小白秒懂系列-NVMe与传统存储架构的对比

写在前面

最近在研究DELL EMC的PowerStore存储，由于脑子里面很多都是过去的知识架构，磁盘有问题，总是去找SCSI报错，但发现没有任何相关的内容。回过头来再看，其实问题就在于存储架构发生了变化。以前是传统的SAS或者更老的FC的后端存储架构，现在已经演进到了NVMe的架构。这篇文章就是从大的方面介绍下NVMe和SAS架构的差异对比。

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在企业级存储领域，NVMe（非易失性存储器标准）架构已成为一项革命性技术，广泛应用于现代存储系统，如Dell EMC，NetApp 和HUAWEI等。对于初学者来说，理解NVMe架构与传统存储架构（如基于SAS或SATA的系统）的差异，是掌握现代存储技术的关键。本文将探讨NVMe与传统存储架构（以SAS为主）在设计、性能和应用场景上的差异，帮助新手快速入门。

一、什么是NVMe架构？

NVMe是一种专为闪存存储（SSD）设计的高性能存储协议，由NVM Express组织于2011年推出。它利用PCIe总线直接连接到CPU，充分发挥了现代SSD的高速特性，消除了传统存储协议的瓶颈。注意这里呀，是通过PCIe总线直接和CPU打交道，没有了中间的RAID控制器。

NVMe架构的核心特点

1. 直接CPU连接：NVMe SSD通过PCIe总线与CPU直接通信，无需传统存储控制器。
2. 高并行性：支持多达65,535个命令队列，每个队列可容纳65,536个命令，适合高并发I/O操作。
3. 低延迟：通过简化通信路径，NVMe将延迟降低至10-20微秒。
4. 高带宽：例如，PCIe 4.0 x4通道提供高达8GB/s（约64Gbps）的理论吞吐量，PCIe 5.0可达16GB/s。

二、什么是传统存储架构？

传统存储架构通常基于SAS（串行SCSI）或SATA（串行ATA）接口，最初为机械硬盘（HDD）设计。这些系统通过专用存储控制器（如HBA或RAID控制器）管理多个驱动器，广泛应用于传统企业存储阵列。

传统架构的核心特点

1. 控制器驱动设计：SAS/SATA系统通过存储控制器协调CPU与驱动器之间的通信。
2. 高扩展性：SAS通过扩展器支持连接数十甚至上百个驱动器，SATA扩展能力较弱。
3. 高可靠性：SAS支持双端口和故障转移，适合关键任务应用。
4. 成熟的管理工具：提供热插拔、RAID配置和存储阵列维护的丰富功能。

三、NVMe与传统架构的差异

为帮助大家理解，从以下几个关键维度比较NVMe与传统架构（以SAS为主）：

特性	NVMe	SAS（传统架构）
协议基础	专为闪存设计的轻量级协议	基于SCSI的传统协议
连接方式	通过PCIe直接连接到CPU	通过HBA或RAID控制器连接
带宽	PCIe 4.0 x4：8GB/s（64Gbps）	SAS-3：12Gbps，SAS-4：24Gbps
延迟	极低（10-20微秒）	较高（约100微秒）
并行性	65,535个队列，每个队列65,536命令	单队列（最多256命令）或少量队列
扩展性	受PCIe通道数限制，需交换机扩展	通过扩展器支持大规模连接
可靠性	依赖软件RAID或集群冗余	硬件双端口和故障转移
适用场景	高性能计算、AI、数据库	大型存储阵列、混合存储系统

1. 性能差异

• NVMe：通过PCIe的高带宽和NVMe协议的高并行性，NVMe SSD在随机读写性能（IOPS）上表现卓越。例如，企业级NVMe SSD可实现50万IOPS以上，读写速度可达5-7GB/s。
• SAS：受限于SCSI协议和控制器的开销，SAS SSD的IOPS通常在10-20万，读写速度约为1-1.5GB/s。传统架构在高并发场景下容易出现瓶颈。

初学者理解：NVMe像一条多车道的高速公路，允许大量车辆（数据）同时快速通行；SAS则像一条较窄的公路，通行效率较低。

2. 延迟差异

• NVMe：NVMe架构消除了传统存储控制器（如HBA），CPU直接与SSD通信，减少了命令处理和数据传输的延迟。这对实时应用（如数据库查询）至关重要。
• SAS：SAS依赖控制器转换SCSI命令，增加了额外的处理时间，导致延迟较高。

举个例子：NVMe就像直接拨打朋友的电话，沟通迅速；SAS像是通过中介传递消息，耗时更长。

3. 扩展性与成本

• NVMe：扩展受限于主板的PCIe通道数（例如，服务器CPU可能提供128条通道）。连接更多SSD需要PCIe交换机或NVMe-oF（NVMe over Fabrics），成本较高。
• SAS：通过SAS扩展器expander，一个控制器可连接上百个驱动器，扩展成本较低，适合大规模存储阵列。

举个例子：NVMe像高端跑车，性能强劲但扩展需要更多“跑道”（PCIe通道）；SAS像大巴车，能载更多乘客（驱动器），成本效益高。

4. 管理与复杂性

• NVMe：管理依赖操作系统驱动（如Linux的nvme-core）或存储系统软件（如PowerStoreOS）。NVMe-MI（管理接口）提供带外管理，但工具仍在发展中。
• SAS：提供成熟的管理工具，如热插拔支持和专有存储管理软件，适合传统企业环境。

举个例子：NVMe是新式智能手机，功能强大但需要学习新界面；SAS是老式座机，操作简单但功能有限。

四、NVMe SSD与SAS SSD的差异

虽然NVMe SSD和SAS SSD都是基于闪存的存储设备，但它们的性能和用途差异显著：

特性	NVMe SSD	SAS SSD
接口	PCIe（U.2、M.2、E3.S等）	SAS（2.5英寸或3.5英寸）
速度	5-7GB/s	1-1.5GB/s
IOPS	高达50万+	10-20万
功耗	较低（约0.08W平均）	较高（约0.28W平均）
成本	每GB成本较高	每GB成本较低
应用	高性能数据库、AI、虚拟化	企业存储阵列、备份、归档

举个例子：NVMe SSD像跑车，速度快但价格高，适合高性能任务；SAS SSD像货车，容量大且便宜，适合大量数据存储。

从存储角度来看，NVMe的SSD磁盘都是以U.2的接口形式出现，对于很多的boot device，就是启动盘，都以M.2的接口形式出现。

五、NVMe的优势

现代存储系统采用全NVMe架构，充分体现了其优势：

• 极致性能：利用NVMe SSD提供亚毫秒级延迟，满足数据库、虚拟化和容器化应用的苛刻需求。
• 高效扩展：通过NVMe-oF，支持跨网络的高性能存储访问，适应云和边缘计算场景。
• 未来兼容性：NVMe支持PCIe 5.0及更高版本，具备长期演进潜力，确保投资可持续性。
• 软件定义RAID：由于不使用RAID控制器，所以对于企业级存储RAID的实现，基本上会采用软件RAID的方式，比如EMC的PowerStore通过Dynamic Resiliency Engine（DRE）以软件实现RAID，取代传统硬件RAID控制器，提供灵活性和高性能。

相比之下，传统SAS架构在高并发、小块随机I/O场景下难以匹敌，逐渐被NVMe取代。

六、如何理解NVMe？

可以将NVMe与传统架构比喻为交通工具：

• NVMe：像一列直达高铁，车道宽（PCIe高带宽）、车厢多（多队列并行）、直达目的地（直接连接CPU），适合快速运送大量货物（高性能应用）。
• SAS：像一辆长途大巴，车道窄（SCSI协议限制）、座位少（队列有限）、需经过中转站（控制器），但适合连接多个站点（高扩展性）。

NVMe的出现是为了充分发挥SSD的潜力，尤其是在数据量激增、实时处理需求增加的现代企业环境中。选择NVMe还是SAS取决于具体需求：追求极致性能和未来兼容性，选择NVMe；需要大规模存储和成本效益，SAS更合适。

写在最后

NVMe架构通过PCIe总线、低延迟协议和高并行性，正在重塑企业级存储的格局。与传统SAS架构相比，NVMe在性能（带宽、IOPS、延迟）、现代化设计和未来兼容性上具有显著优势，尤其适合高性能计算、AI和数据库等场景。传统SAS架构凭借高扩展性、可靠性和成熟管理，仍在大型存储阵列中有其价值。

对于小白们，理解NVMe的关键在于：它是一款为闪存时代量身定制的协议，旨在消除传统存储的瓶颈。随着PCIe技术的进步和NVMe标准的演进，NVMe将成为企业存储的主流。希望本文能帮助你清晰认识NVMe及其在存储领域的价值！有了NVMe架构的理解，后面再去理解RAID，Drive等就有了基础。