一篇文章讲清什么是NVMe

因为NVMe的出现，硬盘的性能得到了极大的提升。这个极大是多少呢？读带宽从500MB/s提高到了3200MB/s，写带宽从400MB/s提高到了1200MB/s左右。而读IOPS则达到了50万，甚至更高。也就是说，现在一块基于NVMe的SSD硬盘的性能比一个企业级磁盘阵列还要好。

牛皮吹了这么多，那到底什么是NVMe呢？NVMe的全称是Non-Volatile Memory Express，如果翻译过来就是非易失性内存主机控制器接口规范。你可能还是一头雾水，那我们上搜索引擎搜索一下这个关键词，可能会得到如下图片。

 

图1 NVMe存储

废话说了半天，到底什么是NVMe呢？首先它是一种接口规范，其次它是用于存储设备的接口规范。准确的说是目前最新的存储设备通信协议。这个协议就好比SAS和SATA一样，用于定义硬件接口和传输协议。

关于存储的几个概念

为了彻底搞清楚什么是NVMe，我们先理清楚几个关于存储的概念。

尺寸外形：也就是设备的形状和大小，通常存储设备的尺寸外形包括如下：

• 2.5寸或者3.5寸驱动器（在SFF标准中定义）
• M.2 和 PCI Express（PCIe）（在PCI-SIG标准中定义）

接口：也就是设备如何与计算机通信。常见的存储设备接口包括：

• SATA接口，通常用于2.5寸和3.5寸硬盘，有时候一些M.2设备也会使用
• PCI Express(PCIe)接口， 用于M.2和PCIe设备
• SAS（串行SCSI）和FC（Fibre Channel）接口，仅用于服务器领域和数据中心
• PCIe接口要比SATA接口快的多，SATA3最大带宽是6Gb/s，而基于4X PCIe的M.2接口最大可以达到32Gb/s。

协议：定义了如何在计算机与设备之间传输数据。常见的协议包括：

• 用于SATA接口的AHCI或者ATA协议，
• 用于PCIe接口的NVMe协议

到这里我们应该比较清晰了，NVMe是运行在某种接口上的通信协议，用于规范计算机与存储设备的数据传输。上述设备尺寸、接口和协议通常是可以组合的。下面是常见的集中组合形式。

• 一个2.5寸SSD硬盘，基于SATA接口，通信协议是AHCI或者ATA。具体设备大概如图2所示。

 

图2 SATA接口的SSD

• 一个M.2的SSD， 基于PCIe接口，通信协议是NVMe。具体设备大概如图3所示。

图3 M.2的SSD

• 一个PCIe的SSD，基于PCIe接口，通信协议是NVMe。具体设备大概如图4所示。

图4 PCIe的SSD

这里只是给出了几个具体的例子，便于大家理解接口、设备和协议的关系。具体来说，还有其它很多种组合形式，本文不在赘述。

为什么NVMe会这么快

上面我们介绍了什么是NVMe，下面本文将介绍一下为什么NVMe如此之快（注意：这里说的快是基于SSD设备的，如果是机械硬盘则不然）。由于SSD本身的物理特性，其数据的访问已经非常快了，性能的瓶颈就是出在计算机与设备连接的接口和协议上面。

我们举一个简单的例子。比如我们有一个仓库会不断的生产出产品来，我们可以机械手将产品从仓库拿到其它地方（如图5所示）。对于SATA的SSD，类似于一个单臂的机器人，仓库生产的很快，但机器人每次只能拿一个，搬移的速度就比较慢。

 

图5 单臂机器人

然而对于基于NVMe的SSD呢？相当于这个机器人长了数百只手，这样速度显然就比前者快的多了。

 

图6 多臂机器人

NVMe协议的原理也是如此，它本质是上建立了多个计算机与存储设备的通路，这样搬运数据的速度自然就提高了。在NVMe协议中，多个通路其实就是多个队列，具体如图7所示。在SATA中计算机与存储设备只能有一个队列，即使是多CPU情况下，所有请求只能经过这样一个狭窄的道路。而NVMe协议可以最多有64K个队列，每个CPU或者核心都可以有一个队列，这样并发程度大大提升，性能也自然更高了。

 

图7 NVMe的多队列

今天只是一个入门，后面我们再详细的介绍关于NVMe的更多内容。如果觉得不错，还请大家关注本号，如果觉得太烂，还请下面留言。