In einer Welt, in der Daten jeden Aspekt unseres Lebens bestimmen, sind Geschwindigkeit und Effizienz von größter Bedeutung. Das exponentielle Datenwachstum in Verbindung mit der Zunahme von Echtzeitanwendungen und -auswertungen erfordert Speicherlösungen, die damit Schritt halten können. Herkömmliche Speichertechnologien sind durch ihre Architektur und Interface-Engpässe eingeschränkt und können nicht die Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit liefern, die für die heutigen datenintensiven Arbeitslasten nötig sind.
NVMe (Non-Volatile Memory Express) hat sich zu einer bahnbrechenden Technologie entwickelt, die die Speicherung revolutioniert, die Datenübertragungsgeschwindigkeit drastisch beschleunigt, Latenzzeiten reduziert und einen nahezu sofortigen Zugriff auf Daten ermöglicht. Mit diesem Blog wollen wir einen Überblick über die NVMe-Technologie, ihre Vorteile und Best Practices zur Maximierung ihres Potenzials geben.
Was ist NVMe?
NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist ein Protokoll, das speziell für leistungsstarke Solid-State-Laufwerke (SSDs) und moderne Speichergeräte entwickelt wurde. Im Kern nutzt NVMe einen optimierten Befehlssatz und ein skalierbares, paralleles Design, um die niedrigen Latenz- und Hochgeschwindigkeitseigenschaften des NAND-Flash-Speichers voll auszunutzen. Die Architektur beseitigt alte Engpässe, maximiert das volle Potenzial von SSDs und gewährleistet außergewöhnliche Leistung und Reaktionsfähigkeit.
Schauen wir uns die vier Schlüsselelemente einer NVMe-Installation an:
- NVMe Controller: Fungiert als Interface zwischen Host und SSD und verwaltet Befehlsausführung, Datenübertragungen und Fehlerbehebung. Er implementiert verschiedene Datenschutzmechanismen, wie zum Beispiel Fehlerkorrekturcodes und End-to-End-Datenintegritätsprüfungen.
- NVMe Treiber: Stellt die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und dem NVMe-Controller her und ermöglicht Befehlsübermittlung, Warteschlangenverwaltung und Datenübertragung. Er ermöglicht die effiziente Nutzung der zugrunde liegenden Hardware und die nahtlose Integration von NVMe-Laufwerken in die Speicherumgebung.
- NVMe Warteschlangenmodell: Ermöglicht effiziente parallele Datenübertragungen durch Übermittlungs- und Abschlusswarteschlangen und unterstützt erweiterte Funktionen (z. B. mehrere Warteschlangen, Interrupt-Zusammenführung und Doorbell-Register) für eine optimierte Befehlsverarbeitung und reduzierte Latenz. Zum Vergleich: NVMe kann bis zu 64.000 Warteschlangen und 64.000 Befehle pro Warteschlange aufnehmen, während herkömmliche Festplatten je nach Technologie auf eine einzige Befehlswarteschlange mit bis zu 256 Befehlen beschränkt sind.
- PCIe Interface: Ermöglicht die Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen dem Hostsystem und NVMe-fähigen Geräten und bietet im Vergleich zu herkömmlichen Storage Interfaces eine höhere Bandbreite und geringere Latenz. Im Vergleich zu SATA, das für die Datenübertragung auf einer einzelnen Lane basiert, nutzt die PCIe-Interface bis zu vier Lanes und maximiert so den Datendurchsatz.
Nutzen und Vorteile von NVMe
Wie bereits erwähnt, ist einer der herausragenden Vorteile von NVMe seine Fähigkeit, unglaublich niedrige Latenzzeiten und hohen Durchsatz zu liefern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Storage Interfaces beseitigt NVMe die durch ältere Protokolle verursachten Engpässe, sodass Speichermedien ihr volles Potenzial entfalten können. So ergeben sich ein schnellerer Datenzugriff, kürzere Antwortzeiten der Anwendungen und eine verbesserte Systemperformance – verbunden mit zufriedeneren Endbenutzern und erhöhter Produktivität. Aus diesem Grund ist NVMe ideal für Anwendungen, die Hochleistungsspeicher erfordern, wie Datenbanken, Virtualisierung und Auswertungen, KI/ML usw.
Während sein optimiertes Design den Befehlsaufwand minimiert und die I/O-Effizienz maximiert, ist NVMe auch energieeffizient, was zu einem geringeren Energieverbrauch und niedrigeren Betriebskosten führt. Durch die Unterstützung von Sicherheitsprotokollen wie Verschlüsselung und Zugriffskontrollen zum Schutz sensibler Daten gewährleistet NVMe Schutz vor unbefugtem Zugriff. NVMe umfasst außerdem erweiterte Mechanismen zur Fehlererkennung und -korrektur, die die Datenintegrität gewährleisten und das Risiko von Datenverlust oder -beschädigung minimieren.
NVMe: Nicht zu verwechseln mit NVME over Fabrics (NVMe-oF)
Während das NVMe-Protokoll für den lokalen Speicherzugriff über PCIe entwickelt wurde, erweitert NVMe-oF die Vorteile von NVMe über eine Netzwerkstruktur und ermöglicht den Fernzugriff auf NVMe-Speicherressourcen, wodurch es für verteilte Umgebungen geeignet ist. NVMe-oF nutzt verschiedene Netzwerkprotokolle wie RDMA (Remote Direct Memory Access), TCP/IP, Fibre Channel, InfiniBand, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) und iWARP (Internet Wide Area RDMA Protocol), um NVMe-Befehle und Daten über ein Netzwerk zu transportieren.
Dabei ist zu beachten, dass die Implementierung von NVMe-oF im Vergleich zu NVMe komplexer sein kann. Storage-/IT-Architekten müssen für NVMe-oF möglicherweise die Infrastruktur (z. B. die Adapter-HBAs und die Netzwerkstruktur) bewerten und optimieren. Noch wichtiger ist, dass die Anwendungen mit NVMe-oF kompatibel und dafür optimiert sein müssen. Um die Vorteile von NVMe-oF zu maximieren, wird empfohlen, die Anwendungskompatibilität zu bewerten und gegebenenfalls anwendungsspezifische Optimierungen oder Änderungen vorzunehmen.
Bringen Sie die Performance auf ein neues Niveau: Nutzen Sie die Leistung von NVMe durch Software-Defined Storage
Zwar ist NVMe einfacher zu implementieren als NVMe-oF – ohne dass man sich mit komplexen Netzwerkanforderungen und Infrastrukturüberlegungen auseinandersetzen muss –, doch sind für eine ordnungsgemäße Implementierung mehrere wichtige Schritte erforderlich. Hier ist eine allgemeine Übersicht über den Prozess:
Auch wenn dies auf den ersten Blick umständlich erscheint, gibt es doch Möglichkeiten, den Aufwand zu reduzieren und potenzielle Hindernisse wie Ausfallzeiten und teure erzwungene Upgrades zu vermeiden, die den Geschäftsbetrieb stören.
Mithilfe von Software-Defined Storage (SDS) können Sie NVMe-kompatible Speichergeräte unterbrechungsfrei in Ihre Infrastruktur integrieren. SDS abstrahiert die zugrunde liegende Hardware und ermöglicht Ihnen die Verwaltung der Speicherinfrastruktur durch softwaredefinierte Richtlinien. Durch Speicher-Pooling werden Silos aufgebrochen und Anwendungen können auf Daten von logischen Verknüpfungen zugreifen, die über den Pool bereitgestellt werden. Da Anwendungen nicht direkt mit einem physischen Speicher gekoppelt sind, ist es problemlos möglich, die Speicherausrüstung zu wechseln und NVMe-Geräte auszutauschen oder neu zu installieren. Ohne Überarbeitung der Architektur, ohne Speicherausfallzeiten und ohne Unterbrechung der I/O-Vorgänge.
NVMe bleibt „heißen“ Daten vorbehalten
Nicht alle gespeicherten Daten werden häufig abgerufen und somit als „heiß“ eingestuft. Branchenschätzungen gehen davon aus, dass nur ein kleiner Teil, typischerweise etwa 10–20 % des gesamten Datenvolumens, in die Kategorie der „heißen Daten“ fällt. Daher ist es in der Regel nicht kosteneffektiv, die NVMe-All-Flash-Technologie für alle Ihre Daten einzusetzen. Durch die strategische Implementierung von NVMe All-Flash nur für Ihre heißen Daten können Sie eine optimale Antwortzeiten für Anwendungen und Nutzer garantieren, die auf diese kritischen Daten zugreifen. Dadurch können Sie Ihre bestehende Speicherinfrastruktur unverändert beibehalten, ohne durch ein erzwungenes NVMe-Upgrade die Kosten in die Höhe zu treiben.
Dank der intelligenten Datenplatzierung ist sichergestellt, dass latenzempfindliche Arbeitslasten vorrangig auf NVMe-basierten Speichergeräten abgelegt werden. Diese strategische Platzierung der Daten ermöglicht einen effizienten Datenzugriff und maximiert die Vorteile der Hochgeschwindigkeitsfunktionen von NVMe.
Software-Defined Storage analysiert die Datentemperatur mithilfe von automatisiertem Tiering anhand der Zugriffshäufigkeit, um die Wichtigkeit der Daten und die Leistungsanforderungen zu bestimmen. Diese Einstufung hilft dabei, Daten zu identifizieren, die von der ultraschnellen Performance des NVMe-Speichers profitieren würden.
Wichtigste Vorteile von Software-Defined Storage
- Das Daten-Tiering mithilfe von Software-Defined Storage ist dynamisch, da sich die Datennutzungsmuster in Echtzeit ändern und die Platzierung der Daten automatisch an die richtige Ebene angepasst wird.
- Da Software-Defined Storage hardwareunabhängig ist, ist Daten-Tiering innerhalb des Storage Pools über jedes Blockspeichergerät/-modell (SAN, DAS, HCI, JBOD, JBOF usw.) eines beliebigen Herstellers möglich.
- Für das eher geringe Volumen an heißen Daten benötigen Sie möglicherweise nur einen oder zwei Server mit NVMe-All-Flash-Laufwerken. So lassen sich erhebliche Kosten einsparen, da es nicht erforderlich ist, die gesamte SAN-Speicherinfrastruktur zu überholen.
NVMe für eine bessere Zukunft
Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, ist die Zukunftssicherheit Ihrer Speicherinfrastruktur von entscheidender Bedeutung. NVMe ermöglicht es Unternehmen, die neuesten Fortschritte in der Speichertechnologie zu nutzen. Dank der branchenweiten Akzeptanz und der kontinuierlichen Innovation gewährleistet NVMe, dass Ihre Speicherinfrastruktur hinsichtlich Performance und Skalierbarkeit an der Spitze bleibt. Mit softwaredefiniertem Speicher ist es möglich, die Vorteile Ihrer vorhandenen Infrastruktur zu nutzen, NVMe nahtlos zu integrieren und das volle Speicherpotenzial auszuschöpfen:
- Minimale bis keine Unterbrechung des Anwendungsbetriebs und der Datenverarbeitung
- Keine komplexe Infrastrukturüberholung
- Keine nennenswerte Kostensteigerung
- Kein größerer Arbeitsaufwand und kein erzwungenes Upgrade
Steigern Sie die Speichereffizienz und bringen Sie Ihr Unternehmen mit NVMe in Schwung. Erfahren Sie von DataCore, wie Software-Defined Storage diesen Technologiewandel unterstützen kann.
