CN107704344A - 一种基于NVMe的双控全闪存系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于NVMe的双控全闪存系统，将NVMe ssd设置为双端口模式，且划分NVMe ssd为多个命名空间，每个命名空间可通过多个NVMe控制器映射出去，构成一个NVMe子系统。每一个NVMe控制器有自己的PCIe接口，而不是两者共享一个。PCIe接口往上有可能连着同一个主机，也可能连着不同的主机。在应用过程中，整个数据传输路径中从服务器，到网络，存储都是双份的，防止出错。通过设计基于NVMe的双控全闪存系统，可以在简单配置与架构系统的基础上实现高可靠性的数据存取系统，系统结构简单，操作方式简洁易行，满足了数据可靠性要求高的技术领域的技术需求。

Description

一种基于NVMe的双控全闪存系统
技术领域
本发明涉及信息技术领域，特别涉及一种基于NVMe的双控全闪存系统。
背景技术
NVMe(英文缩写：NVMe/NVMHCI，Non-Volatile Memory Express/Non-VolatileMemory Host Controller Interface，非易失性内存主机控制器界面)是与AHCI类似的、基于设备逻辑界面的总线传输协议规范，主要用于通过PCI Express(PCIe)总线与主机连接的非易失性内存设备，也为现代CPU、电脑平台及相关应用提供原生存储并发化的支持，令主机硬件和软件可以充分利用固态存储设备的并行化存储能力，NVMe提供了高性能，并减少了资源消耗，充分利用多核CPU的优点，以增加存储密度来降低整体拥有成本。
NVMe规范提供了闪存访问的标准方式，充分利用PCIe通道的低延时和并行性，以及处理器、平台与应用的并行性，通过降低协议交互时延，增加协议并发能力，显著提高性能，在可控制的存储成本下，极大的提升固态硬盘的读写性能，从而进一步释放闪存的潜能，并推动全闪存在数据中心的普及。
传统的SAS协议是为机械硬盘设计，随着闪存介质的高速发展，以及全闪存存储系统对极致性能的追求，SAS协议实用性降低。PCIe SSD将是SSD发展的主流，NVMe协议适应了SSD的发展。而且随着数据中心和云的发展，各种混合应用场景使得NVMe SSD在数据中心也更有优势。
SAS协议原生支持多端口，双端口盘技术成熟，与多控系统配合稳定可靠，而PCIe双端口技术还在发展完善中。双端口实现应用服务器和系统内盘阵之间的数据路径冗余，数据路径冗余确保数据访问在存储控制器失效或PCIe交换失败时仍然可用。失效事件会触发存储控制器对当前数据路径的备用触发反应。失效反应完成后，恢复系统性能。NVMe子系统划分多个命名空间，一个命名空间还可以通过多个NVMe控制器映射出去，达到“双控双活”的效果。
目前基于NVMe的闪存一般都用于单端口模式，目前的双控闪存阵列主要是基于SAS的SSD。然而，单主控系统可靠性存在风险，在一些苛刻的应用场景下，是不允许host端出现宕机的。一般，硬盘都是只有一个端口，要么组成阵列放到磁盘阵列里面，要么就接到一台机器上的硬盘槽位。如果接到硬盘槽位，就有个问题，如果用户到服务器到硬盘的通路任何一环挂了，这个盘的数据也就没办法访问了。只能拔下来，重新插到一台新的机器上，这段时间里，用户放在里面的数据访问不到。SAS双端口技术虽然比较成熟但SAS协议劣势越发明显，SSD能力提升了，传输协议却成为了短板，对比而言，PCIe双端口具有低延时，低成本等优势。
本发明所要解决的技术问题为利用支持双控的基于NVMe的SSD及PCIe switch等技术完成整个系统的搭建。
发明内容
更具体而言，为了解决如上的技术问题，本发明提出一种基于NVMe的双控全闪存系统，包括：
至少一个NVMe ssd，所述至少一个NVMe ssd中每个NVMe ssd均被设置为双端口模式，该每个NVMe ssd被划分多个命名空间，每个命名空间可通过多个NVMe控制器映射出去，构成一个NVMe子系统；
至少一个PCIe转换接口，该至少一个PCIe转换接口中的每个接口可与多个NVMe控制器映射并关联；
至少一个RAID卡以及连接至RAID卡的至少一个主机端，该至少一个RAID卡中的每个均对应于一个PCIe转换接口。
较佳地，每个NVMe ssd均被设置为双端口模式具体是通过如下方式：针对SFF-8639接口，将其中E25pin：enable dualport，也即双端口的使能信号端通过使能信号进行触发，以将其配置成2个2通道的PCIe接口；
较佳地，NVMe子系统划分为四个命名空间，每个命名空间对应于两个NVMe控制器，每个命名空间通过该两个NVMe控制器映射出去，达到“双控双活”的效果；
较佳地，每一个命名空间的两个NVMe控制器均有自己的PCIe接口，而不是两者共享一个；
较佳地，至少一个PCIe接口往上连着同一个主机端，或选择分别连接至不同的主机端；
较佳地，双端口模式下的每个NVMe ssd的每个端口同时各需要一个ref clk信号，一个reset信号。
较佳地，多台主机端可共享同一个NVMe SSD的同一个namespace，通过namespaceID对其进行访问；
较佳地，NVMe SSD与PCIe转换接口的连接采用支持双端口功能的背板，将相关线路通过高密口经线缆连接到PCIe转换接口上。
较佳地，在PCIe转换接口板上利用CLK buffer将主机端传来的clk转换给NVMeSSD使用，并且每个NVMe SSD会从CLK buffer中各得到两个ref clk，用于双端口控制，并且同时也会得到两个reset信号，每个reset信号只会重置与自己相关的命名空间，不会对其他命名空间有影响。
较佳地，raid卡可以采用软件raid的方式实现。
基于如上所设置的基于NVMe的双控全闪存系统，整个数据传递路径中，从服务器，到网络，到存储端都是双份的，防止出错。这个成本虽然比较高，但是可靠性更高，对于可靠性需求更强的领域，例如金融，OLAP，OLTP，高性能计算等领域，是更佳的一种选择方案。
本发明通过设计基于NVMe的双控全闪存系统，可以在简单配置与架构系统的基础上实现高可靠性的数据存取系统，系统结构简单，操作方式简洁易行，满足了数据可靠性要求高的技术领域的技术需求。
附图说明
图1是本发明实施例中系统架构示意图；
图2是本发明实施例中另一可替代性系统架构的示意图；
具体实施例
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本发明的实施例提供一种基于NVMe的双控全闪存系统，SSD采用intel企业级D3700/3600双端口NVMe固态盘，如图1所示，包括如下功能端：
至少一个NVMe ssd，所述至少一个NVMe ssd中每个NVMe ssd均被设置为双端口模式；
正常NVMe ssd如果只用一个Port，那么它就是一个4通道的PCIe接口，向上连接一个主机；如果使能Dual Port，那么可以配置成2个2通道的PCIe接口。同时各需要一个refclk，一个reset信号。目前只有SFF-8639接口支持此种设计，其中E25pin：enabledualport，就是双端口的使能信号。
每个NVMe ssd被划分多个命名空间，每个命名空间可通过多个NVMe控制器映射出去，构成一个NVMe子系统。NVMe子系统划分多个命名空间，一个命名空间还可以通过多个NVMe控制器映射出去，达到“双控双活”的效果。
如图1所示的架构图中，一个NVMe子系统包含了两个Controller，分别实现不同功能(也可以是相同功能)。每一个Controller有自己的PCIe接口，而不是两者共享一个。这两个接口，往上有可能连着同一个主机，也可能连着不同的主机。本实施例用于连接两个主机。
在应用过程中，整个data path从服务器，到网络，存储都是双份的，防止出错。这个成本比较高，一般是用于金融，OLAP，OLTP，高性能计算等领域。
在图1所给出的具体实施例中，每个NVMe SSD通过PCIe Switch连到两台服务器上。两台server共享同一个NVMe SSD的同一个namespace，通过namespace ID对其进行访问。
在图1所给出的具体实施例中，NVMe SSD与PCIe Switch的连接需要一种支持该双端口功能的背板，将相关线路通过高密口经线缆连接到PCIe switch上。另外，在PCIeswitch板上需要利用CLK buffer将host端传来的clk转换给ssd使用，并且每个ssd会从buffer中各得到两个ref clk，用于双端口控制。同理也会得到两个reset信号，每个reset信号只会重置与自己相关的命名空间，不会其他命名空间有影响。
此外，图1中的raid卡位支持NVMe协议的新产品，但由于其对数据延迟的影响未知，同时也考虑采用软件raid的方式，目前业界已经拥有性能较好的软raid方案。如图2所示：可以将raid卡去掉，也即，通过软件的形式来实现raid卡，HOST与PCIe switch直连。这种连接方式拥有双host，双PCIe switch，整个路径中任何一个环节出现问题，都不影响设备的正常运行，具有很高的可靠性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，包括：
至少一个NVMe ssd，所述至少一个NVMe ssd中每个NVMe ssd均被设置为双端口模式，该每个NVMe ssd被划分多个命名空间，每个命名空间可通过多个NVMe控制器映射出去，构成一个NVMe子系统；
至少一个PCIe转换接口，该至少一个PCIe转换接口中的每个接口可与多个NVMe控制器映射并关联；
至少一个RAID卡以及连接至RAID卡的至少一个主机端，该至少一个RAID卡中的每个均对应于一个PCIe转换接口。
2.如权利要求1所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，每个NVMe ssd均被设置为双端口模式具体是通过如下方式：针对SFF-8639接口，将其中E25pin：enabledualport，也即双端口的使能信号端通过使能信号进行触发，以将其配置成2个2通道的PCIe接口。
3.如权利要求2所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，NVMe子系统划分为四个命名空间，每个命名空间对应于两个NVMe控制器，每个命名空间通过该两个NVMe控制器映射出去，达到“双控双活”的效果。
4.如权利要求3所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，每一个命名空间的两个NVMe控制器均有自己的PCIe接口，而不是两者共享一个。
5.如权利要求4所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，至少一个PCIe接口往上连着同一个主机端，或选择分别连接至不同的主机端。
6.如权利要求1所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，双端口模式下的每个NVMe ssd的每个端口同时各需要一个ref clk信号，一个reset信号。
7.如权利要求5所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，多台主机端可共享同一个NVMe SSD的同一个namespace，通过namespace ID对其进行访问。
8.如权利要求6所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，NVMe SSD与PCIe转换接口的连接采用支持双端口功能的背板，将相关线路通过高密口经线缆连接到PCIe转换接口上。
9.如权利要求8所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，在PCIe转换接口板上利用CLK buffer将主机端传来的clk转换给NVMe SSD使用，并且每个NVMe SSD会从CLKbuffer中各得到两个ref clk，用于双端口控制，并且同时也会得到两个reset信号，每个reset信号只会重置与自己相关的命名空间，不会对其他命名空间有影响。
10.如权利要求1所述的基于NVMe的双控全闪存系统，其特征在于，raid卡可以采用软件raid的方式实现。
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