0

# 将命令空间1关联至控制器0
nvme attach-ns /dev/nvme0 -c 0 -n 1

# 重置 /dev/nvme0，使得创建的命名空间以块设备形式显示在OS中
nvme reset /dev/nvme0

# 查看 /dev/nvme0 拥有的命名空间
nvme list-ns /dev/nvme0

# 删除 /dev/nvme0 第1个命令空间
nvme delete-ns /dev/nvme0 -n 1

# 查看 /dev/nvme0 拥有的控制器
nvme list-ctrl /dev/nvme0

查看 NVMe SSD smartctl 信息

# 使用 smartctl 命令查看 nvme 盘信息，例如，device_name 为 /dev/nvme0n1
apt-get install smartmontools -y
smartctl -a -d nvme $device_name

NVMe over RoCE应用场景

1、刀片仅有 2 个盘位，可以通过 RoCE 连接 NVMe SSD 存储池。

当刀片存储容量不够用时，可以使用 RoCE 连接 NVMe SSD存储池。

2、读写分离场景，可以使用 NVMe over RDMA 搭建 NFS。

target 上 NVMe SSD 可以划分分区，格式化文件系统，写入数据。
target NVMe SSD以块设备形式挂载至 initiator后，仅需 mount 操作即可使用。前提是仅有读操作，各 initator 往同1块 NVMe SSD 上写数据时，各 initator 并不会同步数据。

3、NVMe SSD创建多个命名空间，通过 RoCE 供多个租户使用。

公有云/私有云场景，如下图所示，将 1 块大容量 NVMe SSD 划分为多个命名空间，虚拟化后提供给多个租户，可以充分发挥 NVMe SSD 的性能。 

创建多个命名空间

参考文档

1、Kingston, Understanding SSD Technology: NVMe, SATA, M.2

2、nvme-command user guide

3、what is a namespace ?

4、NVMe over RoCE Storage Fabrics for noobs

5、HowTo Configure NVMe over Fabrics

6、深入浅出SSD