NVMe是何物？
NVMe是什么？它的全称为Non-Volatile Memory Express，是一种基于非易失性存储器的传输规范，NVMe规范由包含100多家公司在内的工作小组所制定。认识了NVMe之后，我们看看它到底有什么优势，一个字总结，那就是“快”。形象的来说，NVMe的出现解决了SSD“肚子大”，“有货”，却“吐得不够快”的问题。
对于闪存的普及，标准协议接口是非常重要的一环。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，以及当代处理器、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SATA接口与AHCI标准(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协议劣势越发明显，成为全闪存系统发展的短板。相比于SAS-HDD，SSD单盘的吞吐量、IOPS都有大幅的提升，时延降低到100μs 的水平。SSD能力提升了，传输协议却成为了短板，怎么办？NVM Express组织由此制定了NVMe协议标准，去掉了SAS-HDD系统中的IOScheduler和SCSI等复杂的协议层，换成轻量级的NVMe协议。
NVMe协议栈图
NVMe给存储系统带来哪些优势？
NVMe相比SAS的效率有很大的提升，NVMe所需的每次IO的CPU周期少于SAS的一半；在相同的CPU周期下，NVMe提供的IOPS是SAS的2倍。和NVMe相比，SAS的劣势已非常明显：
1.SAS协议交互次数多，需要在PCIe和SAS之间做协议转换，SAS/SCSI体系协议栈复杂，软件处理协议开销大，难以达到更高的IOPS。NVMe盘直接出PCIe接口，协议交互简单，可以获得更好的性能。
NVMe PCIe SSD可有效降低延迟
2.SAS协议是单队列，而NVMe支持多达64K个队列，每个队列支持最多64K个命令并发，大大提高SSD的IOPS（每秒读写次数）性能，理论上，IOPS=队列深度/ IO延迟，所以增加队列深度，就可以有效提升SSD的IOPS。NVMe多队列可以实现更高的并发处理，与SSD盘的多通道，多个片选，多个Die形成更好的配合，提供更好的性能。SAS 单队列在多核环境编程必须加锁保护，而NVMe原生支持多队列免锁机制，可以更好发挥多核的并发优势，降低软件开销。
队列深度的大幅提升
NVMe给存储系统带来哪些挑战？
存储协议向更高效的NVMe协议发展毋庸置疑，但是NVMe毕竟是一个比较新的协议，而SAS协议仍然作为一种经过多年实践应用的成熟存储协议，相对而言，SAS目前还有一些优势：
1.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。
2.SAS协议对热拔插有完善的支持，IO基于连接的协议机制不会导致故障扩散。而PCIe的热拔插向来是一个技术难点，做到高可靠性需要比较深的技术积累。
3.SAS组网灵活，容易扩展，SAS协议在设计之初就充分考虑组网场景，基于路由交换的协议为扩展性奠定了好的基础。熟悉PCIe协议的人都比较清楚，PCIe的扩展性非常受限，在级联深度和支持设备总数上有很大的局限。
基于SAS SSD的存储系统应用在传统的高性能应用场景，而基于NVMe的存储系统可以应用在对时延要求更苛刻的应用场景。NVMe存储和SAS存储在一段时间内将共同存在，应用于不同的业务场景。
NVMe是一个全新的协议，基于PCIe技术，在带来极致性能的同时，也给盘片和系统的设计带来了新的挑战。
NVMe SSD作为硬盘的一种，必须要支持快速在线更换，而传统的PCIe对热拔插支持易用性不好，特别是暴力热拔插（PCIe surprise hotplug），因此很容易导致系统异常，业务中断。同时，在企业存储中，高可靠性必须采用双控冗余技术，基于PCIe的双端口技术是SSD设计面临的一个难题，目前有些厂家的SSD不是原生双PCIe端口，比如Intel目前的部分NVMeSSD就是通过内部PCIe Switch实现的PCIe双端口，走这样的技术捷径必然导致系统可靠性的降低。
NVMe存储系统面临的另外一个挑战是系统级的优化。有人认为NVMe系统只是简单更换成NVMe SSD盘，就可以得到很大系统级性能优势，其实没那么简单，需要重新设计系统IO架构，适应多核并发处理流程，这样才能充分发挥出NVMe的优势。
NVMe-oF连接SSD到网络
标准的NVMe，它将SSD直接连接到服务器，但是NVM Express组织也发布了NVMe over Fabric (NVMe- oF)的规范，它将用于块存储的非易失性存储连接到网络。根据该组织的说法，“NVMe- oF定义了一个通用架构，它支持一系列存储网络结构，用于存储网络结构之上的NVMe块存储协议。”这包括在存储系统中启用前端接口，扩展到大量NVMe设备，并在数据中心内延长NVMe设备和NVMe子系统可访问的距离。
NVMe-oF规范与NVMe规范有大约90%的相同;然而，它确实使用了一种不同的传输映射机制。NVME-oF也有两种不同的变体:一种用于RDMA，另一种用于光纤通道。
NVMe-oF规范也比NVMe规范新得多，尽管一些厂商已经宣布支持这项技术，但实际上很少有厂商销售NVMe的产品。期待这种技术在未来几年变得更加普遍。
