Definition

NVMe over Fibre Channel (NVMe over FC) ou norme FC-NVMe

NVMe over FC (Nonvolatile memory express over Fibre Channel) est une spécification technologique, implémentée par le biais de la norme FC-NVMe (Fibre Channel-NVMe). Elle permet aux commandes à base de messages NVMe de transférer les données et les informations d'état entre un ordinateur hôte et un sous-système de stockage cible, sur un fabric réseau Fibre Channel.

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Fibre Channel est l'un des protocoles de transport de fabric compatible avec NVMe over Fabrics (NVMe-oF), spécification développée par NVM Express Inc., une organisation à but non lucratif de plus d'une centaine d'entreprises informatiques. Parmi les autres protocoles de transport NVMe, citons l'accès direct à la mémoire à distance (RDMA, Remote Direct Memory Access) sur un réseau de type Ethernet et InfiniBand. NVM Express Inc. a publié la version 1.0 de la spécification NVMe-oF le 5 juin 2016.

La commission T11 de l'INCITS (InterNational Committee for Information Technology Standards) a défini le format de trame et le protocole de mappage nécessaires pour appliquer NVMe-oF à un réseau Fibre Channel. Elle a finalisé la première version de la norme FC-NVMe en août 2017, puis l'a soumise à l'INCITS en vue de sa publication.

Fonctionnement de NVMe over FC

Le protocole FC (FCP) permet de superposer le mappage des protocoles de transport de couche supérieure, comme NVMe, SCSI (Small Computer System Interface) et FICON (Fiber Connection), le protocole propriétaire d'IBM pour transmettre les données et les commandes entre un ordinateur hôte et un périphérique ou système de stockage cible.

Comparé à SCSI et à FICON, NVMe offre une interface de registre et un jeu de commandes simplifiés, allège la charge du processeur de la pile d'E/S, réduit la latence et améliore les performances. NVM Express Inc. a mis au point NVMe en vue d'une utilisation sur des supports plus rapides tels que les disques SSD (solid-state drives) et les autres technologies à base de mémoire. Le jeu de commandes SCSI a été, en revanche, conçu à une époque où les supports mécaniques plus lents (disques durs HDD et bandes) étaient les principales solutions de stockage, et FICON a été créé pour établir une connexion entre l'ordinateur central et les périphériques de stockage.

Options de transport NVMe
Un transport NVMe est une couche de protocole abstraite conçue pour fournir une commande NVMe et une livraison de données fiables.

FC-NVMe simplifie les jeux de commandes NVMe en les convertissant en instructions FCP de base. Dans la mesure où le protocole Fibre Channel est conçu pour le trafic du stockage, les fonctionnalités telles que découverte, gestion et qualification complète des équipements, sont intégrées au système.

La principale différence entre NVMe-oF, y compris NVMe over Fibre Channel, et NVMe réside dans le principe de transport des commandes. NVMe mappe les requêtes et les réponses sur la mémoire partagée de l'hôte via le protocole d'interface PCIe (Peripheral Component Interconnect Express). NVMe-oF utilise un modèle à messages pour assurer la communication entre un hôte et un périphérique de stockage cible d'un réseau.

NVMe over Fabrics facilite l'emploi de modes de transport alternatifs vers PCIe pour augmenter la distance de communication entre un hôte NVMe et un sous-système de stockage NVMe. L'objectif initial qui sous-tendait la conception de NVMe-oF était de ne pas ajouter plus de 10 microsecondes de latence entre l'hôte NVMe et le périphérique de stockage cible NVMe - connectés via le fabric réseau approprié - par rapport à la latence d'un périphérique de stockage NVMe utilisant le bus PCIe d'un hôte local.

Les environnements de stockage flash à grande échelle basés sur des blocs Fibre Channel, sont les plus susceptibles d'adopter NVMe over FC. FC-NVMe offre, pour NVMe-oF, les mêmes caractéristiques en termes de structure, de prévisibilité et de fiabilité que Fibre Channel pour SCSI. Par ailleurs, le trafic NVMe-oF et le trafic SCSI traditionnel peuvent corésider sur le même fabric FC.

 NVMe sur les couches du protocole FC
La norme NVMe over FC définit la couche de protocole FC-NVMe. La spécification NVMe over Fabrics définit la couche de protocole NVMe-oF. La spécification NVMe définit le logiciel hôte NVMe et la couche de protocole du (des) sous-système(s) NVM.

Les composants d'infrastructure devant prendre en charge NVMe over Fibre Channel pour un maximum de bénéfices sont le système d'exploitation du stockage et les cartes réseau. Les fournisseurs de systèmes de stockage doivent tenir compte de FC-NVMe dans leurs offres de produits. Broadcom et Cavium comptent parmi les fournisseurs qui proposent des adaptateurs de bus hôte (HBA, Host Bus Adapters), compatibles avec FC-NVMe. Broadcom et Cisco sont des acteurs majeurs sur le marché des commutateurs FC.

Avantages et inconvénients de FC-NVMe

Meilleures performances, réduction de la latence et traitement parallèle des E/S vers et depuis les SSD, tels sont les avantages qu'offre FC-NVMe grâce à son jeu de commandes, par rapport au transfert des données, selon la norme SCSI, vers et depuis des disques durs ou des SSD SATA (Serial Advanced Technology Attachment) ou SAS (Serial-Attached SCSI). Seul inconvénient : les SSD NVMe s'avèrent plus chers à l'achat, mais leur prix devrait sensiblement se rapprocher de certains types de SSD traditionnels.

Il est impossible de comparer FC-NVMe aux alternatives NVMe-oF sur Ethernet ou InfiniBand sans tenir compte des avantages et des inconvénients des technologies réseau elles-mêmes. Les fabrics Fibre Channel se distinguent par leur transmission sans perte de données, leurs performances prévisibles et constantes et leur fiabilité.

Les grandes entreprises ont tendance à privilégier le stockage FC pour les charges de travail stratégiques. Mais pour faire fonctionner correctement des réseaux Fibre Channel, il faut des équipements spéciaux et une solide connaissance des réseaux de stockage, ce qui engendre un surcoût par rapport aux solutions Ethernet.

Les produits de stockage NVMe basés sur Ethernet sont en principe plus nombreux que les options basées sur FC-NVMe. Généralement, les startups spécialisées dans le stockage s'intéressent aux solutions NVMe sur Ethernet et y intègrent parfois une technologie propriétaire pour accélérer la mise sur le marché de leurs produits.

Les solutions NVMe sur InfiniBand présentent encore un attrait pour le calcul haute performance qui exige une bande passante extrêmement élevée et une faible latence. Les réseaux InfiniBand servent généralement à communiquer entre des systèmes de stockage back-end plutôt qu'entre un hôte et un périphérique de stockage.

A l'instar du FC, InfiniBand est un réseau ultra-fiable nécessitant un matériel particulier. Il offre des avantages tels que le contrôle des flux et des encombrements et la qualité de service (QoS). Contrairement au FC, InfiniBand et Ethernet ne disposent pas de service de découverte permettant d'ajouter automatiquement des nœuds au fabric.

La spécification NVMe-oF prend en charge RDMA, grâce à des mappages avec RoCE (RDMA over Converged Ethernet) et iWARP (Internet Wide Area RDMA Protocol) pour Ethernet et InfiniBand. L'organisation NVMe Express envisage également de prendre en charge un mode de transport TCP (Transmission Control Protocol).

Cette définition a été mise à jour en avril 2020

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