简略

详细

RDMA

RDMA网络配置

硬/软件信息

RDMA驱动安装

验证RDMA连通性

NVMe Initiator 和 target 配置

target 端配置

initiator 端配置

配置成功状态

性能测试

遇到的问题

nvme-cli 用户文档

NVMe over RoCE应用场景

参考文档

nvme ssd和普通ssd区别

bandaoyu@uestc，本文持续更新，连接：/vaucH

简略

nvme ssd和普通ssd区别

ssd是固态硬盘，普通的ssd配的是SATA口（AHCI协议），nvme ssd配的是PCIe口（nvme传输协议）

HDD 和 SSD 早期， SATA 接口(接口协议:AHCI )满足性能需求，瓶颈在硬盘端，闪存技术的飞速发展，性能瓶颈由下层（硬盘）转移至上层（接口和协议），SSD 急需要更高效的接口和协议，由此，NVMe（Non Volatile Memory Express）横空出世。RDMA 技术NVMe over FabricsSATA/SAS和 PCIe接口对比

NVMe over Fabrics

NVMe over Fabrics 说白了就是把本地NVMe协议扩展成了网络的NVMe，原先的总线变成了RDMA等高速网络。扩展了原先NVME的协议：相比与普通的 NVMe 命令，NVMe over Fabrics 扩展了 NVMe 标准命令和数据传输方式，比如增加了互联命令，discover，connect、Property Get/Set、Authentication Send/Receive等。可以让 发起(读写）者--initiator 端发现并连接target 端（磁盘或带有磁盘的服务器）

initiator 端，又称为host/client端，initiator 配置前提：RDMA基础环境已搭建。通过NVMe 互联命令探测和连接target 端 NVMe SSD 即可。

nvme over pcie

nvme over tcp

nvme over fabric

nvme over rdma

nvme over roce

/English/Collaterals/Proceedings//0808_FA12_PartB.pdf

详细

原文：NVMe over RoCE 初探 /p/345609031

常见的 SSD 主要分为 SATA 接口（接口协议: AHCI）、 PCIe接口(NVMe 协议Non Volatile Memory Express)。相比于最原始的 ATA 协议，AHCI有 2 个特点，第 1 个支持热插拔，第 2 个支持 NCQ（Native Command Queueing）技术，NCQ 最大深度为 32，则使用 fio 进行性能测试时，其 iodepth不得超过 32；

在 HDD 和 SSD 早期，AHCI 控制器接口协议和 SATA 硬盘传输接口足够满足系统的性能需求，性能的瓶颈在硬盘端，随着闪存技术的飞速发展，系统的性能瓶颈由下层（硬盘）转移至上层（接口和协议），SSD 急需要更高效的接口和协议。在此背景下，NVMe横空出世。

NVMe全称为 Non-Volatile Memory Express，是非易失性存储器标准，运行在PCIe 接口之上的协议标准。

协议的层级关系为：NVMe <---事务层 <--- 数据链路层 <--- 物理层，NVMe作为命令层和应用层协议位于最上层，下面 3 层均为 PCIe。

NVMe协议实际是一个应用层的协议，PCIe规范定义了传输层（事务层）、数据链路层和物理层。

NVMe协议通常情况下是跑在PCIe协议栈上的。

pcie是接口，nvme是协议。

笔记本上pcie接口都是M.2的物理形态，但是M.2固态硬盘不一定都用nvme协议，可能是传统sata硬盘所用的ahci协议。

现在已经有走PCIe通道的M.2接口了，就需要确认有没有NVMe协议相关驱动即可，可以进BIOS看一下，有没有NVMe相关的字眼，比如我的电脑，进到BIOS里面后，会看到如下：

链接：/question/263723989/answer/1203340571

下面将从 SATA和 PCIe 接口对比、 AHCI 和 NVMe速率对比、SSD 外形尺寸 3 方面对比 NVMe 和 AHCI的不同之处。

AHCI 和 PCIe 接口对比SATA 和 PCIe 速率对比

当前我们使用 Intel Purley 平台服务器，即 I/O 接口的速度分别 SATA 3.0 和 PCIe 3.0。预计 年中旬 Intel 量产Ice lake Xeon处理器，带来的变化之一是 I/O 由 PCIe 3.0 切换至 PCIe 4.0，服务器平台也将由 Purley 切换至 Whitley。

SSD的外形尺寸

NVMe SSD外形接口形态有：PCIe card slot, M.2, and U.2，其中 U.2专为NVMe设计，有2.5英寸/3.5英寸标准尺寸固态硬盘驱动器。

举个例子，S4510 1.92TB 和 P4610 1.6TB 参数对比

从上图可以直观看出，P4610 NVMe SSD 性能顺序和随机读/写性能明显优于 S4510 SATA SSD，具体数据为：顺序读约 5.7 倍、顺序写 3.7 倍、随机读约 6.6 倍、随机写约 5.6 倍。

RDMA

RDMA（全称：Remote Direct Memory Access）是一种远程直接内存访问技术，在硬件中实现传输层协议，将内存/消息原语接口暴露至用户空间，通过绕过 CPU 和内核网络协议栈来实现网络的高吞吐和低延迟。如今大规模部署 RDMA 的方式主要有 Infiniband 和 RoCE，前者主要用于高性能领域，后者用于互联网公司数据中心较多，本文的实验环境使用 RoCE。无论哪一种 RDMA 实现方式，都向上提供了统一的操作接口，即 RDMA verbs。

实验设备拓扑图：

RDMA网络配置

硬/软件信息

- 硬件服务器型号：联想SR650CPU：Xeon Silver 4214R*2 @ 2.40GHz内存：DDR4 2933MHz 32G*12硬盘：Intel P4610 U.2/2.5寸 NVMe SSD 1.6T*4（数据盘），2.5寸 SATA SSD 240G*2（系统盘）网卡：Mellanox CX4-2port 25Gb/s*2- 软件OS：Debian 10.3Kernel: 4.19.0-8-amd64 x86_64 nvme-cli版本：1.13.23.g274aMCX4121A固件版本：14.28.1002 (LNV240034)mlx5_core版本：5.2-1.0.4

RDMA驱动安装

驱动选择为：MLNX_OFED_LINUX-5.2-1.0.4.0-debian10.3-x86_64.tgz

MLNX_OFED driver

配置过程如下：

# 下载链接/products/infiniband-drivers/linux/mlnx_ofed# 解压tar xvf MLNX_OFED_LINUX-5.2-1.0.4.0-debian10.3-x86_64.tgz# 安装，增加参数 kernel 和 nvmf 支持cd MLNX_OFED_LINUX-5.2-1.0.4.0-debian10.3-x86_64./mlnxofedinstall --add-kernel-support --with-nvmf# 安装日志如下：Note: This program will create MLNX_OFED_LINUX TGZ for debian10.3 under /tmp/MLNX_OFED_LINUX-5.2-1.0.4.0-4.19.0-8-amd64 directory.See log file /tmp/MLNX_OFED_LINUX-5.2-1.0.4.0-4.19.0-8-amd64/mlnx_iso.25161_logs/mlnx_ofed_iso.25161.log....Installation passed successfullyTo load the new driver, run:/etc/init.d/openibd restartNote: In order to load the new nvme-rdma and nvmet-rdma modules, the nvme module must be reloaded.

验证RDMA连通性

背景：两台节点ip分别为：192.168.13.146， 192.168.13.147，使用 ib_send_bw 命令测试（需要指定 ib 设备名，本例中配置 mlx5_3 设备通信）。

# 开启服务端ib_send_bw --ib-dev=mlx5_3************************************* Waiting for client to connect... *************************************---------------------------------------------------------------------------------------#bytes#iterations BW peak[MB/sec] BW average[MB/sec] MsgRate[Mpps]655361000 0.002761.97 0.044192---------------------------------------------------------------------------------------# 开启客户端ib_send_bw --ib-dev=mlx5_3 192.168.13.147---------------------------------------------------------------------------------------#bytes#iterations BW peak[MB/sec] BW average[MB/sec] MsgRate[Mpps]655361000 2757.59 2757.57 0.044121---------------------------------------------------------------------------------------

NVMe Initiator 和 target 配置

target端即磁盘阵列或其他装有磁盘的主机。通过iscsitarget工具将磁盘空间映射到网络上，initiator端就可以寻找发现并使用该磁盘。

Initiator（发起者） 和 target 连接方式如下图所示，左侧为initiator，其右为target。

在NVMe协议中，NVMe 控制器是与 initiator 进行沟通的实体。

通过确定 PCIe port 、NVMe controller 和NVMe namespace，initiator 端可以通过 discover 和 connect 互联命令发现 target 端 NVMe namespace 并将其连接至本地。

引用至《深入浅出SSD》

NVMe over Fabrics 协议定义了使用各种事务层协议来实现 NVMe 功能，其中包括 RDMA、FibreChannel等。

相比与普通的 NVMe 命令，NVMe over Fabrics 扩展了 NVMe 标准命令和数据传输方式，比如增加了互联命令，discover，connect、Property Get/Set、Authentication Send/Receive等。connect 命令携带 Host NQN、NVM Subsystem NQN 、PCIe port 和 Host identifier 信息可以连接到 target 端 NVMe 控制器。

本文中 NVMe over RoCE 调用关系如下图所示，内核 nvme_rdma 模块相当于胶水层，连接 rdma stack 和 nvme core接口，即 NVMe 队列接口可以对接 RDMA 队列接口，进而调用下层 rdma stack 中 verbs 传输接口。

NVMe over RoCE 调用关系

target 端配置

# NVMe target configuration# Assuming the following:# IP is 192.168.13.147/24# link is up# using ib device eth2# modprobe nvme and rdma modulemodprobe nvmetmodprobe nvmet-rdmamodprobe nvme-rdma# 1、config nvme subsystemmkdir /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-namecd /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name# 2、allow any host to be connected to this targetecho 1 > attr_allow_any_host# 3、create a namesapce，example: nsid=10mkdir namespaces/10cd namespaces/10# 4、set the path to the NVMe deviceecho -n /dev/nvme0n1> device_pathecho 1 > enable# 5、create the following dir with an NVMe portmkdir /sys/kernel/config/nvmet/ports/1cd /sys/kernel/config/nvmet/ports/1# 6、set ip address to traddrecho "192.168.13.147" > addr_traddr# 7、set rdma as a transport type，addr_trsvcid is unique.echo rdma > addr_trtypeecho 4420 > addr_trsvcid# 8、set ipv4 as the Address familyecho ipv4 > addr_adrfam# 9、create a soft linkln -s /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name /sys/kernel/config/nvmet/ports/1/subsystems/nvme-subsystem-name# 10、Check dmesg to make sure that the NVMe target is listening on the portdmesg -T| grep "enabling port"[369910.403503] nvmet_rdma: enabling port 1 (192.168.13.147:4420)

initiator 端配置

initiator 端，又称为host/client端，initiator 配置前提：RDMA基础环境已搭建。通过NVMe 互联命令探测和连接target 端 NVMe SSD 即可。

# 探测 192.168.13.147 机器上 4420 端口 nvme ssdnvme discover -t rdma -q nvme-subsystem-name -a 192.168.13.147 -s 4420# 连接 192.168.13.147 4420 端口 nvme ssdnvme connect -t rdma -q nvme-subsystem-name -n nvme-subsystem-name -a 192.168.13.147 -s 4420# 与target 端 nvme ssd 断开连接nvme disconnect -n nvme-subsystem-name

配置成功状态

配置前 initiator 和 target 各有 4块 NVMe SSD，使用上述 initator 和 target 配置方法，将 target 上 4 块 NVMe SSD 挂载至 initator，配置后的现象是 initiator 会显示 8 块 NVMe SSD，target 仍然是 4 块。经验证： target 不可以操作被挂载至 initiator 端的 NVMe SSD。配置状态如下图所示：

配置前

配置后

性能测试

下面对比测试本地 NVMe SSD 和 NVMe over RoCE SSD之间的顺序/随机性能，单盘+ext4文件系统，结论是：通过性能数据表明，NVMe over RoCE方法顺序读性能下降约 14%，随机写和随机读性能分别下降约 6% 和 2%，顺序写性能无影响。

注：NVMe 裸盘测试性能正常，挂载文件系统后性能急剧下降，后续会在文件系统层面研究如何调优。

测试方法：将 NVMe SSD 全盘顺序写2遍后，使用 fio 测试工具

# 顺序写：fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=write --bs=128k --filename=/partition1/write.txt --runtime=1200 --time_based --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=write# 顺序读：fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=read --bs=128k --filename=/partition1/write.txt --runtime=120 --time_based --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=read# 随机写：fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=randwrite --bs=4k --runtime=1200 --time_based --filename=/partition1/randwrite.txt --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=rand_write# 随机读：fio --iodepth=128 --numjobs=4 --size=1TB --norandommap --readwrite=randread --bs=4k --runtime=300 --time_based --filename=/partition1/randwrite.txt --ioengine=libaio --direct=1 --group_reporting --name=rand_read

target 中同 1 个子系统（例如：nvme-subsystem-name）可供多个 initiator 连接。target 子系统关联的硬盘为 /dev/nvme0n1，此时 initiator1 和 initiator2 同时连接 target nvme-subsystem-name，挂载分区后的效果是： initiator1 和 initiator2 均可对 /dev/nvme0n1分区正常读写，但不会同步，仅有等待 disconnect ，再次 connect 后才会进行数据同步。

遇到的问题

问题1：nvmet 模块无法加载的问题

# 导入nvmet内核模块modprobe nvmetdmesg | tail[87679.872351] device-mapper: ioctl: 4.39.0-ioctl (-04-03) initialised: dm-devel@[87776.766628] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)[87850.518208] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)[88090.703738] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)[88093.708573] nvmet: Unknown symbol nvme_find_pdev_from_bdev (err -2)# 解决方法：删除 nvme 模块后，重新加载 nvme 即可rmmod nvmemodprobe nvme nvmet

问题2：在 initiation 端执行 nvme discover 命令时，遇到Failed to write to /dev/nvme-fabrics: Invalid argument报错

# 通过 dmesg 发现如下日志，说明 hostnqn 参数没有指定。[Sat Jan 9 23:00:19 ] nvme_fabrics: unknown parameter or missing value 'hostnqn=' in ctrl creation request# 解决方法nvme discover 添加 -q nvme-subsystem-name 参数

nvme-cli 用户文档

nvme 是 NVMe SSD和 NVMe oF 存储命令行管理工具，nvme安装包为 nvme-cli，它依赖Linux内核 IOCTL 系统调用，该调用连接用户层和NVMe驱动层，当用户执行 nvme commands 时，IOCTL 会将命令参数传递至 NVMe common 层，该层代码解析命令并执行命令，将命令封装至 capsule ，进而传递至 NVMe Submission 队列，Controller 处理后将 capsule 传递至 NVMe Completion 队列，应用从 Completion 队列取出 capsule，完成一次通信。

nvme 安装和常用命令

# 安装nvme-cliapt-get install pkg-config uuid-runtime -ygit clone /linux-nvme/nvme-cli.gitcd nvme-cli && make && make install# nvme 命令使用方式：usage: nvme <command> [<device>] [<args>]# 其中 device 要么是 NVMe 字符设备，例如 /dev/nvme0，要么是 NVMe 块设备，例如 /dev/nvm0n1。# 查看所有nvme块设备nvme list# 查看命名空间结构nvme id-ns /dev/nvme1n1# 创建命名空间，分为3个步骤：create-ns、attach-ns 和 reset；# create-ns 命令中 -s -c 参数分别对应nsze、ncap，可以参考 nvme id-ns /dev/nvme1n1 输出结果nvme create-ns -s 0xba4d4ab0 -c 0xba4d4ab0 -f 0 -d 0 -m 0 /dev/nvme0# 将命令空间1关联至控制器0nvme attach-ns /dev/nvme0 -c 0 -n 1# 重置 /dev/nvme0，使得创建的命名空间以块设备形式显示在OS中nvme reset /dev/nvme0# 查看 /dev/nvme0 拥有的命名空间nvme list-ns /dev/nvme0# 删除 /dev/nvme0 第1个命令空间nvme delete-ns /dev/nvme0 -n 1# 查看 /dev/nvme0 拥有的控制器nvme list-ctrl /dev/nvme0

查看 NVMe SSD smartctl 信息

# 使用 smartctl 命令查看 nvme 盘信息，例如，device_name 为 /dev/nvme0n1apt-get install smartmontools -ysmartctl -a -d nvme $device_name

NVMe over RoCE应用场景

1、刀片仅有 2 个盘位，可以通过 RoCE 连接 NVMe SSD 存储池。

当刀片存储容量不够用时，可以使用 RoCE 连接 NVMe SSD存储池。

2、读写分离场景，可以使用 NVMe over RDMA 搭建 NFS。

target 上 NVMe SSD 可以划分分区，格式化文件系统，写入数据。target NVMe SSD以块设备形式挂载至 initiator后，仅需 mount 操作即可使用。前提是仅有读操作，各 initator 往同1块 NVMe SSD 上写数据时，各 initator 并不会同步数据。

3、NVMe SSD创建多个命名空间，通过 RoCE 供多个租户使用。

公有云/私有云场景，如下图所示，将 1 块大容量 NVMe SSD 划分为多个命名空间，虚拟化后提供给多个租户，可以充分发挥 NVMe SSD 的性能。

创建多个命名空间

参考文档

1、Kingston, Understanding SSD Technology: NVMe, SATA, M.2

2、nvme-command user guide

3、what is a namespace ?

4、NVMe over RoCE Storage Fabrics for noobs

5、HowTo Configure NVMe over Fabrics

6、深入浅出SSD

nvme ssd和普通ssd区别

ssd是固态硬盘，普通的ssd配的是SATA口（AHCI协议），nvme ssd配的是PCIe口（nvme传输协议）

NVME是硬盘新的传输标准，下一代协议，比现代的AHCI传输协议更加高级。

NVME的优势有以下几点：

1.更低的延时。NVME精简了调用方式，执行命令时不需要读取寄存器，而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成2.5微秒的延迟。

2.更高的传输性能。性能不错的SATA接口的SSD，在队列深度上都可以达到32，这也是AHCI所能做到的极限。更高端的PCIe SSD其队列深度可达128，甚至是256才能发挥出最高的IOPS性能。而NVME标准下，最大的队列深度可达64000。此外，NVME的队列数量也从AHCI的1提高到了64000。

3.更低的能耗控制。升级版的NVME在能耗方面肯定会进行优化处理，能耗降低了有助于设备的节能使用，同时也会减少控制元件的工作负荷。NVME加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能，SSD在闲置的时候可以快速的控制在极低的水平，从而降低整体的能耗。