Tin tức Napatech
Giải pháp Napatech Infrastructure Processing Unit (IPU) dựa trên NVME qua TCP (NVME/TCP)
Th1
Giải pháp Napatech Infrastructure Processing Unit (IPU) tối đa hóa hiệu suất lưu trữ của trung tâm dữ liệu dựa trên NVME qua TCP (NVME/TCP)
Các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp và đám mây ngày càng áp dụng công nghệ lưu trữ Non-Volatile Memory Express qua Transmission Control Protocol (NVMe/TCP) vì những lợi thế mà nó mang lại về mặt hiệu suất, độ trễ, khả năng mở rộng, quản lý và sử dụng tài nguyên. Tuy nhiên, việc triển khai khối lượng công việc khởi tạo lưu trữ bắt buộc trên CPU máy chủ của máy chủ sẽ gây ra chi phí tính toán đáng kể và hạn chế số lượng lõi CPU có sẵn để chạy các dịch vụ và ứng dụng.
Bản tóm tắt giải pháp này giải thích cách giải pháp phần cứng cộng với phần mềm tích hợp từ Napatech giải quyết vấn đề này bằng cách chuyển tải khối lượng công việc lưu trữ từ CPU máy chủ sang Đơn vị xử lý cơ sở hạ tầng (IPU) trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích hoàn toàn của phần mềm ở cấp ứng dụng.
Giải pháp này không chỉ giải phóng các lõi CPU của máy chủ mà nếu không sẽ bị tiêu thụ bởi các chức năng lưu trữ mà còn mang lại hiệu suất cao hơn đáng kể so với triển khai dựa trên phần mềm. Điều này làm giảm đáng kể CAPEX, OPEX và mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu. Nó cũng đưa tính năng cô lập bảo mật vào hệ thống, tăng khả năng bảo vệ chống lại các cuộc tấn công mạng, giúp giảm khả năng trung tâm dữ liệu bị vi phạm bảo mật và dữ liệu khách hàng có giá trị cao bị xâm phạm.
NVMe qua TCP: công nghệ lưu trữ tối ưu cho các trung tâm dữ liệu hiện đại
NVMe qua Giao thức điều khiển truyền dẫn (NVMe/TCP) là công nghệ lưu trữ cho phép truy cập các thiết bị lưu trữ Non-Volatile Memory Express (NVMe) qua mạng bằng cách sử dụng các nền tảng trung tâm dữ liệu tiêu chuẩn.
Các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp và đám mây hiện đại ngày càng áp dụng NVME/TCP do những lợi thế hấp dẫn mà nó mang lại so với các giao thức lưu trữ cũ như Giao diện hệ thống máy tính nhỏ Internet (iSCSI) Kênh sợi quang:
- Hiệu suất cao hơn: NVMe được thiết kế để tận dụng tối đa các ổ đĩa thể rắn (SSD) hiện đại dựa trên NAND tốc độ cao và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn đáng kể so với các giao thức lưu trữ truyền thống. NVMe/TCP mở rộng những lợi ích này sang môi trường lưu trữ mạng, cho phép các trung tâm dữ liệu đạt được khả năng truy cập lưu trữ hiệu suất cao qua kết cấu.
- Giảm độ trễ: Bản chất độ trễ thấp của NVMe/TCP rất quan trọng đối với các ứng dụng dữ liệu chuyên sâu và khối lượng công việc thời gian thực. Bằng cách giảm thiểu chi phí truyền thông và loại bỏ nhu cầu chuyển đổi giao thức, NVMe/TCP có thể giúp giảm độ trễ truy cập lưu trữ và cải thiện hiệu suất ứng dụng tổng thể.
- Khả năng mở rộng: Các trung tâm dữ liệu thường xử lý các triển khai lưu trữ quy mô lớn và NVMe/TCP cho phép khả năng mở rộng liền mạch bằng cách cung cấp giải pháp truy cập lưu trữ linh hoạt và hiệu quả qua mạng. Khi số lượng thiết bị NVMe tăng lên, các trung tâm dữ liệu có thể duy trì mức hiệu suất cao mà không có tình trạng tắc nghẽn đáng kể.
- Shared Storage Pool: NVMe/TCP cho phép tạo các shared storage pool có thể truy cập được từ nhiều máy chủ và ứng dụng cùng lúc. Kiến trúc shared storage này cải thiện việc sử dụng tài nguyên và đơn giản hóa việc quản lý lưu trữ, giúp tiết kiệm chi phí đáng kể.
- Khả năng tương thích cơ sở hạ tầng cũ: Các trung tâm dữ liệu thường có cơ sở hạ tầng hiện có được xây dựng trên mạng Ethernet, InfiniBand hoặc Fibre Channel. NVMe/TCP cho phép họ tận dụng các khoản đầu tư vào fabric hiện tại trong khi tích hợp công nghệ lưu trữ dựa trên NVMe mới hơn mà không cần phải đại tu toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng.
- Sử dụng tài nguyên hiệu quả: NVMe/TCP cho phép sử dụng tài nguyên tốt hơn bằng cách giảm nhu cầu về tài nguyên lưu trữ chuyên dụng trên mỗi máy chủ. Nhiều máy chủ có thể truy cập các thiết bị lưu trữ NVMe được chia sẻ qua mạng, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên lưu trữ NVMe đắt tiền.
- Chuẩn bị cho tương lai: Khi các trung tâm dữ liệu tiếp tục phát triển và áp dụng các công nghệ lưu trữ nhanh hơn, NVMe/TCP cung cấp một phương pháp tiếp cận hướng tới tương lai đối với việc truy cập lưu trữ, đảm bảo rằng các mạng lưu trữ có thể theo kịp nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng và khối lượng công việc hiện đại.
Nhìn chung, NVMe/TCP cung cấp giải pháp lưu trữ mạnh mẽ và linh hoạt cho các trung tâm dữ liệu, cho phép hiệu suất cao, độ trễ thấp và sử dụng tài nguyên hiệu quả trong môi trường lưu trữ được chia sẻ và có thể mở rộng.
Hạn chế của kiến trúc lưu trữ chỉ dựa trên phần mềm
Mặc dù NVMe/TCP có những lợi ích hấp dẫn đối với lưu trữ, nhưng người vận hành trung tâm dữ liệu cần lưu ý đến những hạn chế đáng kể liên quan đến việc triển khai trong đó tất cả các dịch vụ khởi tạo lưu trữ bắt buộc đều chạy bằng phần mềm trên CPU máy chủ lưu trữ.
Đầu tiên, rủi ro bảo mật cấp hệ thống sẽ xuất hiện nếu phần mềm ảo hóa lưu trữ, chương trình quản lý ảo hoặc bộ chuyển mạch ảo (vSwitch) bị xâm phạm trong một cuộc tấn công mạng.
Thứ hai, cũng không có cách nào để đảm bảo sự cô lập hoàn toàn giữa khối lượng công việc của người thuê. Trong môi trường nhiều người thuê, một kiến trúc duy nhất lưu trữ nhiều ứng dụng và dữ liệu của khách hàng. Hiệu ứng “hàng xóm ồn ào” xảy ra khi một ứng dụng hoặc VM sử dụng phần lớn tài nguyên khả dụng và làm giảm hiệu suất hệ thống cho những người thuê khác trên cơ sở hạ tầng được chia sẻ.
Cuối cùng, một phần đáng kể các lõi CPU máy chủ được yêu cầu để chạy các dịch vụ cơ sở hạ tầng như phần mềm ảo hóa lưu trữ, trình quản lý siêu máy ảo và vSwitch. Điều này giới hạn số lượng lõi CPU có thể kiếm tiền cho Máy ảo (VM), vùng chứa và ứng dụng. Các báo cáo chỉ ra rằng từ 30% đến 50% tài nguyên CPU của trung tâm dữ liệu thường được sử dụng bởi các dịch vụ cơ sở hạ tầng.
Trong một hệ thống lưu trữ hiệu suất cao, CPU máy chủ có thể được yêu cầu chạy một số giao thức như Giao thức điều khiển truyền (TCP), Truy cập bộ nhớ trực tiếp từ xa qua Ethernet hội tụ (RoCEv2), InfiniBand và Kênh sợi quang. Khi CPU máy chủ được sử dụng nhiều để chạy các giao thức lưu trữ này cũng như các dịch vụ cơ sở hạ tầng khác, số lượng lõi CPU khả dụng cho các ứng dụng thuê bao sẽ giảm đáng kể, ví dụ, CPU 16 lõi chỉ có thể cung cấp hiệu suất của CPU 10 lõi.
Vì những lý do này và nhiều lý do khác, kiến trúc chỉ dựa trên phần mềm đặt ra những thách thức đáng kể về mặt kinh doanh và kỹ thuật cho bộ lưu trữ trung tâm dữ liệu.
Chuyển tải lưu trữ dựa trên IPU
Việc chuyển tải khối lượng công việc NVMe/TCP sang Đơn vị xử lý cơ sở hạ tầng (IPU), cùng với các dịch vụ cơ sở hạ tầng khác như trình quản lý ảo và vSwitch, giải quyết được những hạn chế của việc triển khai chỉ bằng phần mềm và mang lại những lợi ích đáng kể cho các nhà điều hành trung tâm dữ liệu:
- Tận dụng CPU: Giao tiếp NVMe/TCP liên quan đến việc đóng gói các lệnh NVMe và dữ liệu trong giao thức truyền tải TCP. Nếu không dỡ tải, CPU máy chủ sẽ chịu trách nhiệm xử lý các tác vụ đóng gói và giải đóng gói này. Việc dỡ tải các hoạt động này sang phần cứng chuyên dụng cho phép CPU tập trung vào các tác vụ quan trọng khác, dẫn đến cải thiện hiệu suất hệ thống tổng thể và cải thiện việc sử dụng CPU.
- Độ trễ thấp hơn: Việc chuyển giao các tác vụ giao tiếp NVMe/TCP sang phần cứng chuyên dụng có thể làm giảm đáng kể độ trễ liên quan đến việc xử lý các lệnh lưu trữ. Do đó, các ứng dụng có thể trải nghiệm thời gian phản hồi nhanh hơn và hiệu suất tốt hơn khi truy cập các thiết bị lưu trữ NVMe từ xa.
- Di chuyển dữ liệu hiệu quả: Việc chuyển giao các tác vụ ứng dụng không phải CPU sang các bộ tăng tốc phần cứng riêng biệt cho phép thực hiện các hoạt động di chuyển dữ liệu hiệu quả hơn so với việc sử dụng CPU thông thường. Nó có thể xử lý các lần truyền dữ liệu lớn và quản lý bộ đệm hiệu quả, giúp giảm độ trễ và cải thiện thông lượng chung.
- Cải thiện khả năng mở rộng: Việc dỡ tải các tác vụ NVMe/TCP cho phép mở rộng tốt hơn trong các triển khai lưu trữ quy mô lớn. Bằng cách giải phóng CPU khỏi việc xử lý giao tiếp mạng, hệ thống có thể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời và thiết bị lưu trữ hơn mà không bị ràng buộc với CPU.
- Hiệu quả năng lượng: Bằng cách chuyển một số tác vụ nhất định sang phần cứng chuyên dụng, mức tiêu thụ điện năng trên CPU máy chủ có thể giảm. Hiệu quả năng lượng này có thể đặc biệt quan trọng trong môi trường trung tâm dữ liệu lớn, nơi mức tiêu thụ điện năng là một cân nhắc đáng kể.
Ngoài các lợi ích trên áp dụng cho khối lượng công việc lưu trữ NVMe/TCP, kiến trúc hệ thống dựa trên IPU cung cấp các tùy chọn cô lập bảo mật gia tăng, theo đó các dịch vụ cơ sở hạ tầng được cô lập khỏi các ứng dụng thuê bao. Điều này đảm bảo rằng các dịch vụ lưu trữ, hypervisor và vSwitch không thể bị xâm phạm bởi một cuộc tấn công mạng do ứng dụng thuê bao khởi chạy. Bản thân các dịch vụ cơ sở hạ tầng được bảo mật vì quá trình khởi động của chính IPU là an toàn, trong khi IPU sau đó hoạt động như gốc tin cậy cho máy chủ lưu trữ.
Giải pháp chuyển tải lưu trữ của Napatech
Napatech cung cấp giải pháp tích hợp cấp hệ thống để chuyển tải lưu trữ cho trung tâm dữ liệu, bao gồm ngăn xếp phần mềm Link-Storage™ hiệu suất cao chạy trên IPU F2070X.
Xem thanh bên để biết thông tin chi tiết về phần cứng IPU F2070X.
Phần mềm Link-Storage tích hợp nhiều chức năng phong phú, bao gồm:
- Chuyển toàn bộ khối lượng công việc NVMe/TCP từ máy chủ sang IPU;
- Chuyển toàn bộ khối lượng công việc TCP từ máy chủ sang IPU;
- Bộ khởi tạo NVMe-TCP;
- Cấu hình lưu trữ qua giao diện Storage Performance Development Kit Remote Procedure Call (SPDK RPC);
- Hỗ trợ NVMe đa đường dẫn;
- Cung cấp 16 thiết bị khối cho máy chủ thông qua giao diện virtio-blk;
- Tương thích với trình điều khiển virtio-blk chuẩn trong các bản phân phối Linux phổ biến;
- Cô lập bảo mật giữa CPU máy chủ và IPU, không có giao diện mạng nào được tiếp xúc với máy chủ.
Ngoài Link-Storage, F2070X còn hỗ trợ phần mềm Link-Virtualization™ cung cấp mặt phẳng dữ liệu ảo hóa được tăng tốc và giảm tải bao gồm các chức năng như Open vSwitch (OVS), di chuyển trực tiếp, phản chiếu VM-to-VM, đóng gói/giải nén VLAN/VxLAN, Q-in-Q, cân bằng tải RSS, tổng hợp liên kết và Chất lượng dịch vụ (QoS).
Vì F2070X dựa trên FPGA và CPU thay vì ASIC, nên toàn bộ chức năng của nền tảng có thể được cập nhật sau khi triển khai, cho dù là để sửa đổi dịch vụ hiện có, để thêm chức năng mới hay để tinh chỉnh các thông số hiệu suất cụ thể. Việc lập trình lại này có thể được thực hiện hoàn toàn như một bản nâng cấp phần mềm trong môi trường máy chủ hiện có, không cần phải ngắt kết nối, tháo hoặc thay thế bất kỳ phần cứng nào.
Giải pháp phần cứng cộng với phần mềm tích hợp của Napatech, bao gồm ngăn xếp phần mềm Link-Storage chạy trên IPU F2070X, cho phép NVMe/TCP hiệu suất cao mà không tiêu tốn tài nguyên CPU máy chủ bằng cách chuyển tải khối lượng công việc lưu trữ từ CPU sang IPU trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích hoàn toàn của phần mềm ở cấp ứng dụng.
Hiệu suất hàng đầu trong ngành
Giải pháp chuyển tải lưu trữ dựa trên Napatech F2070X mang lại hiệu suất hàng đầu trong ngành về các tiêu chuẩn liên quan đến các trường hợp sử dụng trung tâm dữ liệu, bao gồm:
- Độ trễ: độ trễ được thêm vào khi truy cập NvME từ xa ít hơn 10µs so với truy cập cục bộ.
- Thông lượng: Thông lượng tối thiểu 2x 100G cho cả hoạt động đọc và ghi (bị giới hạn bởi băng thông của bus PCIe và mảng lưu trữ mục tiêu).
- Số thao tác nhập/xuất mỗi giây (IOPS): 6 triệu IOPS ở kích thước khối I/O 4KB.
- Tận dụng lõi CPU: không có lõi CPU chủ nào được sử dụng cho NVMe/TCP hoặc hỗ trợ hoạt động mạng (giả sử giải pháp chuyển tải mạng của Napatech cũng được triển khai).
Các tiêu chuẩn này được đo lường như sau:
- Công cụ đánh giá hiệu suất Flexible IO Tester (fio) được sử dụng.
- Độ trễ: được đo dựa trên độ trễ của việc gửi/hoàn tất I/O.
- Thông lượng: băng thông của một lần truyền trong trường hợp kích thước khối là 128KB khi đọc và ghi tuần tự.
- IOPS: phép đo dựa trên kích thước khối 4KB cho hoạt động đọc và ghi ngẫu nhiên.
- Tỷ lệ sử dụng lõi CPU: tổng số lõi CPU được sử dụng cho các hoạt động I/O và mạng.
Lưu ý rằng các tiêu chuẩn trên chỉ là sơ bộ khi chưa có phần cứng và phần mềm chính thức.
Tóm tắt
Các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp và đám mây ngày càng áp dụng công nghệ lưu trữ NVMe/TCP vì những lợi thế mà nó mang lại về hiệu suất, độ trễ, khả năng mở rộng, quản lý và sử dụng tài nguyên. Tuy nhiên, việc triển khai khối lượng công việc khởi tạo lưu trữ bắt buộc trên CPU máy chủ của máy chủ sẽ gây ra chi phí tính toán đáng kể và hạn chế số lượng lõi CPU có sẵn để chạy các dịch vụ và ứng dụng.
Giải pháp phần cứng cộng với phần mềm tích hợp của Napatech, bao gồm ngăn xếp phần mềm Link-Storage chạy trên IPU F2070X, giải quyết vấn đề này bằng cách chuyển tải khối lượng công việc lưu trữ từ CPU máy chủ sang IPU trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích hoàn toàn của phần mềm ở cấp độ ứng dụng.
Giải pháp chuyển tải lưu trữ của Napatech không chỉ giải phóng các lõi CPU của máy chủ vốn sẽ bị các chức năng lưu trữ sử dụng mà còn mang lại hiệu suất cao hơn đáng kể so với triển khai dựa trên phần mềm. Điều này làm giảm đáng kể CAPEX, OPEX và mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu.
Giải pháp Napatech còn đưa tính năng cô lập bảo mật vào hệ thống, tăng cường khả năng bảo vệ chống lại các cuộc tấn công mạng, giúp giảm khả năng trung tâm dữ liệu bị vi phạm bảo mật và dữ liệu khách hàng có giá trị cao bị xâm phạm.
