İşletmelerin NVMe ürünlerini tercih etmeden önce bilmesi gerekenleri ve flash depolama için nasıl bir plan yapılması gerektiğini inceliyoruz.
Yıllardır SAS ve SATA HDD’ler veri merkezlerinin depolama tercihi oldu. Ancak NAND flash yongaların ortaya çıkışıyla birlikte SAS ve SATA depolama protokolleri performans sınırlarına ulaştı. Flash yongalardan maksimum performansı almak için endüstri NVMe protokolünü ortaya çıkardı. Bu mimari sayesinde depolama birimi üreticileri ve kullanıcılar hem protokolün hem de SSD’lerin yararlarını görmeye başladı.
NVMe Protokolünün Geçmişi
Depolama cihazı protokolleri hem sunucular hem de tüketicilere yönelik ürünler için ortaya çıkarılıyor. Advanced Technology Attachment (ATA), PC mimarisi için geliştirildi ve daha sonra PATA olarak adlandırıldı. Daha sonra SATA teknolojisi ortaya çıktı. SCSI, 1970’li yılların sonunda HDD’lerin ve teyp gibi diğer depolama birimlerinin sunuculara bağlanması için geliştirildi. Daha sonra bu protokol geliştirilerek Serial-Attached SCSI (SAS) ortaya çıkarıldı.
SCSI, fiber kanal temelli depolama ağlarının ve iSCSI Ethernet ağlarının temelinde yer alan depolama protokolüdür. NVMe teknolojisinin depolama ağları üzerindeki etkisine de yazımızda yer vereceğiz. SAS ve SATA protokollerini çalıştırmak için konak adaptör ve yonga kontrolcüsü gerekiyor. Bu, fiber kanal ağlar ve iSCSI için de geçerli.
SAS ve SATA, fiziksel depolama araçlarının işlemcilere ve sistem belleğine göre daha yavaş olduğu zamanlarda geliştirildi. Sabit disk erişim zamanı milisaniyeler düzeyinde ölçülüyordu. Bellek ise milyon kez daha hızlıydı. NAND flash SAS ve SSD cihazlarıysa 100 mikrosaniye düzeyinde erişim zamanına sahip. Geleneksel sabit disklere göre bu, çok daha fazla hız demek.
HDD teknolojisinden SSD’lere geçilmesiyle birlikte SAS ve SATA protokollerindeki eksiklikler ortaya çıkmaya başladı. Her iki protokol de girdi çıktı işlemlerine erişmek için tek bir kuyruk sunuyor. SATA protokolünün kuyruk derinliği 32 iken SAS’ın 254 civarında. Ancak I/O için tek bir kuyruğa sahip olmak NAND flash birimlerin paralel işlem yeteneklerini tam olarak kullanamamak anlamına geliyor.
NVMe Nedir?
NVMe, SAS ve SATA’Nın eksiklik ve kısıtlılıkları göz önünde bulundurularak geliştirilen yeni bir protokoldür. İşlemciye daha doğrudan bir bağlantı, optimize edilmiş I/O kanalları ve basitleştirilmiş yazılım bu geliştirmeler arasında yer alıyor. NVMe cihazları PCIe kök bölümüne bağlanacak şekilde tasarlanmıştır. ve böylelikle işlemciye daha yakın yer alır. Bu sayede gecikmeler azalıyor ve uzaktan bağlanmış cihazlarla iletişim kurmak için yeni yollar ortaya çıkıyor.
Depolama birimi üreticileri, NVMe protokolünü birçok form faktörüne uyumlu şekilde ekledi. PCIe kartları, NVMe arayüz adaptörü gerektiren 2.5 inç’lik sürücüler, daha küçük M.2 cihazları bu form faktörlerine örnek olarak verilebilir. Güç, alan ve performans gereksinimlerine göre bunlar arasından seçim yapmak gerekiyor. M.2 ve PCIe kartlarını bilgisayar çalışırken güvenli bir şekilde söküp takmak mümkün değildir.
NVMe paralel işlem yetenekleri sayesinde 64,000’e kadar I/O kuyruğu destekliyor. Üstelik her kuyruk da 64,000’e kadar işleme sahip olabiliyor. Paralel yürütülen işlemler sayesinde en iyi bant genişliği elde ediliyor.
Kuyruğa alınan işlemler için yeni sinyal yöntemleri de mevut. Kapı zili konseptiyle birlikte I/O işlemi tamamlandığı zaman NVMe cihazı konak cihaza sinyaller gönderiyor. Konak cihaz işlem durumunu sürekli olarak kontrol etmek zorunda kalmıyor. Böylelikle CPU iş yükü azalıyor ve her I/O işlemini yürütmek için gerekli süre kısalıyor.
Yeni Depolama Mimarileri
NVMe SSD’lerin ortaya çıkışıyla birlikte yeni depolama mimarileri de piyasada yer almaya başladı. Dell EMC, HP Enterprise gibi sunucu üreticileri PCIe slotlarında ya da 2.5 inç form faktörüne yönelik adaptör kartlarla birlikte NVMe sürücülere destek vermeye başladı. Çoğu işletim sistemi de NVMe desteği sunuyor. Böylelikle uyumluluk sorunu da minimum düzeyde tutuluyor.
VMware vSphere gibi platformlar da NVMe desteği sunuyor. Hyper-converged Infrastructure (HCI) sistemlerinde de NVMe sayesinde ciddi performans artışı sağlandı.
Bazı üreticiler ürünlerini NVMe uyumlu olarak duyurdu. Bu basitçe ürünlerin NVMe bağlantı özelliklerini ve SAS, SATA’daki hatalı sürücülerin sistemi kapatmadan değiştirilmesi ya da dinamik olarak sürücü eklenmesi gibi özellikleri desteklediğini ifade ediyor.
Tek bir NVMe cihazı; 300,000’den fazla rastgele okuma IOPS, 40,000-50,000 rastgele yazma IOPS, saniyede 3 gigabayt okuma ve 1 gigabayt yazma iş gücüne ulaşabiliyor. En iyi işlemciler ve donanımlarla bile NVMe olmadan, SAS ve SATA protokolleri ile bu cihazların tam kapasitesine ulaşmak mümkün değil.
SAS ve SATA’nın kısıtlılıkları NVMe ile aşılmış olsa da kontrolcü temelli mimari de ileride darboğaz oluşturacaktır. Bu sorunu yeni mimarilerle ya da yöntemlerle aşmak mümkün olabilir.
Ayrılmış Depolama Birimleri
Bazı üreticiler, özellikle de piyasaya yeni giren şirketler veri ve kontrol yollarını ayırma çözümünü tercih ediyor. Bu yaklaşım, konak sunucuların yüksek hızlı ağlarla birlikte NVMe sürücülerine doğrudan yazma işlemi yürütmesine olanak sağlıyor. Converged Ethernet ağı üzerinde Remote Direct Memory Access teknolojisini ya da Internet Geniş Alan RDMA protokolünü kullanarak konak sunucular, NVMe sürücüleriyle geleneksel depolama kontrolcüsüne ulaşmadan direkt olarak iletişim kurabiliyor.
E8 Storage, Apeiron Data Systems gibi şirketler NVMe SSD’ler içeren yeni depolama ürünleri sunuyor. Veri akışı 40 ya da 100 gigabit ethernet ve arada kontrolcü olmadan sağlanıyor. Böyle bir yapılandırmayı desteklemek için sunucunun RDMA özelliğine ya da InfiniBand uyumlu ağ kartlarına ihtiyacı var. Ayrıca üretici tarafından sağlanan yazılım ve sürücülere de gereksinim duyuluyor.
Excelero ise farklı bir yol izleyerek hyper-convergence için kullanılabilen bir yazılım temelli çözüm sunuyor. NVMesh yazılımı, çok sayıda sunucunun ethernet ya da InfiniBand aracılığıyla birbirine bağlanmasını ve herhangi bir sunucunun NVMe cihazına yazmasını sağlıyor. Excelero, Remote Direct Drive Access (RDDA) protokolünü kullanıyor ve her NVMe sürücüsünün %100’e yakın performansla kullanılmasını sağlıyor.
Klasik Depolama Alan Ağları
NVM Express grubu, NVMe teknolojisinin fiber kanal ağlarında kullanılmasını sağlayacak bir standardı geliştiriyor. Bu standarda FC-NVMe ismi verilmiş. Yeni standartla çalışan ürünler geriye yönelik uyumluluk da sağlayacak. Ancak geriye yönelik uyumluluğun da belirli sınırları olacak.
FC-NVMe standardı sayesinde var olan teknolojiye destek sağlanırken, SCSI protokolü yerine NVMe protokolünün performans kazancından yararlanılacak. Böylelikle fiber kanal ağ ürünlerini değiştirmek zorunda kalmayacaksınız.
Kullanım Alanlarını Belirlemek
SSD’ler ve all-flash array (AFA) piyasaya çıktığında oldukça pahalıydı. SSD’ler başta sunucu ön belleği olarak ya da gecikmenin sorun olduğu belirli uygulamalar için kullanılıyordu. Daha sonra SSD’lerden AFA sistemlerinde de yararlanılmaya başlandı.
NVMe teknolojisinin kullanımı da benzeri bir yol izleyecek. Uygulama performansını artırmak ve düşük gecikme sağlamak için sunucularda NVMe kullanılmaya başlanacak. HDD’den SSD’ye geçişle karşılaştırıldığında NVMe teknolojisi uygulama maliyetini azaltacak ve daha iyi kaynak kullanımı sağlayacak.
AFA sistemler için de NVMe gecikmeyi iyileştirecek ve verimi artıracak. Bahsettiğimiz ayırma yöntemini kullanmak da gecikmeyi iyileştirebilir ancak AFA sistemleri sıkıştırma, çift dosya ayıklama gibi birçok ek özellik içeriyor. Ancak bu sistemlerin maliyetleri yüksek olduğu için NVMe teknolojisinin kullanılmaya başlanması zaman alabilir.
Şu an için yüksek frekanslı finansal alım satım işlemlerinde, yüksek performanslı analizlerde ve gecikme duyarlı uygulamalarda NVMe teknolojisinden faydalanılıyor. I/O yanıt süresinin önemli olduğu karşılaştırmalı veri tabanları için de NVMe kullanımı uygun olabilir.
İşletmenizi NVMe teknolojisine geçirip geçirmemek gereksinimlerinize bağlı. NVMe SSD’ler ve Optane sürücüleri depolama yöneticilerinin performans ve dayanıklılık için başvurduğu araçlar arasında yerini aldı. NVMe teknolojisinin anlattığımız faydalarına ihtiyacınız varsa maliyeti de göz önünde bulundurarak geçiş yapabilirsiniz.
