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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