ما هو بروتوكول NVMe في شبكة الحاسوب

تُعد “NVMe” طريقة أسرع لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة للتواصل مع الأنظمة المضيفة الخاصة بهم وإنّها واجهة محسّنة وذات تحكم عالي قابلة للتطوير، وهي مصممة بشكل أساسي لتلبية حاجة المؤسسات وهو يدعم “64 كيلو” من قوائم انتظار الأوامر المتوازية، وإنّه أسرع بكثير من الأقراص الصلبة التي تقتصر على قائمة انتظار أوامر واحدة.

ما هو بروتوكول NVMe

بروتوكول “NVMe”: هي الذاكرة السريعة غير المتطايرة، وإنّه بروتوكول جديد للوصول إلى وحدات التخزين والنقل لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة “SSD” والجيل التالي من محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة “SSD”، والذي يوفر أكبر قدر من الإنتاجية وأسرع أوقات الاستجابة حتى الآن لجميع أنواع أحمال عمل المؤسسة.

• “NVMe” هي اختصار لـ “Non-Volatile Memory”.

أساسيات بروتوكول NVMe

الفائدة الرئيسية المرتبطة بـ “NVM Express” هي أنّه يحسن الأداء ويزيد من “IOPs”، و”NVMe” هي إحدى مواصفات الواجهة لتوصيل التخزين بالخوادم عبر ناقل “PCI Express”، ومن منظور الشخص العادي إنّها طريقة أسرع لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة للتواصل مع الأنظمة المضيفة الخاصة بهم، ويساعد في تخفيف الاختناق الذي حدث عند الاتصال بفلاش عالي السرعة متصل بالأنظمة عبر اتصالات “SAS” أو “SATA” المصممة في البداية لمحركات الأقراص الصلبة.

يدعم تخزين “NVMe” ما يصل إلى “64000 قائمة انتظار” مع “64000 إدخال” لكل منها، ويبدو الأمر أشبه بالانتقال من طريق ذات حارة واحدة، وإلى طريق مكون من “64000 خانة” مع مساحة تتسع لـ “64000 مكون” في كل خانة، ومحركات “NVMe” أسرع بكثير من محركات “SATA” وتبدأ مهام الإدخال والإخراج التي يتم إجراؤها باستخدام برامج تشغيل “NVMe”، وتنتهي بشكل أسرع من برامج التشغيل الأقدم مثل “AHCI”.

تخصص مواصفات “NVMe” واجهة تسجيل ومجموعة أوامر ومجموعة من الميزات لمحركات أقراص الحالة الصلبة المستندة إلى “PCIe” مع أهداف الأداء العالي، وإمكانية التشغيل البيني عبر مجموعة واسعة من أنظمة “NVM” الفرعية، ولا تخصص مواصفات “NVMe” نموذج الاستخدام النهائي مثل تخزين الحالة الصلبة أو الذاكرة الرئيسية أو ذاكرة التخزين المؤقت أو ذاكرة النسخ الاحتياطي.

يسمح للمؤسسات بتوفير تخزين قابل للتطوير دون الحاجة إلى تغيير بنية الشبكة بشكل أساسي ويوفر فترات انتقال مماثلة لتلك المتوفرة من التخزين التقليدي المتصل مباشرة، وتسمح تقنية “NVMe” بمزايا التخزين المستند إلى الفلاش على نطاق أكبر بكثير ولا تقتصر على حدود إطار العمل المستند إلى لوحة “PCIe” المعززة.

باستخدام تقنية “NVMe-oF” سيكون متاحاَ لتوصيل عدد كبير من محركات أقراص الحالة الثابتة في شبكة أكثر بكثير من العدد الذي يمكن الاحتفاظ به عن طريق الأطر القائمة على “PCIe”، وباستخدام تقنية “NVMe-oF” يمكن فصل التنفيذ العالي وموارد التخزين المستندة إلى الفلاش منخفض التأخير عن الخوادم ودمجها في مورد مشترك متصل بالشبكة.

في تنفيذ “NVMe” المحلي يتم تعيين أوامر واستجابات “NVMe” للذاكرة المشتركة في مضيف أنجز واجهة “PCIe”، وتم تطوير الأقمشة بناءً على نهج إرسال واستقبال الرسائل بدون ذاكرة مشتركة بين نقاط النهاية، كما يتم إنشاء عمليات نقل الرسائل النسيجية “NVMe” لتغليف أوامر واستجابات “NVMe” في نظام قائم على الرسائل من خلال استخدام “كبسولات” تحتوي على واحد أو أكثر من أوامر أو استجابات “NVMe”.

يتم استخدام “NVMe” بشكل شائع لتخزين الحالة الصلبة أو الذاكرة الرئيسية أو ذاكرة التخزين المؤقت أو ذاكرة النسخ الاحتياطي، ويوفر بديلاً لمعيار واجهة نظام الكمبيوتر الصغيرة “SCSI” ومعيار مرفق التكنولوجيا المتقدمة “ATA” لتوصيل البيانات ونقلها بين نظام مضيف وجهاز تخزين هدف، وتم تصميم “NVMe” للاستخدام مع الوسائط الأسرع.

تتمثل المزايا الرئيسية لمحركات أقراص الحالة الصلبة “PCIe SSD” المستندة إلى “NVMe” مقارنة بأنواع التخزين الأخرى في تقليل زمن الوصول وعمليات الإدخال أو الإخراج الأعلى في الثانية، ونظراً لأنّ تقنية الحالة الصلبة أصبحت الوسيلة المفضلة في سوق التخزين، سرعان ما أصبح من الواضح بأنّه الواجهات والبروتوكولات الحالية.

يُعد “NVMe” عاملاً تمكينياً رئيسياً للتقنيات والتطبيقات المتطورة مثل إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، والتي يمكن أن تستفيد جميعها من الكمون المنخفض والتحسينات عالية الأداء التي يوفرها التخزين المتصل بـ “NVMe”.

• PCIe”” هي اختصار لـ “Peripheral Component Interconnect Express”.

• “SATA” هي اختصار لـ “Serial Advanced Technology Attachment”.

• “SAS” هي اختصار لـ “Serial-Attached SCSI”.

كيفية عمل بروتوكول NVMe

لا يشير معيار “NVMe” إلى الاستخدام الرئيسي لـ “NVMe”، ومع ذلك فإنّه يحدد واجهة تسجيل ومجموعة أوامر، ومجموعة من الميزات لمحركات أقراص الحالة الصلبة المستندة إلى “PCIe” مع غايات الأداء العالي وقابلية التشغيل البيني عبر مجموعة واسعة من أنظمة “NVM”.

يمكن أن يدعم بروتوكول “NVMe” أي شكل من أشكال الذاكرة غير المتطايرة، مثل محركات أقراص الحالة الصلبة التي تستخدم أنواعاً مختلفة من الذاكرة غير المتطايرة بما في ذلك ذاكرة فلاش “NAND”، وتتوفر برامج تشغيل “NVMe” المرجعية لمجموعة متنوعة من أنظمة التشغيل بما في ذلك “Windows” و”Linux”.

يتصل محرك أقراص الحالة الصلبة “NVMe SSD” عبر ناقل “PCIe” أو موصلات “M.2” و”U.2″، ويتيح بروتوكول “NVMe” المرفق بهذه الاتصالات، زمن وصول أقل و”IOPS” أعلى إلى جانب تقليل استخدام الطاقة، وأوامر “NVMe” تخصص الإدخال / الإخراج والاستجابات للذاكرة المشتركة في كمبيوتر مضيف عبر واجهة “PCIe”، وتساند واجهة “NVMe” الإدخال / الإخراج المتوازي مع معالجات متنوعة النواة لتبسيط الإنتاجية العالية ومعالجة اختناقات وحدة المعالجة المركزية “CPU”.

أهمية بروتوكول NVMe

تم تصميم “NVMe” لوسائط التخزين غير المتطايرة عالية الأداء مثل محركات أقراص الحالة الصلبة وهو مناسب تمامًا للإعدادات كثيفة الطلب والحوسبة، وعلى سبيل المثال يمكن لـ “NVMe” التعامل مع أعباء عمل المؤسسة مع ترك بصمة بنية تحتية أصغر واستهلاك طاقة أقل.

وهناك فرق كبير في الأداء بين “NVMe” و”SATA” وعلى سبيل المثال يواجه “NVMe” زمن انتقال أقل بكثير من بروتوكولات “SAS” و”SATA”، وتعني هذه الزيادة في الأداء وانخفاض زمن الوصول أنه يمكن استخدام “NVMe” مع التطبيقات كثيفة العمل التي تحتاج إلى معالجة في الوقت الفعلي مع تجنب الاختناقات، ويمكن لبيئات المؤسسات ومراكز البيانات الاستفادة من الأداء العالي الذي يمنحه التخزين المستند إلى “NVMe”.

حالات استخدام NVMe

• الاستخدام الاحترافي والمستهلك والتعامل مع المهام مثل تحرير الرسومات.

• تطبيقات ذات أعماق قائمة انتظار كبيرة لتخزين الإدخال / الإخراج، بما في ذلك قواعد البيانات وبعض عمليات الويب.

• الحوسبة عالية الأداء، وعلى وجه التحديد، في التطبيقات التي يكون فيها وقت الاستجابة المنخفض أمراً بالغ الأهمية.

• المجالات التي تتطلب تخزين كميات كبيرة من البيانات، مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والتحليلات المتقدمة والبيانات الضخمة.

• قواعد البيانات العلائقية، ويعمل الأداء الأفضل لأنظمة ذاكرة فلاش “NVMe” على تقليل عدد الخوادم المادية المطلوبة.

• التطبيقات التي تحتاج إلى استرداد البيانات أو تخزينها في الوقت الفعلي، مثل تطبيقات التمويل والتجارة الإلكترونية.

فوائد NVMe

• يمكن لمحركات أقراص “NVMe” إرسال الأوامر بسرعة مضاعفة مقارنة بمحركات أقراص “AHCI SATA”.

• تتمتع محركات أقراص “NVMe SSD” بزمن انتقال يبلغ بضعة ميكروثانية فقط، بينما تتمتع محركات أقراص الحالة الصلبة “SATA” بزمن انتقال يتراوح بين “30 ميكروثانية” و”100 ميكروثانية”.

• تخزين وإدارة والوصول إلى البيانات بكفاءة.

• لديها نطاق ترددي أعلى بكثير مقارنة مع “SATA” و”SAS”.

• يدعم عوامل الشكل المتعددة، بما في ذلك “M.2″ و”U.2” والوصلات.

• يمكن تقسيم البيانات وتبسيطها.

• يدعم بروتوكولات الاتصال النفقي التي تتناول الخصوصية.

عيوب NVMe

• نقص دعم “NVMe” على الأنظمة القديمة.

• ليست فعالة من حيث التكلفة في تخزين كميات كبيرة من البيانات.

• إنّه أغلى مقارنة بمحركات الدوران بناءً على سعة التخزين.

• يتم استخدامه عادةً مع تنسيق “M.2″، والذي قد يحد بشكل أكبر من اختيار محرك الأقراص.