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NVM Express(NVMe) 規(guī)范系列定義了主機軟件如何通過 PCI Express (PCIe)、RDMA、TCP 等多種傳輸方式與非易失性存儲器進(jìn)行通信。它是所有外形規(guī)格(U.2、M.2、AIC、EDSFF)的固態(tài)硬盤 (SSD) 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。NVM Express 是由定義、管理和營銷 NVMe 技術(shù)的技術(shù)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者組成的非營利聯(lián)盟。該系列規(guī)范的最新版本 NVMe 2.0 規(guī)范已于 2021 年 6 月 3 日發(fā)布。

NVM Express 規(guī)范的 2.0 版現(xiàn)在已經(jīng)有十年歷史了。與其他 NVMe 規(guī)范更新一樣，2.0 版帶有各種新特性和功能供驅(qū)動器實現(xiàn)(通常作為可選特性)。但最重要的變化也就是將其稱為 2.0 版而不是 1.5 版的原因，是規(guī)范已經(jīng)通過并徹底重組，以更好地適應(yīng) NVMe 現(xiàn)在包含的廣泛功能。從最初不起眼的作為基于 PCI Express 運行的塊存儲協(xié)議的開始，NVMe 已經(jīng)發(fā)展成為最重要的網(wǎng)絡(luò)存儲協(xié)議之一，現(xiàn)在還支持與 NVMe 最初提供的類似硬盤的塊存儲抽象完全不同的存儲范式。

2.0 版不是典型 PCIe SSD 的基本規(guī)范和單獨的 NVMe over Fabrics 規(guī)范，而是被設(shè)計為更加模塊化的規(guī)范，并已拆分為多個文檔。基本規(guī)范現(xiàn)在涵蓋了本地連接的設(shè)備和 NVMeoF，但更抽象地 — 已經(jīng)從基本規(guī)范中移出了足夠多的內(nèi)容，以至于它不再足以定義實現(xiàn)簡單 SSD 所需的所有功能。真實設(shè)備還需要參考至少一個傳輸規(guī)范和至少一個命令集規(guī)范. 對于典型的消費類 SSD，這意味著使用 PCIe 傳輸規(guī)范和塊存儲命令集。其他傳輸選項目前包括使用 TCP 或 RDMA 的網(wǎng)絡(luò) NVMe over Fabrics。

其他命令集選項包括 Zoned Namespace 和 Key-Value 命令集。去年批準(zhǔn)納入時，我們已經(jīng)深入介紹了Zoned Namespaces。三個標(biāo)準(zhǔn)化命令集(塊、分區(qū)、鍵值)涵蓋了從簡單的 SSD 到底層閃存上的簡單抽象，到相對復(fù)雜的智能驅(qū)動器，這些驅(qū)動器承擔(dān)了一些傳統(tǒng)上可能需要的存儲管理任務(wù)。由主機系統(tǒng)上的軟件處理。

NVMe 2.0 中的許多新功能是對現(xiàn)有功能的次要擴(kuò)展，使這些功能更有用和更廣泛使用。例如，NVMe 1.4 中引入了將設(shè)備的存儲劃分為NVM 集和耐久性組，但規(guī)范沒有說明如何創(chuàng)建這些劃分;該配置要么需要由驅(qū)動器的固件硬編碼，要么使用供應(yīng)商特定的命令處理。

NVMe 2.0 為要分配的耐力組和 NVM 集添加了標(biāo)準(zhǔn)容量管理機制，并且還添加了另一層分區(qū)(域)，以便需要更多工具來分割可用存儲池的海量 NVMeoF 存儲設(shè)備，或隔離不同用戶對共享驅(qū)動器或陣列的性能影響。

NVMe 規(guī)范最初預(yù)測了基本塊存儲命令集之外的多個命令集的可能性。但是用于支持多個命令集的原始機制不足以滿足當(dāng)今的用例：控制器功能數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的少量保留位不足以涵蓋當(dāng)今 SSD 可能實現(xiàn)的所有可能性。特別是，處理多個命令集的新系統(tǒng)現(xiàn)在可以讓同一控制器后面的不同命名空間支持不同的命令集，而不是要求所有命名空間都支持其父控制器支持的所有命令集。

當(dāng) NVMe 1.4 完成時，分區(qū)和鍵值命令集已經(jīng)在雷達(dá)上，現(xiàn)在這些技術(shù)已被納入 2.0，與原始塊存儲命令集具有同等地位。未來的命令集(例如用于計算存儲驅(qū)動器)仍在進(jìn)行中，尚未準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)化，但 NVMe 規(guī)范現(xiàn)在能夠更輕松地整合此類新開發(fā)。NVMe 原則上還可以添加一個開放通道命令集，以公開管理 NAND 閃存(頁面、擦除塊、缺陷管理等)的大部分或全部原始細(xì)節(jié)，但普遍的行業(yè)共識是分區(qū)存儲范式達(dá)到了更合理的平衡，并且對開放通道 SSD 的興趣正在減弱，有利于分區(qū)命名空間。

對于企業(yè)用例，NVMe 繼承了 SCSI/SAS 的保護(hù)信息支持，將一些額外信息與每個邏輯塊相關(guān)聯(lián)，用于驗證端到端數(shù)據(jù)完整性。NVMe 2.0 將現(xiàn)有的保護(hù)信息支持從支持 16 位 CRC 擴(kuò)展到還支持 32 位和 64 位 CRC，從而為大規(guī)模存儲系統(tǒng)提供更強大的數(shù)據(jù)保護(hù)。

NVMe 2.0 引入了一項重要的新安全功能：命令組控制，使用新的 Lockdown 命令進(jìn)行配置。NVMe 1.4 添加了命名空間寫保護(hù)功能，允許主機系統(tǒng)將命名空間置于寫保護(hù)模式，直到明確解鎖或驅(qū)動器重新啟動。NVMe 2.0 的 Lockdown 允許類似的控制來禁止其他命令。這可用于將驅(qū)動器置于允許普通讀取和寫入的狀態(tài)，但各種管理命令被鎖定，因此無法重新配置驅(qū)動器的其他功能。與之前的寫保護(hù)功能一樣，此命令組控制支持設(shè)置這些限制，直到它們被明確刪除，或者直到重新啟動。

對于 NVMe over Fabrics 用例，NVMe 2.0 闡明了如何在可通過多個控制器訪問共享存儲的情況下處理固件更新和安全設(shè)備關(guān)機。現(xiàn)在還明確支持硬盤驅(qū)動器。盡管硬盤驅(qū)動器不太可能很快切換到本地使用 PCIe 連接而不是 SAS 或 SATA，但支持多種旋轉(zhuǎn)介質(zhì)意味著企業(yè)可以使用 NVMe over Fabrics 統(tǒng)一他們的存儲網(wǎng)絡(luò)，并放棄像 iSCSI 這樣的舊協(xié)議。

總的來說，NVMe 2.0 并沒有像之前的一些更新那樣帶來那么多的新功能。特別是，此更新中沒有任何內(nèi)容與客戶端/消費者 SSD 相關(guān)。但是規(guī)范重組應(yīng)該使迭代和試驗新功能變得更加容易，并且在接下來的幾年里，有望看到更頻繁的更新和更小的更改，而不是將兩三年的工作捆綁在大的規(guī)范更新上。

參考鏈接：https://www.anandtech.com/show/16702/nvme-20-specification-released