DPU應用場景系列（二）存儲功能卸載

一、NVMe-oF硬件加速

NVMe over Fabric（又名NVMe-oF）是一個相對較新的協議規范，旨在使用NVMe通過網絡結構將主機連接到存儲，支持對數據中心的計算和存儲進行分解。NVMe-oF協議定義了使用各種通用的傳輸協議來實現NVMe功能的方式。

在NVMe-oF誕生之前，數據存儲協議可以分為三種：

（1）iSCSI：是一種基于IP的存儲網絡標準，在TCP/IP網絡上通過發送SCSI命令來訪問塊存儲服務。

（2）光纖通道（Fibre Channel）：是一種高速的數據傳輸協議，提供有序無損的塊數據傳輸。主要用于關鍵高可靠要求的業務上。

（3）SAS（Serial Attached SCSI）：一種點對點串行協議，通過SAS線纜傳輸數據。

上述數據存儲協議，在當今數據爆發的時代，已經無法滿足大數據量的傳輸。NVMe-oF的出現，不僅解決了上述協議的性能瓶頸問題，它還允許組織為高度分布式、高度可用的應用程序實施橫向擴展的存儲。通過將NVMe協議擴展到SAN設備，NVMe-oF提高了CPU的使用效率，同時提高了服務器和存儲應用程序之間的連接速度。

NVMe-oF主要支持三大類Fabric傳輸選項，分別是FC、RDMA和TCP，其中RDMA支持InfiniBand、RoCEv2和iWARP。

NVMe-oF/FC和第六代FC可以共存于同一基礎設施中，避免了數據中心的叉車升級。但是，NVMe-oF/FC不具有軟件定義存儲的能力。

NVMe-oF/RDMA利用了RDMA網絡的優勢，是理想的Fabric，提供了低延遲、低抖動和低CPU使用率低傳輸層協議，可以最大限度利用硬件加速，避免軟件協議棧開銷。同時，由于RDMA是一種內存讀寫技術，可以應用在眾多場景中，如GPUDirect Storage的應用場景。

NVMe-oF/TCP利用了TCP協議的可靠性傳輸的特點，以及TCP/IP網絡的通用性和良好的互操作性，可以完美的應用于現代數據中心網絡。在相對性能要求不是非常高的場景，NVMe-oF/TCP可作為備選。

NVMe支持Host端（Initiator或Client）和Controller端（Target或Server），目前DPU智能網卡硬件加速的場景中，包括如下四種情況：

（1）普通智能網卡硬件加速NVMe-oF Initiator。智能網卡支持NVMe-oF/TCP和NVMe-oF/RoCEv2作為Initiator，通過硬件卸載NVMe-oF/TCP或NVMe-oF/RoCEv2，用于計算和存儲之間，來達到較高性能。

（2）支持GPUDirect Storage的智能網卡加速NVMe-oF Initiator和Target。GPUDirect Storage是NVIDIA提出的GPU可以繞過CPU直接訪問存儲磁盤的技術，RDMA技術是GPUDirect Storage的基礎。這類網卡可以通過硬件卸載NVMe-oF/RDMA來實現GPU與遠端存儲服務的直接訪問。常見的如NVMe-oF/RDMA IB和NVMe-oF/RoCEv2。

（3）智能網卡硬件加速NVMe-oF Target。該場景主要是通過智能網卡提供PCIe Root Complex能力和NVMe-oF Controller端的硬件卸載加速，來實現NVMe存儲服務器。如Broadcom Stingray PS1100R是這個場景的代表之一。

（4）DPU芯片硬件加速NVMe-oF Target。該場景是通過DPU芯片提供多個PCIe Root Complex通道以及多個100Gbps的網卡實現的超大吞吐的存儲服務器。Fungible FS1600 12x100Gbps帶寬吞吐的存儲服務器是這個場景的典型代表。

圖NVMe-oF硬件卸載方式

OpenStack從Rocky版本已經支持了NVMe-oF，通過OpenStack Cinder通過消息在NVMe-oF Target上來創建，查詢和刪除卷等，OpenStack Nova在主機上通過NVMe-oF Initiator發現NVMe-oF存儲設備，并將存儲設備信息傳遞給Hypervisor來實現虛擬機掛載磁盤。另外，OpenStack集成Ceph做塊存儲和對象存儲已經非常成熟，Ceph的后端存儲也漸漸的從使用本地磁盤的方式轉向遠端NVMe存儲，這樣NVMe-oF為Ceph存儲服務提供了容量可伸縮的能力。

二、Virtio-blk硬件加速

基于virtio的virtio-blk是KVM-Qemu虛擬化生態中的虛擬化塊存儲的一種實現方式，利用了virtio共享內存的機制，提供了一種高效的塊存儲掛載的方法。GuestOS內核通過加載virtio-blk驅動，實現塊存儲的讀寫，無需額外的廠家專用驅動。Virtio-blk設備在虛擬機以一個磁盤的方式呈現，是目前應用最廣泛的虛擬存儲控制器。

圖基于vDPA架構的virtio-blk硬件卸載

由于virtio機制通過硬件實現加速已經是通用做法，所以利用這個優勢，virtio-blk卸載到硬件，已經是必然趨勢。在智能網卡中，將virtio-blk到后端映射到如NVMe-oF的遠端磁盤上，這樣相比較當前virtio-blk的用法，不需要在主機系統中掛載很多的遠端NVMe磁盤，由智能網卡直接完成映射，更加安全。

在2021年KVM論壇會議中，Redhat提出統一軟硬件卸載virtio-blk方案，正式將virtio-blk加入vDPA框架，同virtio-net公用相同的框架，來完成硬件卸載控制平面。