NVMe over TCP в корпоративных СХД: преимущества и практика внедрения

Современные системы хранения данных (СХД) должны отвечать постоянно растущим требованиям к производительности и гибкости инфраструктуры. Появление твердотельных накопителей с интерфейсом NVMe (Non-Volatile Memory Express) произвело революцию в скорости доступа к данным, но для полного раскрытия их потенциала требовалось соответствующее развитие протоколов передачи данных.

NVMe over TCP (NVMe/TCP) — это протокол, разработанный для эффективного использования NVMe-накопителей в стандартных IP-сетях. Он позволяет передавать команды NVMe напрямую через стек TCP/IP, обеспечивая минимальные задержки и максимальную производительность без необходимости в специализированной инфраструктуре. Этот подход особенно актуален для организаций, стремящихся модернизировать системы хранения данных с учетом современных требований к производительности, масштабируемости и экономической эффективности.

Архитектура и принципы работы

NVMe over TCP реализует прямое подключение процессора к NVMe-накопителям через стандартный сетевой стек TCP/IP и самые обычные Ethernet-коммутаторы.

Ключевыми особенностями протокола являются:

• Сохранение эффективности NVMe при передаче по сети благодаря оптимизированному формату команд и данных
• Минимальные накладные расходы на обработку протокола
• Встроенная поддержка многопутевого доступа (multipathing)
• Механизмы обеспечения надёжности на уровне TCP
• Возможность использования стандартных сетевых функций, включая балансировку нагрузки.

Технические преимущества

NVMe over TCP предоставляет сквозной (end-to-end) доступ к NVMe-накопителям. С точки зрения производительности, NVMe/TCP обеспечивает минимальные задержки в работе благодаря скоростному протоколу обмена данными NVMe и эффективному использованию пропускной способности сети. При этом отсутствует необходимость в специальных механизмах QoS, что существенно упрощает настройку и обслуживание.

Особое внимание уделено отказоустойчивости системы. Архитектура протокола поддерживает ассиметричный доступ через оба контроллера к пространству NVMe Namespace. При отказе одного из контроллеров происходит автоматическое переключение на оптимальный путь, а в случае сбоев питания обеспечивается гарантированное сохранение данных с минимальным временем восстановления.
 

Простота внедрения

NVMe over TCP устраняет необходимость в специализированном оборудовании, позволяя использовать существующую сетевую инфраструктуру. Это делает его простым и доступным для внедрения широкому кругу пользователей.

1. Доступность решения объясняется отсутствием специальных требований:

• Работа на стандартных Ethernet-коммутаторах;
• Нет необходимости в поддержке Lossless Ethernet;
• Возможность отключения сложных механизмов QoS без потери производительности.

2. Внедрение протокола упрощает администрирование:

• Единая сетевая инфраструктура для всех типов трафика;
• Знакомые инструменты мониторинга и управления;
• Встроенная поддержка современных средств автоматизации.

3. Протокол обладает высокой гибкостью масштабирования:

• Простое добавление новых узлов;
• Линейный рост производительности при расширении;
• Поддержка различных классов хранения в рамках единой инфраструктуры. 
   

Совместимость с существующей инфраструктурой

Внедрение NVMe over TCP не требует серьёзных изменений в инфраструктуре. Организации могут осуществлять постепенный переход с традиционных протоколов, сохраняя инвестиции в существующую сетевую инфраструктуру и системы мониторинга. Протокол отлично интегрируется с современными программно-определяемыми средами, поддерживает работу с контейнерными платформами и системами оркестрации.

При сравнении с традиционными протоколами передачи данных, NVMe over TCP демонстрирует свои преимущества благодаря использованию стандартной сетевой инфраструктуры. NVMe over TCP работает поверх стандартных Ethernet-сетей, что существенно упрощает внедрение и снижает общую стоимость владения.

Практическая реализация

Теоретические преимущества IP-протоколов находят своё подтверждение в реальных внедрениях. Показательным примером успешной реализации современного подхода к системам хранения данных является линейка СХД от российского производителя ITPOD, входящего в корпорацию ITG, полностью построенная на принципах работы в IP-сетях и поддерживающая предоставление дисковых ресурсов по протоколу NVMe over TCP.

При разработке All-flash систем хранения данных инженеры ITPOD руководствовались именно теми принципами, которые мы обсуждали выше: максимальное использование преимуществ современных IP-сетей, отказ от устаревших технологических ограничений и ориентация на реальные потребности бизнеса. Результатом стала линейка Full Flash, демонстрирующая на практике все преимущества новой архитектуры.

Технологический фундамент

Кроме стандартного блочного доступа по iSCSI в СХД заложена поддержка протокола NVMe over TCP, что позволяет максимально эффективно использовать возможности современных NVMe SSD-накопителей в стандартных IP-сетях. При этом решение учитывает различные сценарии использования: от высокопроизводительных систем на базе TLC SSD для критически важных приложений до экономичных конфигураций с QLC SSD для задач с менее строгими требованиями к производительности.

Особое внимание уделено оптимизации работы в IP-сетях. Встроенные механизмы балансировки нагрузки и управления потоками данных обеспечивают стабильную работу даже в условиях интенсивного смешанного трафика, что особенно важно при использовании unified-инфраструктур. При этом система не требует сложной настройки или специальной конфигурации сети, полностью реализуя принцип простоты внедрения.
 

Практические результаты

Опыт эксплуатации систем на базе NVMe over TCP в различных организациях подтверждает эффективность этой технологии. В частности, заказчики отмечают:

• Существенное снижение совокупной стоимости владения благодаря использованию стандартной сетевой инфраструктуры;
• Упрощение администрирования за счёт единой сетевой инфраструктуры;
• Высокую и предсказуемую производительность при различных сценариях использования;
• Гибкость в масштабировании и модернизации;
• Сокращение времени развертывания новых сервисов.
   

Импортозамещение на практике

В условиях необходимости технологического суверенитета особую ценность представляет тот факт, что СХД управляется операционной системой российской разработки. Это обеспечивает гарантированную техническую поддержку и имеет свои преимущества:

• Регулярные обновления программного обеспечения;
• Оперативное устранение возможных проблем;
• Адаптацию под специфические требования заказчиков;
• Совместимость с другими отечественными решениями.

Заключение

Внедрение NVMe over TCP открывает новую главу в развитии систем хранения данных. Этот протокол не только обеспечивает высокую производительность и надёжность, но и значительно упрощает развёртывание и эксплуатацию СХД. На примере решений ITPOD мы видим, как теоретические преимущества технологии воплощаются в практические результаты: снижение совокупной стоимости владения, упрощение администрирования и гибкость масштабирования.

Особую значимость имеет тот факт, что внедрение NVMe over TCP поддерживает курс на технологическую независимость. Использование открытых стандартов и широкая поддержка со стороны производителей Ethernet-оборудования создают надёжную основу для развития отечественных решений в области хранения данных.