非易失性内存主机控制器接口规范NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一个逻辑设备接口规范，它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范。本文为您介绍NVMe协议的基本概念和使用场景。
基本概念
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基本概念 |
说明 |
优势 |
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NVMe |
NVMe为基于PCIe的SSD定义了丰富的命令集和功能集，目标是提高性能和效率，同时让广泛的企业级系统和客户端系统实现互操作。 |
NVMe专为SSD设计，它利用高速接口进行CPU和SDD间的数据通信，相比SCSI、virtio-blk等传统驱动协议速度更快、传输带宽更高。NVMe正在成为数据中心服务器和客户端设备的新行业标准。阿里云ESSD NVMe云盘具备NVMe协议的高性能以及企业特性，当前支持同时挂载到多台支持NVMe协议的ECS实例上，以实现数据共享。 |
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多重挂载 |
即单个NVMe云盘支持同时挂载到同可用区内的多ECS实例，从而实现多台ECS实例对同一块NVMe云盘的并发读写访问。 |
多实例间通过共享一份数据，可有效降低存储成本，可在不移动数据的前提下提升业务扩展能力，并提升故障场景下恢复能力。多重挂载可普遍应用于数据库高可用、一写多读、分布式缓存、加速机器学习等场景。 |
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PersistentReservation（PR） |
属于NVMe协议的一部分，PR命令可以控制客户端访问云盘的权限，PR主要包括register、acquire、release、report四类命令，分别用于权限注册、权限抢占、权限注销和权限查询，通过配置不同云盘和客户端的权限，可以有效提升数据可靠性和安全性。更多信息，请参见NVMe PR协议。 |
在多重挂载场景下，多个不同客户端同时写入一个云盘可能导致数据被写坏，PR可用精确地控制某个云盘的读写权限，从而确保计算端按照预期写入数据，例如PR能力在故障切换场景能确保失效节点不再写入数据，从而保证新节点上线后写入数据的正确性。 |
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NVMe共享盘 |
是一种基于NVMe协议的支持多重挂载和PR特性的云盘，允许同时挂载到最多16个ECS实例上。 |
NVMe共享盘在数据库高可用、一写多读等场景具有广泛的应用价值，能够有效支撑基于传统SAN的高可用业务上云，例如Oracle RAC、SAP Hana、云原生数据库等场景。 |
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共享文件系统 |
在多重挂载的场景下，保证多个挂载节点看到相同数据的文件系统，共享文件系统能确保写入的数据、创建的文件、修改的元数据能够实时同步到所有挂载节点，从而在文件系统层保证数据的一致性。 |
传统的ext3、ext4通常会缓存数据、元数据以加速访问性能，导致在一个节点下写入的数据、创建的文件、分配的磁盘空间信息被缓存在本地，无法被其他节点实时感知到，共享文件系统正是为解决该场景而存在，常见的共享文件系统包括 OCFS2、DBFS等。 |
使用场景
NVMe协议常见的使用场景包括NVMe云盘和NVMe共享盘。
NVMe云盘
NVMe协议正在逐渐成为新一代行业标准，当前越来越多的应用基于NVMe SSD搭建。支持NVMe协议的ESSD云盘称为NVMe云盘，NVMe云盘具备NVMe SSD相同的读写接口，能够无缝对接基于传统NVMe SSD的应用上云，并能充分享受云上的弹性资源、免运维、快照、高性能等特性。更多信息，请参见NVMe云盘概述。
NVMe共享盘
支持多重挂载功能的NVMe云盘称为NVMe共享盘。NVMe共享盘可以帮助应用实现高可用、高并发、可扩展的业务，可以帮助基于传统SAN的业务无缝上云，共享盘常见的应用场景包括数据共享、高可用故障转移、分布式缓存加速、机器模型训练等。
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数据共享
NVMe最简单的应用场景为数据共享，当数据被写入云盘后，其他节点均可以访问该数据，从而有效节省成本并提升读写性能。例如云上容器镜像场景，同一套系统的镜像通常类似，这样一份镜像可以被多个不同实例读取加载。
高可用故障转移
业务高可用是共享盘最常见的应用场景之一，传统基于SAN的数据库，例如Oracle RAC、SAP HANA以及云原生高可用数据库是其中的典范。实际业务使用过程中单点故障是常态，确保故障情况下业务连续性是高可用系统的核心能力，在云上存储和网络具备极高的可用性。而计算节点则经常受断电、宕机、硬件故障等影响，所以业务通常搭建主备模式解决计算的高可用问题。
例如数据库场景，当主库故障时迅速切换到备库对外提供服务，实例切换后，可以通过NVMe PR命令释放旧实例的写入权限，从而确保旧实例不再写入数据影响数据一致性。如图所示，故障转移流程说明如下：
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数据库主实例1宕机，业务停止。
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下发NVMe PR命令，禁止数据库实例1继续写入数据，允许数据库实例2写入数据。
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数据库实例2通过日志回放等方式恢复到和数据库实例1一致的状态。
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切换数据库实例2为主实例，继续对外提供服务。
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分布式缓存加速
NVMe共享云盘具备很高的性能、IOPS和吞吐，可以为其他中低速的存储系统提供性能加速能力。例如数据湖场景，数据湖通常基于OSS搭建，可同时被多个客户端访问，同时具备很高的顺序读吞吐、和追加写吞吐能力，但是其顺序读写吞吐和延迟很差，其随机读写性能较差。通过在计算和存储之间加速NVMe共享云盘作为缓存加速，可以极大地提升数据湖等场景的访问性能。
机器学习
机器学习是另一个共享盘典型应用场景，在将样本标注写入后，会将数据拆分给多个节点进行神经网络的分布式计算，特别是在以GPU为计算资源的高性能机器学习场景，慢速存储很可能成为整个系统的瓶颈，此时利用NVMe共享云盘的高性能，能有效地加速整个机器模型训练的性能。
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