NVMe over TCP (NVMe/TCP) とは

NVMe over TCP とは何か、および NVMe over TCP がどのように機能するのかを簡単な言葉で学びます。

NVMe over TCP の説明

クラウドコンピューティングに対する需要の高まりには、効率的で手頃な価格のストレージシステムが必要です。従来のハードディスクドライブ (HDD) は非常に安価ですが、クラウド上でパフォーマンス主導のソフトウェアや計算プロセスをホストすることはできません。

したがって、コンピューターデバイスの大容量ストレージにおけるこの問題に対処するために、NVM Express Inc. は、PCIe または Peripheral Component Interconnect Express バスを介したコンピューター用の非常に高速な内部ストレージデバイスである NVMe SSD のアーキテクチャを公開しました。

ただし、PCIe は RAM と NVMe SSD 間の直接データ通信専用です。ホストコンピューターとクライアントコンピューターが離れた場所にあるクラウドコンピューティング環境に同じことをどのように実装しますか? これらのデバイスは、インターネットまたはイントラネット経由でのみ通信できます。

この課題に対処するために、NVMe over Fabric または NVMe-oF プロトコルは、NVMe ネットワークストレージソリューションの開発を可能にするように設計されました。NVMe 論理デバイス仕様インターフェイスを使用して、ホストコンピューターまたはサーバーとストレージエリアネットワーク (SAN) または直接接続ストレージ (DAS) の間でデータを転送します。

しかし、NVMe-oF の展開は、大企業であっても非常に高価です。また、NVMe-oF は主にポイント A からポイント B へのデータの転送媒体として光ファイバーケーブルを必要とするため、パブリッククラウドに NVMe-oF を展開することは現実的ではありません。

この問題に対処するために、NVM Express Inc. は NVMe over TCP または NVMe/TCP プロトコルを考案しました。

NVMe over TCP (NVMe/TCP) とは?

NVMe/TCP は、NVMe ベースのストレージ I/O コマンド仕様の拡張版です。これは NVMe-oF の高度なバージョンであり、メッセージベースの通信プロトコルである TCP に対する NVMe データ転送プロトコルの機能を定義します。

以下について説明する NVMe/TCP トランスポート仕様があります。

標準の一連のルールに従って NVMe キューをマッピングする方法
NVMe over Fabric 用のカプセルを作成する方法
おなじみのトランスポート制御プロトコルまたは TCPを使用して、NVMe-oF カプセルをファイバー、InfiniBand、および非ファイバーネットワークトランスポートシステムに配信する方法

簡単に言えば、NVMe と TCP の組み合わせである NVMe/TCP は、NVMe-oF ホストと NVMe-oF コントローラーデバイス間でデータとコマンドをより高速かつエラーのない方法で転送します。

このようなデバイスは、イーサネットベースの TCP/IP ネットワークを使用して、インターネットおよびイントラネット経由で接続できます。接続媒体は、光ファイバケーブルまたは従来のカテゴリ 5 およびカテゴリ 6 ケーブルのいずれかです。

NVMe over TCP を使用する理由

元の NVMe トランスポートシステムは、主にマザーボード上の PC システムに直接接続される SSD を対象としていました。トランスポートプロトコルは、当初、サーバーまたはワークステーションに内部接続する NVM PCIe SSD 向けに最適化されています。

その後、クラウド上での非常に高速で大量のデータストレージ要件に対応するために、NVMe トランスポートプロトコルは、ファイバーチャネル、RDMA over Converged Ethernet (RoCE)、インターネットワイドエリア RDMA プロトコル (iWARP) など、クラウドデータセンターが主に使用するトランスポートバインディング仕様とホットワイヤリングされました。、およびインフィニバンド。

上記の NVMe の変更は問題なく機能しますが、クライアントエンドから専用のハードウェア機器が必要になるため、パブリッククラウドには適していません。したがって、TCP トランスポートバインディングシステムが組み込まれました。このシステムは、長距離ネットワーク上でグローバルにすぐに利用でき、信頼性があります。

NVMe over TCP のコアコンポーネント

NVMe-oF の NVMe/TCP トランスポート仕様には、次のネットワークコンポーネントが含まれます。

NVMe プロトコルを使用するリモートデータアクセスシステムは、コンピューターネットワークシステムの Open Systems Interconnection (OSI) モデルに従います。
NVMe/TCP は、OSI 物理層および OSI データリンク層で動作するイーサネットネットワークテクノロジを利用します。
通信プロトコルとパケットデータ交換ポリシーについては、NVMe/TCP は TCP/IP プロトコルに依存しています。
すべてのユーザー発行コマンドとアプリケーション I/O を管理、I/O、ファブリックなどの特定の NVMe コマンドテーブルに変換する NVMe コマンドセット。
メッセージベースのファブリックでの NVMe コマンドのリモート転送は、カプセルを使用して行われます。これらのカプセルは、応答カプセルまたはコマンドカプセルである可能性があります。NVMe コマンドカプセルは、NVMe データ交換の単位を表します。
サブシステムとホストコントローラーは、NVMe/TCP プロトコルデータユニットまたは NVMe/TCP PDU を交換することによって、相互に通信します。
コントローラサブシステムとホストの間には、3 段階の接続プロセスがあります。これらのステップまたはフェーズは、NVMe-oF Connect、NVMe/TCP Connect、および Fabric Connect です。
NVMe/TCP トランスポートバインディングシステムでは、サブシステムがホスト NVMe-OF と正常に接続すると、動的 I/O コントローラーが自動的に作成され、ホストコンピューターに割り当てられます。

NVMe over TCP の利点

TCP は、最も広く使用されているインターネットまたはイントラネットのデータ転送プロトコルであり、すべてのデータセンターとクラウドコンピューティングリソースのクライアントで利用できます。
データセンターとそのクライアントは、ルーター、スイッチ、NIC などの既存のネットワークハードウェアを交換する必要はありません。
TCPはファイバーケーブルとCat 5またはCat 6ケーブルの両方を使用できるため、メンテナンスは非常に簡単です.
NVMe-oF の TCP トランスポートバインディングは、高いパフォーマンスと低レイテンシを提供します。したがって、ホストコンピューター上のミッションクリティカルで CPU 集約型のプロセスに最適であり、複数のリモートクライアントから読み取り/書き込みの競合なしに簡単にアクセスできます。
TCP は動的ルーティングを提供します。したがって、リモートダイレクトメモリアクセス (RDMA) と比較すると、TCP は、長距離からの大規模なデータセンターおよびクラウド操作で最高のパフォーマンスを発揮します。
TCP には、他のどの NVMe トランスポート仕様よりも大きな開発コミュニティがあります。

NVMe over TCP の課題

TCP スタックを使用する場合、CPU がチェックサムの計算などのほとんどの TCP 操作を解決できるようにする必要があります。したがって、大規模な場合、複数のクライアントワークステーションがホスト PC を介してネットワークストレージデバイスからデータの書き込みと読み取りを要求すると、ホスト CPU の負荷が増加します。
ハイパーコンバージドインフラストラクチャはシンプルでなければなりません。ただし、NVMe/TCP を使用すると、複雑になります。
NVMe over TCP には、ハッカーがクラウド運用に侵入し、データを盗み、機密データをダークウェブで利用できるようにするために利用できるセキュリティ上の弱点もあります。

NVMe over TCP: 最後に

TCP は、パブリックまたはプライベートネットワークデータセンター全体の主要なプロトコルです。したがって、NVMe/TCP は、インターネット、イントラネット、およびクラウドインフラストラクチャを介して手頃な価格のストレージソリューションを提供するための最初の選択肢です。

このプロトコルは、長距離ネットワーク接続でもスケーラブルで信頼性があります。クラウドストレージの読み取り/書き込みレイテンシーはほとんどのファイバーチャネルプロトコルと同等であるため、NVMe over TCP がクラウドストレージトランスポートソリューションとして推奨されます。

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