原创： Hardy 架构师技术联盟
NVMe Over Fabrics使用RDMA或光纤通道（FC）架构等Fabric技术取代PCIe传输。如图所示，除了基于RDMA架构的传输包括以太网（ROCE），InfiniBand和iWARP，当然，采用基于原生TCP（非RDMA）传输也是可能的（截至2018年7月，TCP技术仍在研发阶段）。
图RDMA和FC Fabric NVMe架构
图中所示的NVM子系统是一个或多个物理结构接口（端口）的集合，每个单独的控制器通常连接到单个端口。多个控制器可以共享一个端口。尽管允许NVM子系统的端口支持不同的NVMe传输，但实际上，单个端口可能仅支持单个传输类型。
注意：NVM子系统包括一个或多个控制器，一个或多个命名空间，一个或多个PCI Express端口，非易失性存储器存储介质，以及控制器和非易失性存储器存储介质之间的接口。
下图是一个存储阵列的示例，该阵列是由通过FC结构连接到3个主机的NVM子系统组成。
图：由通过Fabric连接到3个主机的NVM子系统组成的示例阵列
通常，NVM子系统呈现一个或多个NVMe控制器（最大约64K）的集合，其用于通过一个或多个（最多64K）NVM子系统端口访问与一个或多个主机相关联的命名空间。实际上，子系统控制器的数量或子系统端口的数量往往非常小。
NVMe Over Fabrics（NVMe-oF）也是基于NVMe架构，包括命令集和排队接口。除Admin和I/O命令外，它也支持Fabric命令。NVMe-oF在某些方面与基本NVMe规范有所不同（例如，不允许中断）,因为NVMe中的Interrupt的说法，仅仅限于NVMe over PCIe的架构，在NVMe over Fabric的架构下，不存在任何Interrupt的说法。
注意：有关NVMeover Fabrics与NVMe基本规范之间差异的完整列表，请参阅NVMe Over Fabric 1.0规范
控制器一次只与一个主机关联，而端口可以共享。NVMe允许主机通过相同的端口或不同的端口连接到NVM子系统中的多个控制器。
NVMe-oF支持发现服务，使用发现机制，主机可以获得具有主机可访问的名称空间的NVM子系统的列表，包括发现到NVM子系统的多个路径的能力。NVMe Identify Admin命令用于确定控制器的命名空间。
如前所述，NVMe规范支持多路径I/O和命名空间共享。虽然多路径I / O，命名空间共享，多主机连接和预留等概念并不相同，但为了方便将它们一起描述，它们在涉及多主机命名空间访问，尤其是在使用NVMe预订(Reservations)时有些相互关联。以下提供了这些概念的简要说明。
命名空间共享
命名空间共享是指两个或多个主机使用不同的NVMe控制器访问公共命名空间的能力。命名空间共享要求NVM子系统包含两个或更多控制器。
下图显示了两个NVMe控制器通过两个NVM子系统端口连接的示例; 在此示例中，命名空间B（NS B）由两个控制器共享。NVMe操作可用于协调对共享命名空间的访问。与共享命名空间相关联的控制器可以同时在命名空间上操作。可以使用全局唯一标识符或与命名空间本身关联的命名空间ID（NSID）来确定何时存在到同一共享命名空间的多个路径。
NVM子系统不需要将相同的命名空间附加到所有控制器。在图中，只有命名空间B被共享并连接到控制器。
注：当前的NVMe规范未指定跨NVM子系统的命名空间共享，这在NVMe 1.4规范草案中得到了解决。
图：具有对共享命名空间的专用端口访问的示例
多路径
NVMe多路径I/O是指单个主机和命名空间之间的两个或多个完全独立的路径。每个路径使用自己的控制器，尽管多个控制器可以共享子系统端口。命名空间共享等多路径I/O要求NVM子系统包含两个或更多控制器。
在下图所示的示例中，主机A通过控制器1和控制器2具有2个路径。NVMe标准技术委员会目前正在制定关于多路径I/O的规范草案。
多主机连接和预留
NVMe预留功能类似于SCSI-3持久保留，可用于提供两个或多个主机用于协调对共享命名空间的访问的功能。命名空间上的NVMe预留限制了主机对该命名空间的访问。例如，受驱动程序支持的VMware ESXi可以使用NVMe预订来支持使用VM的MicrosoftWindows Server故障转移群集。
NVMe预留需要主机和命名空间之间的关联。多路径I/O和命名空间共享环境中的每个控制器只与一个主机相关联，如下图中的示例所示。主机可以通过向与其关联的每个控制器注册相同的主机ID来与多个控制器相关联。
注意：为了唯一标识主机ID，控制器可以支持以下两种格式之一：
1）64位主机标识符
2）扩展的128位主机标识符; NVMeOver Fabrics需要128位扩展格式
如下图所示的示例中，主机A与2个控制器相关联，而主机B与单个控制器相关联。主机标识符（例如，主机ID A）允许NVM子系统识别与同一主机（例如，主机A）相关联的控制器，并保留跨这些控制器的预留属性。
图：对共享命名空间的多主机访问
提醒一下，NVMe-oF是一种通过可扩展的方式在主流互连上扩展NVMe架构的事实标准。该标准旨在使非易失性存储器快速基于消息的命令能够 通过网络在主计算机和目标固态存储设备或系统之间传输数据。主要的好处包括提高性能，减少网络延迟和瓶颈。
关于NVMe-oF/TCP
一个更有趣的新发展是NVMe和传输控制协议（TCP）的新传输绑定。对开发人员来说，好处是迁移NVMe技术到Internet小型计算机系统接口（iSCSI）。对于希望利用其以太网基础设施并避免远程直接内存访问（RDMA）协议的复杂性的企业而言，NVMe-oF/TCP是一个很好的选择。
NVMe-oF的传输无关性意味着NVMe-oF可以支持所有传输，目前有几种主流传输方式：RoCEv2，iWARP，InfiniBand和FCoE（以太网光纤通道/FC）。这里面有一些传输使用我们的规范中包含的RDMA协议实现绑定，但目前NVMe相关组织在正在添加TCP以满足市场需求。
业界对NVMe-oF /TCP标准持乐观态度， 许多行业领导者都支持它，包括Facebook，谷歌，戴尔EMC，英特尔和其他公司。
外部存储市场已经开始采用NVMe-oF技术，我们希望企业客户能够继续在高性能要求的应用中使用和部署它。目前已经看到顶级供应商，包括Broadcom，思科，英特尔，IBM等，并宣布推出NVMe-oF解决方案。
NVMe-oF的未来在企业存储领域是光明的，新兴的计算密集型市场需要NVMe-oF技术。
人工智能，机器学习和实时分析都需要NVMe-oF提供的更低延迟和更快的吞吐量。NVMe-oF技术具有许多优势，可以满足新的应用需求。在服务器端，NVMe-oF减少了操作系统存储堆栈的长度，从而可以更有效地进行连接。在存储阵列方面，由于通过目标堆栈的路径较短，从而改善阵列性能。
然而，最重要的好处之一是NVMe-oF利用存储阵列的原有技术，通过从SAS/SATA驱动器转移到NVMe SSD，加速解决方案上市。
内容分享到此为止，更多技术细节请参考整理成文的“NVMe技术标准和原理深度解析”电子书，详细内容和目录如下。
一、 NVMe技术和应用概述 6
- 1.1 NVMe技术独特优势 7
- 1.2 NVMe-oF技术概述 7
- 1.2.1 NVMe over FC 8
- 1.2.2 NVMe over以太网和InfiniBand 8
- 1.2.3 NVMe over TCP 8
- 1.3 NVMe数据中心应用现状分析 8
- 1.3.1戴尔EMC(PowerMax) 8
- 1.3.2 E8存储公司(E8设备和软件) 9
- 1.3.3 Excelero Inc (NVMesh) 10
- 1.3.4 IBM (FlashSystem 9100) 11
- 1.3.5 NetApp (AFF A800及EF570) 12
- 1.3.6 Pure Storage(FlashArray和FlashBlade) 16
- 1.3.7 Vexata公司(VX-100M和VX-100F) 17
二、 NVMe标准术语解释 19
- 2.1 NVM子系统介绍 19
- 2.2 端口概念介绍 19
- 2.2.1 物理端口 19
- 2.2.2 NVM子系统端口 20
- 2.2.3 传输端口 23
- 2.3 NVM控制器 23
- 2.3.1 动态控制器 23
- 2.3.2 静态(Persist)控制器 24
- 2.4 发现过程控制器 25
- 2.5 发现服务器子系统 26
- 2.6 发现日志页 26
- 2.7 名称空间分析 26
- 2.7.1名称空间ID 27
- 2.7.2 创建名称空间 27
- 2.7.3 删除名称空间 28
- 2.7.4 添加、解除名称空间 28
- 2.7.5 名称空间标识 28
- 2.7.6名称空间格式 29
- 2.8 Association关联回话 30
- 2.9 Connection机制 31
- 2.10 NVMe概念架构 31
- 2.11 Capsule数据交换单元 32
- 2.13 Properties属性 33
- 2.14 Fabric Command指令类型 34
- 2.15 Host ID和Host NQN 34
- 2.13 Host、Controller和Namespace 35
- 2.14 NVMe Subsystem预置条件 36
三、 NVMe-oF和NVMe over PCIe差异 37
- 3.1 NVMe-oF原理和概述 37
- 3.2 NVMe over PCIe原理和概述 39
- 3.3 NVMe over FC如何工作 40
- 3.4 NVMe/TCP(NVMe over TCP)如何工作 43
- 3.4.1 NVMe/TCP PDU的定义 43
- 3.4.2 基于NVMe/TCP transport通信 45
四、 NVMe Over Fabric命令解析 46
- 4.1 Command字段分析 47
- 4.1.1 Fabric Command 字段 47
- 4.1.2 Admin/IO Command 47
- 4.2 Command响应字段分析 48
- 4.2.1 Fabric Response字段 48
- 4.2.2 Admin/IO 响应字段 48
五、 Discovery处理流程 50
- 5.1 Discovery初始化过程 50
- 5.2 Discovery Log Page 51
- 5.3 Discovery终止机制 57
六、 Connection处理流程 57
七、 数据传输流程 61
- 7.1数据传输总体介绍 61
- 7.2 传输单元Capsule 61
- 7.2.1 Command Capsule 大小 62
- 7.2.2 Command Capsule报文结构 62
- 7.2.3 Response Capsule报文结构 64
- 7.2.4 In Capsule传输方式 64
- 7.2.5 In memory 传输方式 65
- 7.2.6 Out of Order传输方式 66
- 7.3 传输命令和流程 66
- 7.3.1 NVM读命令 66
- 7.3.2 NVM写命令 68
- 7.4 SGL散列表 69
八、 NVMe元数据 71
- 8.1 NVMe元数据定义 71
- 8.2 NOF Metadata传输方式 72
- 8.2.1数据In capsule传输(数据对齐) 72
- 8.2.2数据In capsule传输(数据未对齐) 73
- 8.2.3数据In memory传输(SGL在memory) 74
- 8.2.3数据In memory传输(SGL在capsule) 74
九、 NVMe/NVMe over Fabric流控处理 75
十、 NVMe安全认证机制 77
- 10.1 安全认证概述 77
- 10.2 认证相关命令 78
- 10.3 认证流程 78
十一、Stream数据流 80
- 11.1 Stream概述 80
- 11.2 Stream命令 80
- 11.3 Stream配置和实现 82
十二、加速后台操作(ABO) 84
- 12.1 ABO概述 84
- 12.2 ABO模式 84
- 12.3 ABO状态查询 84
- 12.4 启动/停止Host触发的ABO 85
- 12.5 ABO参数配置 85
十三、NVMe传输层绑定实现 85
十四、Sanitize机制原理 85
- 14.1 Sanitize概述 85
- 14.2 Sanitize和Format格式差异 86
- 14.3 Sanitize作用范围 88
- 14.4 Sanitize工作模式 89
- 14.5 Sanitize状态机 89
- 14.6 Sanitize命令 90
十五、Reservations机制分析 90
- 15.1 Reservations概述 90
- 15.2 Reservation角色 91
- 15.3 Reservation类型 92
- 15.4 Reservations操作流图 93
- 15.5 Reservations支持条件 94
- 15.6 Reservations实现和相关命令 95
十六、Keep Alive机制 103
- 16.1 Keep Alive背景 103
- 16.2 功能概述 103
- 16.3 Keep Alive应用范围 103
- 16.4 Keep Alive实现 104
十七、Interrupt中断机制 104
- 17.1 Interrupt具体实现 104
- 17.2 Interrupt Aggregation中断聚合 105
- 17.3 NVMe中断映射方式 105
十八、NVMe Virtulization虚拟化机制 108
- 18.1 虚拟化机制概述 108
- 18.2 虚拟化应用场景 109
- 18.3 虚拟化具体实现 109
- 18.3.1 Primary Controller 109
- 18.3.2 Secondary Contgroller 109
- 18.3.3 Privileged Actions 109
- 18.3.4 Virtualization管理命令 110
- 18.3.5 Seconary Controller Command 110
- 18.3.6 Resource资源分配 110
- 18.3.7 虚拟化队列 (Virtual Queue) 112
- 18.3.8 虚拟中断(Virtual Interrupt) 112
十九、NVMe/NVMe over Fabric学习资源 113
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