بررسی تاثیر فناوری NVMe over Fabrics (NVMe-oF) بر عملکرد سرورهای اچ‌پی

در سال‌های اخیر تحول در زیرساخت‌های ذخیره‌سازی داده شتاب بی‌سابقه‌ای گرفته و فناوری NVMe over Fabrics یا NVMe-oF به عنوان یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های این حوزه مطرح شده است. این فناوری با توسعه قابلیت‌های NVMe به بسترهای شبکه‌ای، امکان ارتباط پرسرعت و کم‌تاخیر میان سرورها و تجهیزات ذخیره‌سازی راه‌دور را از طریق شبکه‌هایی مانند Ethernet ،Fibre Channel و RDMA  فراهم می‌کند.

گسترش استفاده از NVMe-oF در مراکز داده مدرن، به‌ویژه در سرورهای اچ‌پی، نقش مهمی در افزایش کارایی، کاهش تاخیر و بهینه‌سازی مصرف منابع ایفا کرده است. اکنون در اینجا به بررسی تاثیر این فناوری بر عملکرد سرورهای اچ‌پی و جایگاه آن در معماری‌های نوین ذخیره‌سازی می‌پردازیم. همراه ما باشید.

NVMe-oF چه پروتکلی است؟

NVMe over Fabrics یا NVMe-oF یک مشخصه پروتکلی است که برای اتصال میزبان‌ها به تجهیزات ذخیره‌سازی از طریق بسترهای شبکه‌ای طراحی شده و قابلیت‌های NVMe را فراتر از اتصال مستقیم PCIe گسترش می‌دهد. این فناوری با استفاده از ساختار پیام‌محور NVMe، امکان انتقال داده میان سرور و حافظه‌های حالت جامد را با حداقل تاخیر فراهم می‌کند. برخلاف معماری‌های سنتی مبتنی بر SCSI، در NVMe-oF تمرکز بر کاهش سربار پردازشی و بهره‌گیری حداکثری از توان SSDها در محیط‌های شبکه‌ای است.

این پروتکل می‌تواند روی بسترهایی مانند Ethernet، Fibre Channel  و InfiniBand پیاده‌سازی شود و از روش‌هایی مانند RDMA و TCP بهره ببرد. هدف اصلی آن ارائه شبکه ذخیره‌سازی با کارایی بالا، توان عملیاتی چشمگیر و مصرف کمتر منابع پردازنده در سرورهای میزبان است؛ موضوعی که آن را به یکی از تحول‌آفرین‌ترین فناوری‌های مراکز داده مدرن تبدیل کرده است.

مزایای استفاده از NVMe-oF

فناوری NVMe over Fabrics (NVMe-oF) مجموعه‌ای از مزایای قابل توجه را ارائه می‌دهد که به‌طور چشمگیری عملکرد ذخیره‌سازی داده و اجرای برنامه‌های کاربردی را بهبود می‌بخشد. از مهم‌ترین این مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-      کاهش چشمگیر تاخیر

فناوری NVMe over Fabrics  با انتقال دستورات مبتنی بر NVMe روی بستر شبکه، تاخیر دسترسی به داده را به حداقل می‌رساند. در این معماری، مسیر پردازش I/O کوتاه‌تر شده و سربار نرم‌افزاری کاهش پیدا می‌کند. نتیجه آن، پاسخ‌گویی سریع‌تر برنامه‌ها و بهبود محسوس عملکرد سرورهای اچ‌پی در بارهای کاری حساس به زمان است. در محیط‌هایی مانند تحلیل بلادرنگ، پایگاه‌های داده پرتراکنش و مجازی‌سازی سنگین، این کاهش تاخیر می‌تواند تفاوت معناداری در تجربه کاربری و کارایی کلی ایجاد کند.

2-      افزایش پردازش موازی درخواست‌ها

معماری صف‌های چندگانه در NVMe امکان ارسال همزمان تعداد زیادی درخواست ورودی و خروجی را فراهم می‌کند. با گسترش این قابلیت در قالب NVMe over Fabrics، میزبان‌ها می‌توانند به‌صورت موازی با چندین دستگاه ذخیره‌سازی ارتباط برقرار کنند. این ویژگی باعث افزایش توان عملیاتی و استفاده بهینه از منابع سخت‌افزاری می‌شود. پردازش موازی گسترده به‌ویژه در محیط‌های ابری و زیرساخت‌های مقیاس‌پذیر که تعداد زیادی ماشین مجازی یا کانتینر فعال هستند، نقش مهمی در جلوگیری از ایجاد گلوگاه‌های عملکردی ایفا می‌کند.

3-      مقیاس‌پذیری بالا در سطح شبکه

یکی از مهم‌ترین مزایای NVMe-oF، امکان جداسازی لایه پردازش و ذخیره‌سازی و اتصال آن‌ها از طریق شبکه است. این قابلیت به سازمان‌ها اجازه می‌دهد بدون وابستگی به اتصال مستقیم PCIe، ظرفیت ذخیره‌سازی را به‌صورت ماژولار افزایش دهند. استفاده از بسترهایی مانند Ethernet یا Fibre Channel، توسعه زیرساخت را ساده‌تر می‌کند. در نتیجه، مراکز داده می‌توانند با رشد حجم داده‌ها، تنها با افزودن نودهای ذخیره‌سازی جدید، پاسخ‌گوی نیازهای آینده باشند.

4-      بهبود عملکرد کلی سیستم

ترکیب تاخیر پایین، پهنای باند بالا و پردازش موازی در NVMe-oF منجر به افزایش عملکرد کلی سیستم می‌شود. این فناوری می‌تواند کارایی ذخیره‌سازی تحت شبکه را به سطحی نزدیک به ذخیره‌سازی مستقیم ارتقا دهد. در مقایسه با پروتکل‌های قدیمی‌تر مبتنی بر SCSI، مسیر انتقال داده کوتاه‌تر و کارآمدتر است. این بهبود عملکرد نه‌تنها در لایه ذخیره‌سازی بلکه در سطح کل اکوسیستم سرور، شامل پردازنده و حافظه، تاثیر مثبت گذاشته و بهره‌وری عملیاتی را افزایش می‌دهد.

5-      کاهش پشته ذخیره‌سازی سیستم‌عامل

در معماری‌های سنتی، پشته ذخیره‌سازی سیستم‌عامل شامل لایه‌های متعدد پردازشی است که موجب افزایش تاخیر می‌شود. NVMe با طراحی ساده و مبتنی بر صف‌های موازی، این مسیر را کوتاه می‌کند و در قالب NVMe-oF نیز همین مزیت حفظ شده است. کاهش طول مسیر پردازش داده در سمت میزبان، مصرف منابع CPU را کاهش داده و امکان تخصیص توان پردازشی بیشتر به برنامه‌های کاربردی را فراهم می‌سازد. این موضوع در سرورهای سازمانی پرتراکم اهمیت ویژه‌ای دارد.

6-      ارتقای کارایی آرایه‌های ذخیره‌سازی

NVMe-oF تنها در سمت میزبان تاثیرگذار نیست، بلکه کارایی آرایه‌های ذخیره‌سازی را نیز بهبود می‌دهد. سرعت بالاتر انتقال داده و کاهش تاخیر شبکه باعث می‌شود آرایه‌ها بتوانند توان واقعی SSDهای مبتنی بر NVMe را ارائه دهند. این موضوع در سناریوهایی که چندین سرور اچ‌پی به یک استوریج مرکزی متصل هستند، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در چنین شرایطی، بهره‌گیری از فناوری‌هایی مانند RDMA می‌تواند کارایی ارتباط میان سرور و ذخیره‌ساز را به حداکثر برساند.

7-      تسهیل مهاجرت از SAS و SATA به NVMe

بسیاری از سازمان‌ها هنوز از درایوهای مبتنی بر Serial Attached SCSI و Serial ATA استفاده می‌کنند. NVMe-oF امکان گذار تدریجی به ‌SSDهای پرسرعت NVMe را بدون نیاز به تغییر کامل معماری فراهم می‌کند. با پیاده‌سازی این پروتکل در بستر شبکه، سازمان‌ها می‌توانند هم‌زمان از زیرساخت‌های موجود بهره ببرند و به سمت فناوری‌های سریع‌تر حرکت کنند. این رویکرد ریسک مهاجرت را کاهش داده و فرایند نوسازی مراکز داده را مدیریت‌پذیرتر می‌کند.

8-      انواع پیاده‌سازی

NVMe-oF گزینه‌های پیاده‌سازی متنوعی را ارائه می‌دهد که سناریوها و موارد استفاده مختلفی را از تجزیه و تحلیل بلادرنگ گرفته تا سرویس‌های ابری در بر می‌گیرد. این سازگاری تضمین می‌کند که پروتکل می‌تواند نیازهای خاص سازمان شما را صرف نظر از برنامه یا حجم کار برآورده کند.

9-      هزینه کل مالکیت پایین‌تر

در حالی که SSDهای NVMe اغلب گران‌تر از HDDهای سنتی هستند، NVMe-oF می‌تواند با بهینه‌سازی استفاده از سخت‌افزار به کاهش هزینه کل مالکیت کمک کند.

10- پاسخ‌گویی به رشد آینده

با افزایش تقاضا برای ذخیره‌سازی با کارایی بالا، NVMe-oF سازمان‌ها را در موقعیتی قرار می‌دهد که بدون نیاز به بازسازی کامل زیرساخت، نیازهای پردازشی داده‌های آینده را برآورده کنند.

تاثیر NVMe-oF بر عملکرد سرورهای HPE

مزایایی که NVMe over Fabrics ارائه می‌دهد، در سرورهای HPE نیز به‌صورت مستقیم قابل بهره‌برداری است. این فناوری با فراهم کردن دسترسی کم‌تاخیر و پرسرعت به منابع ذخیره‌سازی اشتراکی، باعث افزایش توان عملیاتی، کاهش زمان پاسخ‌گویی و بهبود کارایی کلی سیستم می‌شود. در نتیجه، سرورهای اچ پی می‌توانند بارهای کاری سنگین مانند پردازش تراکنش‌های حجیم، تحلیل داده‌های بلادرنگ و مجازی‌سازی متراکم را با کارایی بالاتری مدیریت کنند.

از طرفی دیگر، معماری مبتنی بر NVMe-oF با کاهش سربار پشته ذخیره‌سازی و بهره‌گیری از مکانیزم‌های موازی‌سازی پیشرفته در NVMe، استفاده بهینه‌تری از منابع پردازنده و حافظه سرور فراهم می‌کند. این موضوع به سازمان‌ها امکان می‌دهد بدون نیاز به افزایش چشمگیر سخت‌افزار، ظرفیت پردازشی و سطح خدمات خود را ارتقا دهند. در مجموع، پیاده‌سازی NVMe-oF در زیرساخت سرورهای اچ پی به معنای دستیابی به عملکرد پایدارتر، مقیاس‌پذیری بالاتر و آمادگی بهتر برای پاسخ‌گویی به رشد آینده داده‌ها است.

نکاتی در خصوص اجرا و پیاده‌سازی NVMe-oF

• ارزیابی آمادگی زیرساخت شبکه:

پیش از اجرای NVMe over Fabrics باید ظرفیت پهنای باند، میزان تاخیر و قابلیت اطمینان شبکه بررسی شود. وجود بستر مناسب مانند Ethernet پرسرعت یا Fibre Channel  به‌روز، نقش مهمی در دستیابی به عملکرد مطلوب دارد. در صورت استفاده از RDMA، سازگاری کامل تجهیزات شبکه ضروری است.

• بررسی آمادگی سرورها و آداپتورها:

سرورها باید از نظر سخت‌افزاری و نرم‌افزاری برای پشتیبانی از NVMe-oF آماده باشند. انتخاب صحیح کارت‌های شبکه یا آداپتورهای میزبان متناسب با معماری انتخابی، مانند پشتیبانی از RDMA، تاثیر مستقیمی بر کارایی و پایداری ارتباط با ذخیره‌سازی خواهد داشت.

• انتخاب صحیح نوع فابریک:

تصمیم‌گیری میان پیاده‌سازی مبتنی بر Ethernet یا Fibre Channel باید بر اساس نیازهای عملکردی، بودجه و ساختار فعلی مرکز داده انجام شود. هر معماری مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد و انتخاب نادرست می‌تواند منجر به افزایش هزینه یا عدم تحقق اهداف کارایی شود.

• تحلیل دقیق سناریوهای کاربردی:

پیش از مهاجرت، باید مشخص شود کدام بارهای کاری بیشترین بهره را از NVMe-oF می‌برند. همه سناریوها، به‌ویژه استقرارهای کوچک یا کاربردهای با وابستگی بالا به ذخیره‌سازی داخلی، لزوما از معماری مبتنی بر فابریک سود نخواهند برد.

• برنامه‌ریزی برای مقیاس‌پذیری آینده:

یکی از اهداف اصلی پیاده‌سازی NVMe-oF، آمادگی برای رشد آینده است. طراحی معماری باید به‌گونه‌ای انجام شود که امکان افزودن منابع ذخیره‌سازی یا افزایش ظرفیت شبکه بدون بازطراحی کامل زیرساخت فراهم باشد و سرمایه‌گذاری سازمان در بلندمدت حفظ شود.

مقایسه NVMe-oF با فناوری‌های قدیمی

فناوری NVMe over Fabrics با هدف انتقال مستقیم دستورات NVMe بر بستر شبکه‌های پرسرعت طراحی شده و از این نظر تفاوت بنیادینی با پروتکل‌های قدیمی دارد. در معماری‌های سنتی مانند iSCSI یا Fibre Channel مبتنی بر SCSI، مسیر پردازش I/O طولانی‌تر است و سربار نرم‌افزاری بیشتری به سیستم تحمیل می‌شود. این پروتکل‌ها در زمانی توسعه یافتند که هارددیسک‌ها رسانه غالب ذخیره‌سازی بودند. NVMe-oF با استفاده از بسترهایی مانند RDMA یا FC-NVMe، این محدودیت‌ها را کنار زده و تاخیر را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد، در نتیجه عملکرد واقعی SSDها در محیط‌های شبکه‌ای قابل دستیابی می‌شود.

از منظر فنی، تفاوت در ساختار صف‌ها و مدل پردازش درخواست‌ها بسیار قابل توجه است. NVMe از هزاران صف موازی با عمق بالا پشتیبانی می‌کند، در حالی که فناوری‌های قدیمی مبتنی بر SAS یا SATA اغلب به یک صف محدود با تعداد دستور کم متکی هستند. این موضوع به‌طور مستقیم بر میزان IOPS و استفاده از منابع پردازنده اثر می‌گذارد. NVMe-oF همچنین انعطاف‌پذیری بیشتری در انتخاب بستر انتقال ارائه می‌دهد و می‌تواند روی Ethernet ،Fibre Channel یا حتی TCP/IP پیاده‌سازی شود. در مجموع، این فناوری سرعت و تاخیر NVMe محلی را به شبکه منتقل می‌کند؛ قابلیتی که استانداردهای قدیمی اساسا برای آن طراحی نشده بودند.

جمع‌بندی نهایی

NVMe over Fabrics را می‌توان یکی از تحول‌آفرین‌ترین فناوری‌های ذخیره‌سازی در سال‌های اخیر دانست که مزایای NVMe را به محیط‌های شبکه‌ای گسترش می‌دهد. ترکیب سرعت بالا، تاخیر بسیار کم و قابلیت مقیاس‌پذیری، این فناوری را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهایی مانند محاسبات با کارایی بالا، مراکز داده مدرن و سرویس‌های مالی تبدیل کرده است. NVMe-oF امکان استفاده بهینه از‌SSDهای پرسرعت را در معماری‌های اشتراکی فراهم می‌کند و محدودیت‌های مدل‌های سنتی ذخیره‌سازی را کنار می‌زند.

این قابلیت‌ها در زیرساخت‌های مبتنی بر سرورهای HPE نیز به‌طور کامل قابل بهره‌برداری است و به سازمان‌ها کمک می‌کند عملکرد پایدارتر و قابل پیش‌بینی‌تری را تجربه کنند. پشتیبانی NVMe-oF از بسترهایی مانند RDMA، Fibre Channel و TCP/IP، انعطاف‌پذیری لازم برای انطباق با نیازهای متنوع شبکه را فراهم می‌سازد. در نهایت با توجه به رشد مداوم حجم داده‌ها و بارهای کاری پیشرفته، NVMe-oF نقش کلیدی در پاسخ‌گویی به الزامات عملکرد و مقیاس‌پذیری آینده در سرورهای اچ پی ایفا خواهد کرد.