Tudo o que você precisa saber sobre network storage NVMe

Índice:

• O que é um network storage NVMe?
• Como o protocolo NVMe over Fabrics (NVMe-oF) funciona?
• Qual a principal diferença para storages all-flash tradicionais?
• Quais aplicações mais se beneficiam dessa tecnologia?
• A infraestrutura de rede precisa de adaptações?
• NVMe sobre TCP é uma alternativa viável?
• Quais são os desafios na implementação?
• Como a redundância e a alta disponibilidade são tratadas?
• O futuro do armazenamento em rede é NVMe?

Muitas empresas enfrentam um gargalo de desempenho com seus storages de rede tradicionais. As tecnologias baseadas nos protocolos SATA e SAS, embora eficientes por muitos anos, frequentemente não acompanham a demanda por baixa latência e alto volume de operações exigidas por aplicações modernas, como bancos de dados e ambientes virtualizados. Essa limitação dificulta o aproveitamento total do potencial dos servidores e das redes de alta velocidade.

A solução para esse problema está na evolução dos protocolos de armazenamento. O network storage NVMe surge como uma resposta direta a essa necessidade, pois estende o desempenho do armazenamento flash diretamente para a rede. Essa abordagem elimina as camadas de software legadas que introduzem atrasos, o que transforma radicalmente a forma como os dados são acessados em um datacenter. A tecnologia, portanto, alinha a velocidade do armazenamento com a capacidade das redes atuais.

O que é um network storage NVMe?

Um network storage NVMe é um sistema de armazenamento centralizado que utiliza drives SSD com o protocolo NVMe e se comunica pela rede através de tecnologias como o NVMe-oF (NVMe over Fabrics). Seu principal objetivo é entregar acesso aos dados com latência extremamente baixa e altíssima taxa de transferência, quase como se os discos estivessem conectados localmente ao servidor.

A arquitetura desse tipo de storage é fundamentalmente diferente das soluções all-flash que usam protocolos legados. Em vez de traduzir comandos para o antigo padrão SCSI, como fazem o iSCSI ou o Fibre Channel, o sistema transporta os comandos NVMe nativos pela rede. Essa comunicação direta reduz drasticamente o overhead do processamento, o que acelera o acesso aos dados e melhora a eficiência geral da infraestrutura.

Como o protocolo NVMe over Fabrics (NVMe-oF) funciona?

O protocolo NVMe over Fabrics essencialmente encapsula os comandos NVMe para que eles trafeguem sobre uma estrutura de rede, conhecida como "fabric". Essa tecnologia estende a conexão de alta velocidade do barramento PCIe, originalmente interna ao servidor, para toda a rede do datacenter. Assim, um servidor consegue acessar um storage remoto com uma latência muito próxima à de um SSD local.

Existem várias implementações para essa comunicação, cada uma com suas particularidades. As mais comuns incluem RoCE (RDMA over Converged Ethernet) e NVMe/TCP. O RoCE, por exemplo, exige uma rede configurada para ser "lossless" (sem perda de pacotes) para funcionar bem, enquanto o NVMe/TCP opera sobre a pilha de rede padrão, o que simplifica bastante sua implantação, embora com uma pequena penalidade de desempenho.

Qual a principal diferença para storages all-flash tradicionais?

A maior diferença entre um network storage NVMe e um storage all-flash tradicional está na pilha de software e no protocolo de comunicação. Os sistemas tradicionais, mesmo com SSDs, geralmente usam a interface SAS ou SATA internamente e se comunicam pela rede com os protocolos iSCSI ou NFS. Esses protocolos foram projetados na era dos discos rígidos e carregam um grande overhead de comandos SCSI.

Por outro lado, uma solução NVMe de ponta a ponta elimina completamente essa camada de tradução legada. Os comandos NVMe, criados especificamente para a memória flash, viajam diretamente do servidor para o storage. Essa otimização resulta em uma redução drástica da latência, frequentemente caindo da casa dos milissegundos para algumas dezenas de microssegundos, um ganho de desempenho bastante significativo.

Quais aplicações mais se beneficiam dessa tecnologia?

As aplicações que mais se beneficiam do network storage NVMe são aquelas extremamente sensíveis à latência e que demandam um número muito alto de operações de entrada e saída por segundo (IOPS). Ambientes com bancos de dados transacionais (OLTP), por exemplo, veem uma melhora imediata no tempo de resposta das consultas. A tecnologia praticamente elimina a espera por disco.

Outros cenários ideais incluem plataformas de análise de Big Data, cargas de trabalho de inteligência artificial e machine learning, além de infraestruturas de virtualização com alta densidade de máquinas virtuais. Nesses casos, o acesso rápido e simultâneo aos dados é crucial para o desempenho. O storage NVMe centraliza os dados sem sacrificar a velocidade que antes só era possível com armazenamento local (DAS).

A infraestrutura de rede precisa de adaptações?

Sim, a adequação da infraestrutura de rede é um requisito indispensável. O desempenho de um network storage NVMe depende diretamente de uma rede de alta velocidade e baixa latência. Redes de 1GbE ou mesmo 10GbE são insuficientes e se tornam o novo gargalo. Frequentemente, é necessária uma migração para padrões de 25GbE, 50GbE ou até 100GbE para aproveitar todo o potencial da tecnologia.

Além da velocidade, alguns protocolos NVMe-oF, como o RoCE, exigem configurações específicas nos switches para criar uma rede sem perdas. Isso envolve habilitar recursos como Priority Flow Control (PFC) e Explicit Congestion Notification (ECN). Sem esses ajustes, a perda de pacotes pode degradar severamente o desempenho e introduzir instabilidade, o que anula os benefícios do investimento.

NVMe sobre TCP é uma alternativa viável?

O NVMe sobre TCP (NVMe/TCP) é uma alternativa cada vez mais popular e bastante viável para muitas empresas. Sua principal vantagem é a simplicidade, pois ele utiliza a pilha de rede TCP/IP padrão, presente em qualquer infraestrutura de TI. Isso elimina a necessidade de placas de rede (NICs) especializadas com suporte a RDMA ou de configurações complexas nos switches para criar uma rede lossless.

Ainda assim, essa simplicidade tem um pequeno custo. O NVMe/TCP apresenta uma latência ligeiramente maior que as implementações baseadas em RDMA, porque o processamento dos pacotes depende mais da CPU do host. No entanto, o desempenho ainda é muito superior ao do iSCSI. Por isso, para muitas cargas de trabalho que não exigem a latência mais baixa possível, o NVMe/TCP oferece um excelente equilíbrio entre desempenho, custo e facilidade de gerenciamento.

Quais são os desafios na implementação?

Um dos principais desafios na implementação é o custo inicial. Os SSDs NVMe, as placas de rede de alta velocidade e os switches compatíveis são geralmente mais caros que seus equivalentes baseados em tecnologias mais antigas. O investimento total na infraestrutura pode ser considerável, por isso é importante avaliar o retorno sobre o investimento para as cargas de trabalho específicas.

Outro ponto de atenção é a complexidade técnica, especialmente com protocolos como o RoCE. A configuração de uma rede lossless exige conhecimento especializado em redes, e um erro pode comprometer todo o desempenho do sistema. A compatibilidade entre o sistema operacional do servidor, os drivers da NIC, o firmware do switch e o software do storage também precisa ser cuidadosamente validada para evitar surpresas.

Como a redundância e a alta disponibilidade são tratadas?

Os sistemas de network storage NVMe modernos tratam a redundância e a alta disponibilidade com mecanismos muito parecidos aos das SANs tradicionais, porém otimizados para alta velocidade. Eles quase sempre incluem componentes de hardware duplicados, como controladoras, fontes de alimentação e múltiplas portas de rede para garantir que não haja um ponto único de falha.

No nível do software, esses equipamentos também oferecem recursos avançados. Funcionalidades como snapshots, replicação de dados síncrona e assíncrona para um site de recuperação de desastres e failover automático são padrão. Muitas soluções adotam uma arquitetura scale-out, que distribui os dados e a carga de trabalho entre vários nós. Essa abordagem não apenas protege contra falhas, mas também melhora o desempenho à medida que novos nós são adicionados.

O futuro do armazenamento em rede é NVMe?

A tendência do mercado indica que o futuro do armazenamento de alto desempenho é, sem dúvida, baseado em NVMe. À medida que os custos dos SSDs e das redes de alta velocidade diminuem, a adoção do NVMe-oF se torna cada vez mais comum, substituindo gradualmente o iSCSI e o Fibre Channel em ambientes que exigem performance máxima. A tecnologia deixa de ser um nicho para se tornar o padrão.

A simplicidade do NVMe/TCP, em particular, acelera essa transição, pois remove barreiras de complexidade e custo para empresas de todos os portes. Embora as soluções baseadas em arquivos (NAS) e blocos tradicionais continuem a ter seu espaço para arquivamento e cargas de trabalho menos intensas, o armazenamento primário para aplicações críticas está migrando rapidamente. Para quem busca eliminar o gargalo do storage, o network storage NVMe é a resposta.