在最近几年，介质发展突飞猛进，容量和性能都在持续快速提升，各大介质厂商都推出了高性能的NVMe SSD，几乎全球所有的存储大厂都在大力研发基于NVMe的新一代存储产品，一时间NVMe成了存储行业最热门的词汇。
NVMe为闪存而生
NVMe是什么？它的全称为Non-Volatile Memory Express，是一种基于非易失性存储器的传输规范，NVMe规范由包含100多家公司在内的工作小组所制定。认识了NVMe之后，我们看看它到底有什么优势，一个字总结，那就是“快”。形象的来说，NVMe的出现解决了SSD“肚子大”，“有货”，却“吐得不够快”的问题。
对于闪存的普及，标准协议接口是非常重要的一环。NVMe规范提供了闪存访问的标准方式，充分利用PCIe通道的低延时和并行性，以及当代处理器、平台与应用的并行性，通过降低协议交互时延，增加协议并发能力，显著提高性能，在可控制的存储成本下，极大的提升固态硬盘的读写性能，从而进一步释放闪存的潜能，并推动全闪存在数据中心的普及。
传统的SAS协议是为机械硬盘设计，随着闪存介质的高速发展，以及全闪存存储系统对极致性能的追求，SAS协议劣势越发明显，成为全闪存系统发展的短板。相比于SAS-HDD，SSD单盘的吞吐量、IOPS都有大幅的提升，时延降低到100μs 的水平。SSD能力提升了，传输协议却成为了短板，怎么办？NVM Express组织由此制定了NVMe协议标准，去掉了SAS-HDD系统中的IO Scheduler和SCSI等复杂的协议层，换成轻量级的NVMe协议。
NVMe协议栈图
NVMe相比SAS的效率有很大的提升，NVMe所需的每次IO的CPU周期少于SAS的一半；在相同的CPU周期下，NVMe提供的IOPS是SAS的2倍。和NVMe相比，SAS的劣势已非常明显：
1.SAS协议交互次数多，需要在PCIe和SAS之间做协议转换，SAS/SCSI体系协议栈复杂，软件处理协议开销大，难以达到更高的IOPS。NVMe盘直接出PCIe接口，协议交互简单，可以获得更好的性能。
2.SAS协议是单队列，而NVMe支持多达64K个队列，每个队列支持最多64K个命令并发。NVMe多队列可以实现更高的并发处理，与SSD盘的多通道，多个片选，多个Die形成更好的配合，提供更好的性能。SAS 单队列在多核环境编程必须加锁保护，而NVMe原生支持多队列免锁机制，可以更好发挥多核的并发优势，降低软件开销。
存储协议向更高效的NVMe协议发展毋庸置疑，但是NVMe毕竟是一个比较新的协议，而SAS协议仍然作为一种经过多年实践应用的成熟存储协议，相对而言，SAS目前还有一些优势：
1.SAS协议原生支持多端口，双端口盘技术成熟，与多控系统配合稳定可靠，而PCIe双端口技术还在发展完善中。
2.SAS协议对热拔插有完善的支持，IO基于连接的协议机制不会导致故障扩散。而PCIe的热拔插向来是一个技术难点，做到高可靠性需要比较深的技术积累。
3.SAS组网灵活，容易扩展，SAS协议在设计之初就充分考虑组网场景，基于路由交换的协议为扩展性奠定了好的基础。熟悉PCIe协议的人都比较清楚，PCIe的扩展性非常受限，在级联深度和支持设备总数上有很大的局限。
基于SAS SSD的存储系统应用在传统的高性能应用场景，而基于NVMe的存储系统可以应用在对时延要求更苛刻的应用场景。NVMe存储和SAS存储在一段时间内将共同存在，应用于不同的业务场景。
市场预测2017年SSD发货量将超过SAS硬盘，并会持续大幅增长，而SAS硬盘则大幅缩减，PCIe SSD将是SSD发展的主流，NVMe协议适应了SSD的发展。而且随着数据中心和云的发展，各种混合应用场景使得NVMe SSD在数据中心也更有优势。新的SCM介质的发展，比如3D XPoint，应用于高速Cache场景，只有PCIe通道才能适应对性能的极致需求，也推动NVMe协议的进一步应用和发展。NVMe除了应用在本地PCIe SSD，标准组织在2016年6月发布NVMe over Fabrics规范，在RDMA/FC等传输协议上承载NVMe协议，为远程访问SSD提供高性能解决方案，解决本地SSD资源共享问题。
NVMe给存储系统带来哪些挑战？
NVMe是一个全新的协议，基于PCIe技术，在带来极致性能的同时，也给盘片和系统的设计带来了新的挑战。
NVMe SSD作为硬盘的一种，必须要支持快速在线更换，而传统的PCIe对热拔插支持易用性不好，特别是暴力热拔插（PCIe surprise hot plug），因此很容易导致系统异常，业务中断。同时，在企业存储中，高可靠性必须采用双控冗余技术，基于PCIe的双端口技术是SSD设计面临的一个难题，目前有些厂家的SSD不是原生双PCIe端口，比如Intel目前的部分NVMe SSD就是通过内部PCIe Switch实现的PCIe双端口，走这样的技术捷径必然导致系统可靠性的降低。
NVMe存储系统面临的另外一个挑战是系统级的优化。有人认为NVMe系统只是简单更换成NVMe SSD盘，就可以得到很大系统级性能优势，其实没那么简单，需要重新设计系统IO架构，适应多核并发处理流程，这样才能充分发挥出NVMe的优势。
支撑NVMe闪存，华为在闪存技术的厚积薄发
从2005年开始闪存技术的研究，华为在闪存领域拥有12年的持续积累，凭借多年的技术积累已拥有大量闪存核心专利，是存储行业内拥有SSD盘片级专利最多厂家之一，目前华为是业内唯一具备存储操作系统、控制器、SSD盘全自研的厂商，并针对闪存进行端到端的深度优化，基于华为全面的产品和解决方案、开放的生态，客户可以轻松的享受闪存技术革新带来的业务处理能力。
华为自研SSD支持双端口技术，两个PCIe 3.0X2端口独立，互相不影响，为系统修复和异常处理提供了硬件基础，保证了系统双控冗余性，提升系统的可靠性。
众所周知，PCIe的异常处理非常复杂，尤其是很难保证暴力热拔插时的系统可靠性。华为存储在PCIe积累多年，具备完善的PCIe链路管理、PCIe异常处理技术、PCIe热拔插技术，并提供端到端的PCIe系统可靠性，保证单盘更换或是发生故障时不扩散，保障系统可靠性。
NVMe SSD拔出示意图
如上图所示，NVMe SSD热拔插会导致PCIe进入异常流程，华为OceanStor Dorado V3支持SSD盘在任何时间，以任何方式拔出，实现了业界领先的NVMe系统产品化。并对PCIe驱动做了如下的特殊设计：
?标准处理流程中，只要业务端I/O不停止，AER（Advanced Error Reporting）错误会一直上报，有可能会产生AER错误风暴，导致软件处理流程变得复杂和不及时。华为在PCIe驱动处理流程中会关闭AER，并及时停止I/O，避免错误风暴的产生。
?如果拔盘动作不够干脆，反复重新建链，进而导致反压错误产生。华为在PCIe驱动处理流程可以快速将链路断开，避免错误发生。
?当暴力拔盘，不只是产生Surprise Down错误的时候，DPC（Downstream Port Containment）可以由其他致命错误触发，相比标准处理流程，可以更快断开链路，上层报文可以尽快返回。
?在慢拔盘场景中，通过快速断链技术保证系统稳定。
华为把在存储和硬盘上的多年积累经验继续应用在NVMe系统中，提供完善的介质健康监控和寿命预测，以及软硬件故障监控、修复和隔离措施，为NVMe保驾护航。独有的P3管脚上下电修复功能设计，为硬盘的异常修复提供彻底的解决方案，修复大部分SSD软失效故障，降低故障率。
NVMe的高性能需要系统级优化，华为针对NVMe设计了一套IO调度机制，彻底取消原来IO路径上的盘级互斥锁，避免IO下发时队列锁冲突，大幅提高后端处理性能。IO调度示意图如下，多个线程会和多队列配合实现最佳性能。
NVMe系统IO调度示意图
华为全面迎接NVMe全闪存时代
全闪存时代正在来临，华为OceanStor Dorado V3全闪存存储系统面向企业重载关键应用，具备高达400万IOPS时，仍保持0.5ms稳定时延的卓越性能，在保障系统可靠性的同时，加速企业核心业务。OceanStor Dorado5000 V3基于NVMe协议，新设计的硬件架构支持双端口NVMe SSD，以及硬盘暴力拔插更换，全新的并行软件架构能充分发挥NVMe的高性能优势。
华为OceanStor Dorado5000 V3
华为将全面迎接NVMe全闪存时代，在基于NVMe的存储系统上持续研发，引入新的SCM介质进一步提升系统性能，凭借NVMe over Fabrics实现SSD资源全共享，同时提供前端NVMe接口，优化系统硬件和软件架构，打造更具竞争力的全闪存存储。
原文发布时间为：2017年6月1日
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