基于FMS2018上NVMe的演讲及NVMe1.4的规划

FMS2018已经过去了，但是闪存的热度并没有消退。NVMe组织在FMS2018上通过8个演讲对NVMe、NVMe-oF、NVMe-MI、JBOF以及NVMe基准测试等话题进行了介绍。在其官网上有这次演讲的PPT（据说视频也会更新上来）。接下来通过NVMe 组织在FMS2018上的主旨演讲看下未来一年NVMe的演进重点。

NVMe协议族的路线图（点击看大图，下同）

从上图可以看到当前NVMe一些主要的特性和下一步将要做的重点。这篇文章就说NVMe 1.4的两大更新。NVMe官网最新的一版NVMe标准是1.3c，发布于2018年5月24日。而今年第四季度以及2019年，NVMe1.4版本将是NVMe标准化组织工作重点，此次更新的重点包括IO Determinism、PMR以及多路径访问共享命名空间。

关于命名空间（namespace）

命名空间（namespace）是NVMe协议中一个基本的逻辑空间的概念，简单地说命名空间将NVMe SSD的用户空间进行逻辑划分，每个命名空间拥有自身的NAND，可以独立的进行格式化和加密等操作。

IO Determinism：NVMe这样提高QoS

NVMe协议将在1.4版中通过定义IO Determinism，实现对SSD的物理介质资源精细化管理和控制。在没有IO Determinism时，多个APP由1个SSD承载，虽然多个APP访问不同的namespace，但是不同namespace是共享底层channel和Die的。

IO Determinism应用前后负载访问盘的变化（这张图也是下图测试结果的一个测试方案）

有了IO Determinism之后，NVMe协议可以将整块SSD的物理空间划分为多个NVM Set，每个NVM Set可以包含1到多个Channel和Die，不同的NVM Set的擦除、读写都是相互独立的，最终不同的Set供不同的App使用（如上图中右侧）。如此一来，应用之间不会互相干扰，性能和延迟也可以得到更好的保障。Facebook在FMS2018上发布了关于NVMe SSD实现 IO Determinism详细的测试结果，如下图：

Facebook对IO Determinism应用后的测试结果

从上图Facebook对IO Determinism的测试结果可以看出，读延迟QoS在IO Determinism应用后有了8倍的提升（具体的测试说明可以参看相关阅读中Facebook在FMS2018上的演讲PPT）。此外，如今NVMe SSD单盘容量不断提升（Memblaze的PBlaze5 910/916可以做到15.36TB），IO Determinism将一块大盘分为多个“小盘”，供上层多个应用使用，提高了资源的利用率。

NVMe多路径访问共享命名空间

NVMe多路径访问共享命名空间的意思是单个或多个主机可以通过不同的NVMe Controler访问同一个Namespace。下图是一个基本的原理。

这一特性会影响到未来闪存阵列等存储系统的设计。当前高可用的NVMe存储系统多使用双端口NVMe SSD，并采用如下方案实现：

NVMe1.4以后有了多路经访问特性，高可用的存储系统就可以结合NVMe SSD的双端口实现下图这样的高可用方案。每一个Contorller都可以看到NVMe SSD一个Port的两条路径，这需要NVMe SSD支持多路经功能。

这与SAS时代实现高可用系统的理念类似，只是从Switch到盘的性能都有了质的提升。JBOD也升级到了JBOF/FBOF。业务连续和数据的完整性是企业客户对存储系统的重要诉求，要打造高可用方案，Memblaze在双端口的研发上已经有诸多积累，相关的讨论和技术解读可以看文末关于双端口的文章。

最后，NVMe协议还有NVMe-MI和NVMe-oF两个重要的分支，分别定义了NVMe SSD管理命令和网络层面的规范。未来这两个分支也会有所演进，NVMe-MI将允许应用通过In-Band方式向NVMe 子系统（一般为NVMe SSD或者多块NVMe SSD组成的组）发送NVMe-MI Send和NVMe-MI Receive两个新的命令，获取子系统的基本信息。这些信息之前多由BMC系统获取。这一新的特性提高了应用获取底层SSD状态信息的能力，可以更高效的感知NVMe 子系统的健康状态。

NVMe-oF也会开始支持NVMe Over TCP，这部分内容将在后续的文章中进行详细的阐述。