このソリューションの概要では、Napatech の統合ハードウェア・ソフトウェア・ソリューションがどのように NVMe/TCP ストレージ・ワークロードをホスト CPU から IPU にオフロードしてCAPEX、OPEX、エネルギー消費を大幅に削減するかを説明します。また、セキュリティーの分離をシステムにもたらし、サイバー攻撃に対する保護を強化します。
NVMe over TCP とは何ですか？
NVMe/TCP は、標準的なデータセンター・ファブリックを使用してネットワーク上で Non-Volatile Memory Express (NVMe) ストレージ・デバイスにアクセスできるストレージ・テクノロジーです。 図 1 を参照してください。
現代のクラウドおよびエンタープライズ・データセンターでは、NVMe/TCP を採用するところが増えています。これは Internet Small Computer System Interface (iSCSI) ファイバーチャネルなどの旧来のストレージ・プロトコールに比較して、次のような優れた利点を提供できるためです。
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パフォーマンスの向上: NVMe は、最新の高速 NAND 搭載ソリッドステート・ドライブ (SSD) を最大限に活用するように設計されており、従来のストレージ・プロトコルより大幅に高速なデータ転送レートを提供します。NVMe/TCP は、これらの利点をネットワーク・ストレージ環境にも拡張し、データセンターがファブリック上でハイパフォーマンス・ストレージを達成します。
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レイテンシーの削減: NVMe/TCP のレイテンシーの低さは、データ集約型のアプリケーションやリアルタイムのワークロードにとって重要です。NVMe/TCP は、コミュニケーション・オーバーヘッドを最小限に抑え、プロトコル返還の必要性を排除することで、ストレージ・アクセス・レイテンシーを削減し、全体のアプリケーション・パフォーマンスを向上させます。
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スケーラビリティー: データセンターは大規模なストレージの展開を扱うことが多く、NVMe/TCP はネットワーク上で柔軟かつ効率的なストレージ・アクセス・ソリューションを提供することにより、シームレスなスケーラビリティーを実現します。NVMe デバイスの数が増加するにつれて、データセンターは大きなボトルネックなく、ハイパフォーマンス・レベルを維持できます。
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共有ストレージ・プール: NVMe/TCP により、複数のサーバーやアプリケーションに同時にアクセスできる共有ストレージ・プールを作成できます。この共有ストレージ・アーキテクチャーは、リソース使用率を改善し、ストレージ管理を簡素化し、コストを大幅に節約します。
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レガシー・インフラストラクチャーとの互換性: データセンターにはしばしば、イーサネット、InfiniBand、またはファイバーチャネル・ネットワーク上に構築された既存のインフラストラクチャーがあります。NVMe/TCP により、現在のファブリックへの投資を活用しながら、ネットワーク・インフラストラクチャー全体をオーバーホールすることなく、新しい NVMe ベースのストレージ・テクノロジーを統合できます。
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高いリソース使用率: NVMe/TCP により、各サーバーの専用ストレージ・リソースの必要性を減らすことで、リソース使用率を向上させます。複数のサーバーがネットワーク上で共有 NVMeストレージ・デバイスにアクセスでき、高額な NVMe ストレージ・リソースの使用を最適化します。
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将来への備え: データセンターが進化し、より高速なストレージ・テクノロジーを採用するにつれて、NVMe/TCP はストレージ・アクセスに前向きなアプローチを提供し、ストレージ・ネットワークが最新のアプリケーションおよびワークロードの高まる需要に対応できるようにします。
全体として、NVMe/TCP は、データセンターに強力で柔軟なストレージ・ソリューションを提供し、ハイパフォーマンス、低レイテンシー、高い使用率を共有されたスケーラブルなストレージ環境を実現します。
ソフトウェアのみのストレージ・アーキテクチャーの制限
ストレージ向け NVMe/TCP の優れた利点にもかかわらず、データセンターのオペレーターは、すべての必要なストレージ・イニシエーター・サービスがホストサーバー CPU 上のソフトウェアで実行される実装に関連して、大きな制限があることを認識している必要があります。図 2 を参照してください。
まず、ストレージ仮想化ソフトウェア、ハイパーバイザー、またはバーチャル・スイッチ (vSwitch) がサイバー攻撃で侵害された場合、システム・レベルのセキュリティー・リスクが発生します。
次に、テナント・ワークロード間を完全に分離する方法はありません。単一のアーキテクチャーがマルチテナント環境で複数の顧客のアプリケーションとデータをホストします。アプリケーションまたは仮想マシン (VM) が最も利用可能なリソースを使用し、共有インフラストラクチャーにおける他のテナントに対してシステム・パフォーマンスを低下させた場合、「ノイジーネイバー」問題が発生します。
最後に、ホスト CPU コアのかなりの部分は、ストレージ仮想化ソフトウェア、ハイパーバイザー、vSwitch などのインフラストラクチャー・サービスを実行するために必要です。これにより、VM、コンテナ、アプリケーション向けに収益化できる CPU コア数が減少します。通常、データセンターの CPU リソースの 30% ～ 50% がインフラストラクチャー・サービスによって消費されていると報告されています。
ハイパフォーマンス・ストレージ・サブシステムでは、ホスト CPU が、Transmission Control Protocol (TCP)、Remote Direct Memory Access over Converged Ethernet (RoCEv2)、InfiniBand、ファイバーチャネルなど、いくつかのプロトコルの実行を必要とする場合があります。ホスト CPU がこれらのストレージ・プロトコルおよびその他のインフラストラクチャー・サービスを実行するために集中的に使用されている場合、テナントのアプリケーションに利用できる CPU コア数が大幅に減少します。例えば、16 コアの CPU でも 10 コアの CPU のパフォーマンスしか提供できない場合があります。
このような理由などにより、ソフトウェアのみのアーキテクチャーは、データセンター・ストレージにとって大きなビジネスおよび技術的課題をもたらします。
IPU ベースのストレージ・オフロード・ソリューション
NVMe/TCP ワークロードを、ハイパーバイザー、vSwitch その他のインフラストラクチャー・サービスに加えて IPU にオフロードする (図 3 参照) ことにより、ソフトウェアのみの実装の制限に対処し、データセンターのオペレーターに多大なメリットをもたらします。
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CPU 使用率: NVMe/TCP 通信は、NVMe コマンドとデータを TCP トランスポート・プロトコル内にカプセル化します。ホスト CPU は、これらのカプセル化およびカプセル化解除タスクをオフロードすることなく処理します。これらの操作を専用のハードウェアにオフロードすることで、CPU は他の重要なタスクに集中し、全体的なシステム・パフォーマンスと CPU 使用率を向上させます。
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レイテンシーの低下: NVMe/TCP 通信タスクを専門ハードウェアにオフロードすることで、ストレージ・コマンドの処理レイテンシーを大幅に削減できます。その結果、アプリケーションは、リモートの NVMe ストレージ・デバイスにアクセスする際の応答時間の短縮とパフォーマンスの向上を実現できます。
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効率的なデータ移動: 非 CPU アプリケーション・タスクをディスクリート・ハードウェア・アクセラレーターにオフロードすることで、汎用 CPU を使用するよりも効率的にデータ移動操作を実行できます。大規模なデータ転送およびバッファー管理を効果的に処理し、レイテンシーを削減し、全体のスループットを向上させます。
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スケーラビリティーの向上: NVMe/TCP タスクのオフロードは、大規模なストレージ導入におけるスケーラビリティーを向上させます。CPU をネットワーク・コミュニケーションの処理から解放することにより、システムはより多くの同時接続およびストレージ・デバイスを CPU に縛られずにサポートできます。
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エネルギー効率: 特定のタスクを専用ハードウェアにオフロードすることで、ホスト CPU の消費電力を削減できます。こうしたエネルギー効率は、消費電力が重要な考慮事項である大規模なデータセンター環境において、特に重要です。
NVMe/TCP ストレージ・ワークロードに適用される上記の利点に加えて、IPU ベースのシステム・アーキテクチャーは、インクリメンタルなセキュリティー分離オプションを提供することで、インフラストラクチャー・サービスをテナントのアプリケーションから分離します。これにより、ストレージ、ハイパーバイザー、vSwitch サービスが、テナント・アプリケーションによって開始されたサイバー攻撃に侵害されないようにします。インフラストラクチャー・サービス自体は、IPU 自体のブートプロセスが安全であるため保護されており、一方 IPU はホストサーバーの Root of Trust として機能します。
Napatech の統合ハードウェア・ソフトウェア・ソリューション
Napatech は、F2070X IPU で実行されるハイパフォーマンスの Link-Storage ソフトウェア・スタックで構成され、データセンター・ストレージのオフロード向けに統合されたシステムレベルのソリューションを提供します。図 4 を参照してください。
Link-Storage ソフトウェアには、次のような豊富な機能セットが組み込まれています。
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NVMe/TCP ワークロードのホストから IPU への完全なオフロード;
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TCP ワークロードのホストから IPU への完全なオフロード;
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NVMe から TCP イニシエーター;
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Storage Performance Development Kit Remote Procedure Call (SPDK RPC) インターフェイス上のストレージ構成;
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マルチパス NVMe サポート;
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16 のブロックデバイスの virtio-blk インターフェイスを介したホストへのプレゼンテーション;
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共通の Linux* ディストリビューションにおける標準 virtio-blk ドライバーとの互換性;
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ホスト CPU と IPU 間のセキュリティーの分離。ネットワーク・インターフェイスはホストに公開しません。
Link-Storage に加えて、F2070X は Link-Virtualization ソフトウェアもサポートしており、Open vSwitch (OVS)、ライブ移行、VM から VM へのミラーリング、VLAN/VxLAN カプセル化とカプセル化解除、Q-in-Q、受信側スケーリング (RSS) ロードバランス、リンク集約、Quality of Service (QoS) などの機能を含む、オフロード、加速化、および仮想化されたデータプレーンを提供します。
F2070X は ASIC ではなく FPGA および CPU をベースとしているため、プラットフォームの全機能を導入後にアップデートできます。既存のサービスの変更、新機能の追加、または特定のパフォーマンス・パラメーターの微調整のいずれにおいても、こうした再プログラミングは、純粋に既存のサーバー環境内のソフトウェア・アップグレードとして、ハードウェアを接続解除、削除、または交換することなく実施できます。
Napatech F2070X IPU
インテル® IPU プラットフォーム F2000X-PL 搭載 Napatech F2070X IPU は、インテル® Agilex™ 7 FPGA F シリーズおよびインテル® Xeon® D プロセッサーを搭載した、フルハイト、ハーフレングス (FHHL)、デュアルスロット・フォームファクターの 2x 100G PCIe カードです。
F2070X IPU の標準構成は、4GB DDR4 メモリー 4 バンクを備えたインテル® Agilex™ 7 FPGA AGF023 と、8GB DDR4 メモリー 2 バンクを備えた 2.30GHz のインテル® Xeon® D-1736 プロセッサーとなっています。特定のワークロードをサポートするために、ほかの構成オプションを提供することができます。
F2070X IPU は、PCIe 4.0 x16 (16GTps) インターフェイスを介してホストに接続し、また追加の PCIe 4.0 x16 (16GTps) インターフェイスで FPGA とプロセッサー間を接続します。
2 つのフロントパネル QSFP28/56 ネットワーク・インターフェイスが次のネットワーク構成をサポートします。
- 2x 100G
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8x 10G または 8x 25G (ブレークアウト・ケーブルを使用)。
専用 PTP RJ45 ポートは、外部 SMA-F および内部 MCX-F コネクターとの時間同期をオプションで提供します。IEEE 1588v2 時刻同期がサポートされています。
専用 RJ45 イーサネット・コネクターは、ボード管理を提供します。安全な FPGA 画像アップデートにより、IPU の導入後に新しい機能を追加または既存の機能をアップデートできます。
プロセッサーは、UEFI BIOS、PXE ブートサポート、SSH 経由のフル・シェル・アクセス、および UART を搭載した Fedora Linux を実行します。
