NVMe-oF (NVMe over Fabrics): Saiba mais sobre essa tecnologia

Índice:

• O que é NVMe-oF (NVMe over Fabrics)?
• A limitação nos protocolos de armazenamento antigos
• Como o NVMe-oF reduz a latência na rede?
• Os diferentes tipos de transporte para o protocolo
• NVMe-oF com TCP: A opção mais acessível
• Cenários de aplicação e casos de uso
• Desafios na implementação da tecnologia
• NVMe-oF em storages QNAP
• A escolha correta da malha de rede
• O futuro do armazenamento compartilhado
• Como escolher a solução NVMe-oF ideal?

A demanda por acesso rápido aos dados em datacenters modernos cresce continuamente. No entanto, protocolos tradicionais para armazenamento em rede, como o iSCSI, frequentemente introduzem uma latência que limita o desempenho geral do sistema.

Esse atraso se torna um gargalo ainda maior quando se utiliza armazenamento flash de alta velocidade. A performance dos SSDs NVMe acaba subutilizada por causa da sobrecarga nos protocolos de comunicação.

Assim, o NVMe-oF foi desenvolvido para estender o desempenho nativo do NVMe através da rede, com uma sobrecarga mínima e latência muito baixa.

O que é NVMe-oF (NVMe over Fabrics)?

NVMe-oF é um protocolo que transporta comandos NVMe sobre uma malha de rede, conhecida como fabric. Isso permite que um computador acesse um storage remoto como se os SSDs estivessem conectados localmente via barramento PCIe, com latência extremamente reduzida. Essa tecnologia utiliza diferentes tipos de malha, incluindo Fibre Channel, Ethernet com RDMA e também TCP.

A ideia principal é desacoplar o armazenamento flash dos servidores sem a penalidade em performance comum nos protocolos mais antigos. A tecnologia cria um pool compartilhado de armazenamento all-flash que pode ser acessado por vários servidores simultaneamente. Essa abordagem melhora bastante a utilização dos recursos e também simplifica o gerenciamento do ambiente.

Como resultado, as empresas conseguem construir arquiteturas de armazenamento mais flexíveis e escaláveis. O desempenho do NVMe-oF é tão alto que ele se torna uma base para aplicações críticas, como bancos de dados de alta transação e plataformas para análise em tempo real.

A limitação nos protocolos de armazenamento antigos

Protocolos como iSCSI e Fibre Channel Protocol (FCP) foram projetados numa era dominada por hard disks. Por isso, eles utilizam uma pilha de comandos SCSI que é inerentemente complexa e lenta para os padrões atuais do armazenamento flash. Essa complexidade adiciona uma sobrecarga computacional significativa e aumenta a latência.

Quando esses protocolos são aplicados em SSDs NVMe, eles se tornam o principal gargalo do sistema. O armazenamento consegue entregar dados muito mais rápido do que a comunicação consegue transportar. Por exemplo, um único comando SCSI consome milhares de ciclos da CPU, enquanto um comando NVMe nativo consome apenas algumas centenas.

Essa diferença impacta severamente ambientes com altas taxas de IOPS. Em muitos casos, a latência introduzida pelo protocolo de rede pode ser várias vezes maior que a latência do próprio SSD, o que anula grande parte do investimento em armazenamento de alta velocidade.

Como o NVMe-oF reduz a latência na rede?

O segredo para o baixo atraso está no mapeamento direto dos comandos NVMe. Diferente do iSCSI, o protocolo não precisa traduzir comandos para o padrão SCSI. Ele simplesmente encapsula os comandos NVMe nativos e os envia através da malha de rede, o que simplifica muito o processo.

Essa abordagem é frequentemente combinada com tecnologias como RDMA (Remote Direct Memory Access). O RDMA permite que um servidor acesse a memória de outro sistema diretamente, sem envolver o sistema operacional ou a CPU em ambos os lados para a transferência dos dados. Isso elimina uma camada inteira de processamento.

Como resultado, a latência adicional da rede é quase sempre mínima, frequentemente ficando abaixo de 10 microssegundos. Esse valor representa uma melhoria substancial em comparação com os milissegundos comuns em SANs que usam iSCSI, acelerando muito as aplicações.

Os diferentes tipos de transporte para o protocolo

Existem várias formas para implementar NVMe-oF, cada uma com seus próprios custos e benefícios. A escolha do transporte ideal depende da infraestrutura existente na empresa e também dos requisitos específicos de desempenho para cada aplicação. Algumas opções são mais simples, enquanto outras entregam a menor latência possível.

A primeira opção é o NVMe over Fibre Channel (FC-NVMe). Ela aproveita a infraestrutura SAN FC já existente, que é conhecida pela sua alta confiabilidade e previsibilidade. No entanto, sua implementação exige Host Bus Adapters (HBAs) e switches com suporte para o novo protocolo.

Outra alternativa muito popular é o NVMe over Ethernet com RDMA. Essa modalidade usa variantes como RoCE (RDMA over Converged Ethernet) ou iWARP. O RoCE exige uma configuração de rede sem perdas (lossless), enquanto o iWARP funciona sobre o TCP/IP padrão, oferecendo mais flexibilidade na configuração.

NVMe-oF com TCP: A opção mais acessível

Uma implementação mais recente e bastante popular é o NVMe/TCP. Essa variante encapsula os comandos NVMe em pacotes TCP/IP, eliminando a necessidade de hardware especializado, como placas com RDMA ou redes Fibre Channel. Isso torna a tecnologia muito mais acessível.

A grande vantagem do NVMe/TCP é a sua simplicidade. Qualquer infraestrutura Ethernet padrão pode ser usada para a sua implementação, o que reduz bastante o custo e a complexidade do projeto. Muitas empresas já possuem a rede necessária, faltando apenas o storage e os servidores compatíveis.

Porém, essa facilidade tem um custo no desempenho. A pilha TCP/IP introduz uma latência um pouco maior e consome mais recursos da CPU em comparação com as implementações que usam RDMA. Ainda assim, o NVMe/TCP é consideravelmente mais rápido que o iSCSI tradicional.

Cenários de aplicação e casos de uso

O NVMe-oF é ideal para cargas de trabalho que exigem altíssimo IOPS e latência muito baixa. Aplicações como bancos de dados de alta frequência, plataformas para análise de dados em tempo real e ambientes com virtualização massiva se beneficiam imensamente dessa tecnologia.

Por exemplo, uma empresa com um cluster de banco de dados pode consolidar seu armazenamento flash em um único array all-flash. Esse array pode ser compartilhado entre vários nós do cluster via NVMe-oF, o que simplifica o gerenciamento e melhora a utilização dos recursos caros.

Outra aplicação comum é em ambientes para computação de alto desempenho (HPC). Nesses cenários, grandes conjuntos de dados precisam ser processados rapidamente por múltiplos servidores. A baixa latência do NVMe-oF garante que os processadores não fiquem ociosos esperando por dados.

Desafios na implementação da tecnologia

Apesar dos benefícios claros, a adoção do NVMe-oF não é um processo trivial. A principal barreira para muitas empresas é a necessidade de hardware compatível, tanto nos servidores (iniciadores) quanto nos sistemas de armazenamento (alvos).

Para opções com RDMA, como o RoCE, a rede Ethernet precisa ser configurada para operar em modo "lossless". Isso exige switches com recursos avançados como Priority Flow Control (PFC). Uma configuração incorreta nessa etapa pode levar a uma degradação severa no desempenho e até mesmo a travamentos na rede.

Além disso, a compatibilidade entre os componentes ainda pode ser um problema. É fundamental validar a interoperabilidade entre os firmwares e drivers dos adaptadores de rede, switches e sistemas de armazenamento de diferentes fabricantes para evitar surpresas durante a implementação.

NVMe-oF em storages QNAP

A QNAP integrou suporte a NVMe-oF em seus sistemas operacionais QTS e QuTS hero. Essa funcionalidade permite que storages all-flash da QNAP atuem como alvos NVMe-oF, disponibilizando armazenamento em bloco com altíssima performance para a rede.

Um storage QNAP equipado com SSDs U.2 NVMe e uma placa de rede compatível, seja Fibre Channel ou Ethernet com RDMA, pode fornecer armazenamento com latência extremamente baixa para clusters de virtualização VMware ou Hyper-V. Isso melhora muito o desempenho das máquinas virtuais.

Com essa configuração, é possível criar uma LUN sobre NVMe-oF em um storage QNAP e apresentá-la a um cluster ESXi. As máquinas virtuais que utilizam esse datastore terão um desempenho próximo ao de um armazenamento local, mas com todos os benefícios de um storage centralizado, como snapshots, replicação e gerenciamento unificado.

A escolha correta da malha de rede

A decisão entre Fibre Channel, RoCE, iWARP ou TCP depende muito do seu ambiente atual e dos seus objetivos. Se a sua empresa já possui uma SAN FC robusta e confiável, o FC-NVMe pode ser o caminho mais natural para a modernização, aproveitando o investimento já feito.

Para novos projetos, o RoCE geralmente oferece o melhor desempenho bruto. No entanto, ele exige um conhecimento aprofundado em configuração de redes Ethernet avançadas para garantir uma operação estável e sem perdas de pacotes, o que pode ser um desafio.

O NVMe/TCP, por outro lado, é a porta de entrada para essa tecnologia. Ele democratiza o acesso ao armazenamento de alta velocidade com um custo menor e menor complexidade. Essa é uma excelente opção para ambientes que buscam uma melhoria significativa sobre o iSCSI, mas que não precisam da latência mais baixa possível.

O futuro do armazenamento compartilhado

O NVMe-oF está redefinindo as arquiteturas de armazenamento nos datacenters modernos. A tecnologia possibilita a criação de infraestruturas desagregadas e componíveis, onde os recursos são alocados dinamicamente. Isso traz uma agilidade sem precedentes para as operações de TI.

Nesse modelo, pools de computação, armazenamento e rede são provisionados e combinados conforme a necessidade de cada aplicação. O NVMe-oF funciona como a cola que une o pool de armazenamento de alto desempenho ao pool de computação, com uma comunicação quase instantânea.

Consequentemente, as empresas ganham muito mais eficiência e flexibilidade. A capacidade para escalar computação e armazenamento de forma independente simplifica o planejamento da capacidade e também reduz o desperdício de recursos, otimizando o TCO (Custo Total de Propriedade).

Como escolher a solução NVMe-oF ideal?

A migração para NVMe-oF envolve várias decisões técnicas complexas. A escolha pelo transporte, a configuração da rede e a validação da compatibilidade entre os componentes são etapas críticas para o sucesso de qualquer projeto que utilize essa tecnologia.

Um erro na arquitetura da solução pode anular os benefícios em desempenho ou até mesmo gerar custos inesperados com hardware incompatível. Por isso, uma análise detalhada da sua carga de trabalho e da sua infraestrutura atual é fundamental antes de tomar qualquer decisão.

A escolha correta depende da sua aplicação, do seu orçamento e das suas metas de performance. Fale com um de nossos especialistas para projetar uma solução de armazenamento NVMe-oF que atenda às suas necessidades específicas e garanta o máximo retorno sobre o investimento.