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Guia completo sobre NAS Storage NVMe

Índice:

Muitas empresas enfrentam um grande desafio com a lentidão no acesso aos dados, principalmente quando várias aplicações exigem alto desempenho simultaneamente. Os sistemas NAS tradicionais, mesmo equipados com SSDs SATA, frequentemente se tornam o gargalo da infraestrutura. Essa limitação impacta diretamente a produtividade, pois atrasa desde a edição de vídeos em alta resolução até a execução de máquinas virtuais complexas.

A solução para esse problema está na evolução dos protocolos de armazenamento. Um NAS Storage NVMe surge como uma resposta moderna, pois utiliza uma tecnologia projetada desde o início para mídias de armazenamento flash. Ao contrário das interfaces legadas, o NVMe se comunica diretamente com o processador através do barramento PCIe, o que elimina intermediários e reduz drasticamente a latência em quase todas as operações.

Este guia completo explora todos os aspectos dos storages NAS baseados em NVMe. Nossa análise aborda desde o funcionamento da tecnologia e suas vantagens de desempenho até os cenários de uso ideais e os cuidados necessários para o gerenciamento. Assim, qualquer profissional de TI poderá tomar uma decisão mais informada sobre a implementação dessa poderosa solução.

O que é um NAS Storage NVMe e como ele funciona?

Um NAS Storage NVMe é um servidor de armazenamento conectado à rede que usa exclusivamente SSDs com o protocolo Non-Volatile Memory Express. Essa tecnologia se conecta diretamente ao barramento PCIe do sistema, o que elimina gargalos de comunicação e entrega um desempenho muito superior aos padrões SATA e SAS. Basicamente, os dados fluem com menos obstáculos entre o armazenamento e o processador.

O funcionamento dele é fundamentalmente diferente das soluções mais antigas. Enquanto os SSDs SATA e SAS precisam de uma controladora como a HBA para traduzir comandos, os SSDs NVMe conversam diretamente com a CPU. Essa comunicação direta quase sempre reduz a latência e aumenta o número de operações por segundo. Como resultado, o sistema responde mais rápido às solicitações de múltiplos usuários e aplicações exigentes.

Na prática, essa arquitetura simplifica o caminho dos dados. Pense nisso como uma via expressa sem pedágios, em contraste com uma estrada antiga cheia de cruzamentos. Vários aplicativos, como bancos de dados e ambientes de virtualização, se beneficiam imensamente dessa agilidade, pois o tempo de espera por dados diminui bastante.

A diferença fundamental entre SSDs SATA, SAS e NVMe em um NAS

A principal diferença entre os padrões de SSD reside na sua origem e capacidade de paralelismo. O padrão SATA foi originalmente criado para discos rígidos mecânicos, por isso ele possui apenas uma fila para comandos, com profundidade para 32 solicitações. Essa característica raramente atende às demandas de ambientes multitarefa modernos, mesmo com a velocidade dos SSDs.

O SAS, por sua vez, é um protocolo mais avançado e voltado para o mercado corporativo. Ele suporta filas de comandos mais profundas e oferece recursos como o dual-porting para redundância. Ainda assim, o SAS também foi concebido antes da era flash e carrega consigo uma certa sobrecarga de comandos que limita seu potencial máximo com SSDs de altíssimo desempenho.

O NVMe foi desenvolvido especificamente para o armazenamento flash. Ele suporta até 65.536 filas, cada uma com capacidade para 65.536 comandos, um salto gigantesco em paralelismo. Essa arquitetura permite que um NAS NVMe atenda a milhares de solicitações simultâneas com eficiência, o que melhora drasticamente o desempenho em cargas de trabalho com muitas leituras e escritas aleatórias.

Desempenho real: IOPS, latência e taxa de transferência

Quando falamos sobre desempenho, três métricas são essenciais. O IOPS (operações de entrada e saída por segundo) mede quantas operações de leitura e escrita um storage executa, sendo crucial para bancos de dados e virtualização. A latência indica o tempo de resposta para uma solicitação, um fator que afeta diretamente a experiência do usuário. Por fim, a taxa de transferência (throughput) mostra a velocidade para mover grandes arquivos, como vídeos ou backups.

Um NAS NVMe geralmente entrega um número de IOPS muitas vezes maior que um sistema SATA equivalente. Isso ocorre porque o protocolo NVMe processa comandos de forma muito mais eficiente e paralela. A latência também é drasticamente menor, pois a conexão direta com o barramento PCIe encurta o caminho dos dados. Em muitos testes, a diferença pode ser de microssegundos, o que é perceptível em aplicações sensíveis.

No entanto, a taxa de transferência máxima depende de outros componentes da infraestrutura. Um único SSD NVMe Gen4 pode facilmente saturar uma porta de rede 10GbE. Por isso, para extrair o máximo de um NAS all-flash, é fundamental que a rede e os switches também suportem altas velocidades, como 25GbE ou mais.

Quando um NAS All-Flash NVMe faz sentido para uma empresa?

A adoção de um NAS all-flash NVMe é especialmente indicada para algumas cargas de trabalho específicas. Ambientes de virtualização com dezenas ou centenas de máquinas virtuais, por exemplo, se beneficiam enormemente da baixa latência e do alto IOPS. A inicialização dos sistemas e a abertura de aplicativos se tornam quase instantâneas, o que melhora a produtividade geral.

Outro cenário ideal é a edição de vídeo em 4K ou 8K e pós-produção. Nessas atividades, múltiplos editores precisam acessar e manipular arquivos muito grandes ao mesmo tempo. Um NAS NVMe consegue fornecer a taxa de transferência necessária para um fluxo de trabalho colaborativo sem engasgos, algo que sistemas baseados em disco ou SSDs SATA raramente conseguem.

Bancos de dados transacionais e aplicações de análise de dados em tempo real também são fortes candidatos. Essas aplicações realizam um volume gigantesco de pequenas leituras e escritas aleatórias. A capacidade do NVMe de lidar com milhares de filas de comandos simultaneamente acelera as consultas e o processamento dos dados, o que gera insights de negócio mais rápidos.

Protocolos de rede e a importância do 10GbE ou superior

Um NAS de alto desempenho é inútil sem uma rede à altura. Uma conexão Gigabit Ethernet (1GbE), com sua taxa de transferência teórica de aproximadamente 125 MB/s, se torna um enorme gargalo para um arranjo de SSDs NVMe. Na prática, a rede limita o storage, e o investimento em drives rápidos é quase desperdiçado.

Para aproveitar o potencial de um NAS NVMe, uma infraestrutura de rede de 10GbE é o requisito mínimo. Uma rede 10GbE oferece uma velocidade teórica dez vezes maior, o que já permite que vários usuários acessem arquivos grandes sem degradação do desempenho. Para cargas de trabalho ainda mais intensas, como as encontradas em datacenters, redes de 25GbE, 40GbE ou até 100GbE são frequentemente necessárias.

Além da velocidade, recursos como a agregação de link (Link Aggregation) também são importantes. A configuração de múltiplas portas de rede para trabalharem juntas aumenta a largura de banda total disponível e ainda oferece redundância. Se uma das conexões falhar, o tráfego é automaticamente redirecionado pelas outras, o que mantém a disponibilidade do serviço.

Configurações de RAID em arranjos All-Flash NVMe

A configuração de arranjos RAID em um NAS NVMe segue os mesmos princípios de proteção de dados dos sistemas baseados em disco, mas com algumas particularidades. Níveis de RAID como o RAID 5 e o RAID 6, que usam paridade para proteger contra falhas de um ou dois drives, continuam sendo muito populares. Eles oferecem um bom equilíbrio entre segurança, capacidade e desempenho.

No entanto, o tempo de reconstrução (rebuild) de um arranjo com SSDs NVMe é muito mais rápido que com HDDs. Essa agilidade reduz a janela de vulnerabilidade do sistema após uma falha. Alguns sistemas de arquivos modernos, como o ZFS e o Btrfs, também oferecem alternativas ao RAID tradicional, com funcionalidades adicionais para a integridade dos dados, como o checksumming, que verifica a corrupção de arquivos.

Para aplicações que exigem o máximo desempenho de escrita, o RAID 10 (espelhamento e distribuição) é frequentemente a melhor escolha. Embora ele utilize metade da capacidade bruta para espelhamento, sua performance de escrita é excelente porque não há cálculo de paridade. A escolha do nível de RAID ideal sempre dependerá do equilíbrio entre o desempenho necessário, a capacidade desejada e o nível de proteção exigido pela aplicação.

O uso de SSDs NVMe como cache em storages híbridos

Nem toda empresa pode ou precisa de uma solução all-flash. Para muitos cenários, uma abordagem híbrida é bastante eficaz e tem um custo menor. Nesses sistemas, um ou mais SSDs NVMe funcionam como uma camada de cache de alta velocidade para um grande volume de dados armazenado em discos rígidos mais lentos e baratos.

O sistema de gerenciamento do storage identifica os dados acessados com mais frequência, conhecidos como "hot data", e os move automaticamente para o cache NVMe. Quando um usuário solicita esses dados, a leitura é feita diretamente do SSD, o que entrega uma resposta quase instantânea. Essa técnica acelera significativamente o desempenho geral do sistema para a maioria das tarefas cotidianas.

Existem dois tipos principais de cache. O cache de leitura apenas armazena cópias dos dados para acelerar o acesso. Já o cache de leitura e escrita também utiliza o SSD para agrupar pequenas operações de escrita antes de enviá-las aos discos rígidos, o que otimiza a performance. Essa segunda abordagem, porém, exige um cache espelhado (RAID 1) para evitar a perda de dados em caso de falha de um dos SSDs.

Limitações e desafios técnicos dos sistemas NVMe

Apesar das inúmeras vantagens, os sistemas NAS NVMe também apresentam alguns desafios. O principal deles é o custo. Os SSDs NVMe ainda são consideravelmente mais caros por terabyte do que os SSDs SATA e, principalmente, os discos rígidos. Esse fator pode tornar uma solução all-flash NVMe inviável para empresas com orçamentos mais restritos ou com grande necessidade de capacidade.

Outro ponto de atenção é a geração de calor. Os SSDs NVMe de alto desempenho podem aquecer bastante durante operações intensas, o que exige um projeto de chassi com ventilação adequada para evitar o thermal throttling. Esse fenômeno ocorre quando o drive reduz sua velocidade para se proteger do superaquecimento, o que impacta negativamente o desempenho.

A compatibilidade também pode ser um problema em alguns casos. Embora o padrão M.2 seja comum, existem diferentes formatos físicos e protocolos (como U.2 e U.3) para SSDs NVMe corporativos. Por isso, é fundamental verificar a lista de compatibilidade do fabricante do NAS antes de adquirir os drives, para garantir o funcionamento correto e o suporte técnico.

Gerenciamento do ciclo de vida: TBW e DWPD em SSDs NVMe

Diferente dos discos rígidos, os SSDs possuem uma vida útil limitada pela quantidade de dados que podem ser escritos em suas células de memória. Duas métricas são essenciais para monitorar essa durabilidade. O TBW (Terabytes Written) indica o volume total de terabytes que podem ser gravados no drive durante sua vida útil. Já o DWPD (Drive Writes Per Day) especifica quantas vezes a capacidade total do drive pode ser reescrita por dia durante o período de garantia.

O monitoramento dessas métricas é crucial em um ambiente corporativo. Um NAS NVMe usado para cargas de trabalho intensas, como bancos de dados ou cache de escrita, consumirá a vida útil dos SSDs muito mais rápido. Por essa razão, é importante escolher drives com classificações de TBW e DWPD adequadas à aplicação. SSDs de classe empresarial geralmente oferecem uma durabilidade muito maior que os modelos para consumidores.

A maioria dos sistemas operacionais para NAS modernos inclui ferramentas de monitoramento S.M.A.R.T. que alertam os administradores quando um SSD se aproxima do fim de sua vida útil. A substituição proativa desses drives evita falhas inesperadas e a possível perda de dados, o que garante a continuidade das operações.

O futuro do armazenamento com a tecnologia NVMe-oF

A evolução da tecnologia NVMe não para nos dispositivos conectados localmente. O padrão NVMe-oF (NVMe over Fabrics) foi criado para estender o desempenho e a baixa latência do protocolo NVMe através de redes Ethernet ou Fibre Channel. Essencialmente, ele permite que um servidor se comunique com um storage remoto como se os SSDs estivessem conectados diretamente ao seu barramento PCIe.

Essa tecnologia resolve um dos últimos grandes gargalos do datacenter. Protocolos de armazenamento em bloco tradicionais como o iSCSI adicionam uma camada de latência significativa. Com o NVMe-oF, a comunicação entre o servidor da aplicação e o storage se torna muito mais rápida e eficiente, o que é ideal para clusters de alta performance e infraestruturas hiperconvergentes.

Embora ainda seja uma tecnologia em adoção, o NVMe-oF promete redefinir a arquitetura de armazenamento em rede nos próximos anos. A capacidade de criar pools de armazenamento flash desagregados e compartilháveis com desempenho de conexão local abre muitas possibilidades para datacenters mais flexíveis e escaláveis. Para quem busca o máximo em performance, essa é a resposta definitiva.


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