常见的 SSD 主要分为 SATA和 PCIe 接口，其接口协议对应着 AHCI、NVMe 协议。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：https://www.zhihu.com/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
| 项 | AHCI（SATA/SAS） | NVMe（PCIe） |
|---|---|---|
| 背景 | 为HDD而设计 | 为SSD而设计 |
| 最大队列数量 | 1 | 64k |
| 最大队列深度 | 32 | 64k |
| 延迟 | 6ms | 2.8ms |
| 通信 | 与SATA控制器通信 | 直接与CPU通信 |
- 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2021 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。
| 项 | SATA 1.0 | SATA 2.0 | SATA 3.0 |
|---|---|---|---|
| 速率 | 150 MB/s | 300 MB/s | 600 MB/s |
| 类型 | 理论单向速率(GT/s) | 传输方式 | 实际单向速率(Gbps) | 单向带宽receive or transmit |
|---|---|---|---|---|
| PCIe 1.0 | 2.5 | 8 bit/10 bit | 2 | 250 MB/s |
| PCIe 2.0 | 5 | 8 bit/10 bit | 4 | 500 MB/s |
| PCIe 3.0 | 8 | 128 bit/ 130 bit | 7.87 | 985 MB/s(约等于 1GB/s) |
| PCIe 4.0 | 16 | 128 bit/ 130 bit | 15.75 | 2016 MB/s(约等于 2GB/s) |
- 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
| 项 | S4510 1.92TB | P4610 1.6TB |
|---|---|---|
| 光刻类型 | 64-Layer TLC 3D NAND | <-- |
| 接口类型 | SATA 3.0 6Gb/s | PCIe 3.1 x4, NVMe |
| 顺序读 (MB/s) | 560 | 3200 |
| 顺序写 (MB/s) | 510 | 2080 |
| 随机读（IOPS） | 97k | 643k |
| 随机写（IOPS） | 35.5k | 199k |
| 闲置功耗（W） | 1.1 | 5 |
| 典型功耗（W） | 3.2 | 14 |
| 硬件加密 | AES 256 bit | <-- |
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SR650
CPU：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 10.3
Kernel: 4.19.0-8-amd64 x86_64
nvme-cli版本：1.13.23.g274a
MCX4121A固件版本：14.28.1002 (LNV2420110034)
mlx5_core版本：5.2-1.0.4RDMA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
https://www.mellanox.com/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 successfully
To load the new driver, run:
/etc/init.d/openibd restart
Note: 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]
65536 1000 0.00 2761.97 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]
65536 1000 2757.59 2757.57 0.044121
---------------------------------------------------------------------------------------NVMe Initiator 和 target 配置
Initiator 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 控制器作为与 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》
NVM 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 module
modprobe nvmet
modprobe nvmet-rdma
modprobe nvme-rdma
# 1、config nvme subsystem
mkdir /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name
cd /sys/kernel/config/nvmet/subsystems/nvme-subsystem-name
# 2、allow any host to be connected to this target
echo 1 > attr_allow_any_host
# 3、create a namesapce，example: nsid=10
mkdir namespaces/10
cd namespaces/10
# 4、set the path to the NVMe device
echo -n /dev/nvme0n1> device_path
echo 1 > enable
# 5、create the following dir with an NVMe port
mkdir /sys/kernel/config/nvmet/ports/1
cd /sys/kernel/config/nvmet/ports/1
# 6、set ip address to traddr
echo "192.168.13.147" > addr_traddr
# 7、set rdma as a transport type，addr_trsvcid is unique.
echo rdma > addr_trtype
echo 4420 > addr_trsvcid
# 8、set ipv4 as the Address family
echo ipv4 > addr_adrfam
# 9、create a soft link
ln -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 port
dmesg -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 ssd
nvme discover -t rdma -q nvme-subsystem-name -a 192.168.13.147 -s 4420
# 连接 192.168.13.147 4420 端口 nvme ssd
nvme 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。
| I/O类型 | Local NVMe SSD | NVMe over RoCE SSD |
|---|---|---|
| 顺序写 (MB/s) | 2035 | 2031 |
| 顺序读 (MB/s) | 3374 | 2889 |
| 随机写 (IOPS) | 51.6k | 48.4k |
| 随机读 (IOPS) | 571k | 557k |
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_readtarget 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 nvmet
dmesg | tail
[87679.872351] device-mapper: ioctl: 4.39.0-ioctl (2018-04-03) initialised: [email protected]
[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 nvme
modprobe 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 2021] 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-cli
apt-get install pkg-config uuid-runtime -y
git clone https://github.com/linux-nvme/nvme-cli.git
cd 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0
nvme 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/nvme0n1
apt-get install smartmontools -y
smartctl -a -d nvme $device_nameNVMe 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
4、NVMe over RoCE Storage Fabrics for noobs
5、HowTo Configure NVMe over Fabrics
6、深入浅出SSD