NVMe qua Fibre Channel (NVMe over FC) là gì?

NVMe qua Fibre Channel (NVMe over FC) là gì?

NVMe qua Fibre Channel (NVMe over FC) là đặc tả công nghệ được thiết kế để cho phép các lệnh truyền dữ liệu của NVMe hoạt động qua mạng Fibre Channel. Cụ thể, nó cho phép truyền dữ liệu và thông tin trạng thái giữa máy chủ (host) và hệ thống lưu trữ (target) thông qua hạ tầng mạng Fibre Channel. Công nghệ này được triển khai dựa trên tiêu chuẩn FC-NVMe (Fibre Channel-NVMe).

Fibre Channel là một trong các giao thức truyền tải (transport) trong chuẩn NVMe over Fabrics (NVMe-oF) – một đặc tả được phát triển bởi tổ chức phi lợi nhuận NVM Express Inc., bao gồm hơn 100 công ty công nghệ thành viên. Ngoài Fibre Channel, các lựa chọn giao thức truyền tải khác của NVMe-oF còn bao gồm RDMA (Remote Direct Memory Access) qua Ethernet và InfiniBand.

Cách thức hoạt động của NVMe qua FC

Giao thức Fibre Channel (FC) cho phép ánh xạ các giao thức truyền tải tầng trên, chẳng hạn như NVMe, Small Computer System Interface (SCSI), và giao thức độc quyền Fibre Connection (FICON) của IBM. Điều này cho phép truyền dữ liệu và lệnh giữa máy chủ trung tâm dữ liệu và thiết bị hoặc hệ thống lưu trữ ngoại vi, vốn thường giao tiếp thông qua mạng lưu trữ chuyên dụng (SAN).

So với SCSI và FICON, NVMe có giao diện thanh ghi và bộ lệnh được đơn giản hóa, giúp giảm tải cho bộ xử lý trung tâm (CPU) trong ngăn xếp nhập/xuất (I/O), giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất. Tổ chức NVM Express Inc. đã phát triển NVMe để sử dụng với các phương tiện lưu trữ tốc độ cao, bao gồm ổ cứng thể rắn (SSD) và các công nghệ lưu trữ/memory dựa trên flash khác.

Ngược lại, bộ lệnh SCSI được thiết kế trong thời kỳ mà ổ đĩa cứng cơ học (HDD) và băng từ là phương tiện lưu trữ chính, còn FICON được tạo ra để kết nối giữa máy tính lớn (mainframe) và các thiết bị lưu trữ.

Tiêu chuẩn FC-NVMe đơn giản hóa các tập lệnh NVMe thành các lệnh giao thức Fibre Channel (FC) cơ bản. Fibre Channel được thiết kế riêng cho lưu lượng dữ liệu lưu trữ, nên các chức năng như phát hiện thiết bị, quản lý và kiểm tra tương thích đầu-cuối của thiết bị đã được tích hợp sẵn trong hệ thống.

Điểm khác biệt chính giữa NVMe qua Fibre Channel và NVMe là cơ chế truyền lệnh. NVMe ánh xạ (mapping) các yêu cầu và phản hồi đến bộ nhớ chia sẻ (shared memory) trong máy chủ thông qua giao thức PCIe. Trong khi đó, NVMe qua FC sử dụng mô hình truyền dựa trên thông điệp (message-based model) để gửi yêu cầu và phản hồi giữa máy chủ và thiết bị lưu trữ đích thông qua mạng.

Các môi trường lưu trữ khối (block storage) quy mô lớn sử dụng flash và triển khai trên nền tảng Fibre Channel có khả năng cao sẽ áp dụng NVMe qua FC. Giao thức này cung cấp cùng một cấu trúc, khả năng dự đoán và độ tin cậy như Fibre Channel sử dụng cho SCSI. Hơn nữa, lưu lượng NVMe và lưu lượng truyền thống dựa trên SCSI có thể chạy song song trên cùng một hạ tầng mạng FC.

Trên thực tế, khi máy chủ (host) muốn giao tiếp với một thiết bị lưu trữ, một máy chủ (server) sẽ khởi động quy trình. Sau đó, công tắc chuyển mạch Fibre Channel (FC switch) sẽ nhận diện gói tin bắt đầu khung (start-of-frame packet) và thiết lập một phiên kết nối (session) giữa người dùng và thiết bị lưu trữ đích thông qua mạng Fibre Channel. Quá trình này đảm bảo không có khung dữ liệu nào bị mất trong quá trình truyền dữ liệu.

Các thành phần hạ tầng cần phải hỗ trợ NVMe qua FC để có thể tận dụng được các lợi ích tiềm năng bao gồm hệ điều hành lưu trữ (storage operating system) và các card giao tiếp mạng (NIC – Network Interface Card). Các nhà cung cấp hệ thống lưu trữ FC cần đảm bảo sản phẩm của họ tương thích với giao thức FC-NVMe. Các nhà cung cấp bộ điều hợp bus máy chủ (HBA – Host Bus Adapter) hỗ trợ FC-NVMe bao gồm Broadcom và Marvell Technology. Broadcom và Cisco là hai trong số các nhà sản xuất switch Fibre Channel hàng đầu hiện nay.

Các trường hợp sử dụng mà NVMe qua FC thực sự phù hợp bao gồm:

– Các công ty tài chính yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao với độ trễ thấp.

– Các doanh nghiệp sử dụng hệ thống điều khiển công nghiệp để thu thập dữ liệu hoạt động và chuyển chúng đến hệ thống máy chủ để phân tích.

– Các tổ chức ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích dữ liệu kinh doanh (business analytics).

– Các tổ chức có khối lượng dữ liệu lớn, hệ thống lưu trữ quy mô lớn và thực hiện xử lý giao dịch cũng như phân tích với tần suất cao – đặc biệt khi họ cần truy cập dữ liệu nhanh chóng, độ trễ thấp và giảm thiểu tối đa việc mất dữ liệu.

Ưu điểm và hạn chế của NVMe qua Fibre Channel (FC)

Ưu điểm của NVMe qua FC bao gồm:

– Hiệu năng cao hơn, khả năng mở rộng tốt hơn, độ trễ thấp hơn và hỗ trợ truy xuất song song (parallel I/O) khi truyền dữ liệu đến và đi từ các ổ SSD sử dụng bộ lệnh NVMe. Điều này được so sánh với việc truyền dữ liệu bằng bộ lệnh SCSI đến và đi các ổ cứng HDD hoặc SSD sử dụng chuẩn SATA hoặc SAS (Serial-Attached SCSI).

– Tăng hiệu năng IOPS (số lượng thao tác nhập/xuất mỗi giây), kết nối nhanh hơn và hiệu quả hơn, đồng thời giảm tải cho CPU.

– Việc sử dụng các giao thức truyền thống như FC cũng hỗ trợ chuyển đổi dần sang NVMe mà không cần thay đổi lớn về kiến trúc hạ tầng mạng hiện có.

Hạn chế:

– SSD sử dụng NVMe là giá thành có thể cao hơn, mặc dù hiện nay giá đã gần tương đương với SSD truyền thống.

– Cần chuyên môn kỹ thuật cao để triển khai và quản lý mạng NVMe, do có các thiết bị chuyên biệt.

– NVMe qua FC không hỗ trợ đa đường (multipath) – tính năng thiết lập nhiều đường truyền giữa CPU và thiết bị lưu trữ dữ liệu để đảm bảo khả dụng. Tuy vậy, vẫn có những giải pháp thay thế để đảm bảo tính khả dụng và độ tin cậy cho hạ tầng NVMe-FC.