以 RoCE+软件定义存储同时实现信创转型与架构升级

news2024/11/20 2:30:14

目前，不少企业数据中心使用 FC 交换机和集中式 SAN 存储（以下简称“FC-SAN 架构”），支持核心业务系统、数据库、AI/ML 等高性能业务场景。而在开展 IT 基础架构信创转型时，很多用户受限于国外交换机：FC 交换机市场几乎被 Broadcom 和 Cisco 等国外厂商垄断，很难找到成熟的国产替代方案。

而随着 RoCE（RDMA over Converged Ethernet） 这一高性能网络技术的日渐成熟，以太网交换机 + NVMe-oF 或成为破局关键：由于 RoCE 通过以太网使用 RDMA（Remote Direct Memory Access）网络协议，用户可以使用国产以太网交换机替代 FC 交换机；搭配支持 NVMe over RDMA（RoCE v2）和信创 CPU 架构的分布式存储，即可同步实现 IT 基础架构的信创转型与架构升级，满足核心业务应用“高性能、低延迟”的需求。

以下将结合权威机构趋势报告和行业用户实践，讨论这一转型方案的可行性。

替代可行性：技术成熟度与信创实践难度分析

技术成熟度：RoCE 成主流 RDMA 实现方案，NVMe-oF（RoCE）获多厂商与权威机构青睐

传统以太网采用 TCP/IP 作为网络传输协议。由于 TCP/IP 协议栈处理带来的延迟较长、服务器 CPU 消耗更高，本质上属于有损网络，其性能一直比不过 FC 网络，这也是为什么企业多采用 FC-SAN 架构支持高性能应用场景。而 RDMA 技术的出现，为解决 TCP/IP 的缺陷，提供了一种全新且高效的解决思路：通过直接内存访问技术，数据从一个系统快速移动到远程系统的内存中，无需经过内核网络协议栈，无需双方操作系统的介入，最终达到高带宽、低延迟和低 CPU 资源占用的效果。

RoCE 正在成为主流的 RDMA 实现方案。相比更早出现的 InfiniBand 技术，RoCE 支持无损以太网部署，无需使用专有网络（IB），成本也更低。虽然 RoCE 在诞生之初有诸多不足， 但经过 10 多年的发展，目前的 RoCE v2 技术已具备路由能力，且在性能表现上已经达到与 InfiniBand 相同甚至更高的水平。Mellanox 发布的《RoCE in the Data Center》白皮书明确表示，直到 RoCE 的出现与成熟，RDMA 才在基于以太网的数据中心得到大规模的应用，为数据中心业务带来低延迟、高性能的体验。中国移动发布的《以太无损网络测试技术白皮书》也指出，“在高性能计算和存储场景中，基于 RoCE 技术构建数据中心网络已成为主流解决方案之一，该方案融合了 RDMA 和以太网的优势”。

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RDMA 三种实现方案对比

目前国际主流的网卡与适配器制造商，如 Intel、Mellanox、Cisco、Broadcom 等，均提供以 RoCE v2 技术实现 RDMA 能力的产品和方案。众多主流云服务商，如 Microsoft – Azure 和 Orcale – Oracle Cloud Infrastructure（OCI）也利用 RoCE 提升方案网络性能。例如，OCI 利用英伟达 ConnectX SmartNICs 和 RoCE 技术构建支持弹性扩展与低延迟的高性能网络，为高性能计算、GPU、AI/ML、Oracle 数据库等场景提供高性能网络能力。国内厂商浪潮也帮助用户基于 Kubernetes 和 RoCE v2 构建 AI 训练集群，提升整体运算性能。可以看出，以 RoCE 支持核心业务场景（尤其是高性能业务场景），已得到业内广泛认可。

虽然 RoCE 对以太网交换机没有能力要求（仅要求网卡支持 RoCE），但要求存储产品提供 RDMA/RoCE 支持。其中应用最广泛的技术之一就是 NVMe-oF（NVMe over Fabrics）。NVMe-oF 是一种数据接入协议，将 NVMe 在单系统内部提供的高性能、低延迟和极低的协议开销等优势，进一步发挥到客户端与存储系统互联的网络结构当中。

Gartner 在《Top Trends in Enterprise Data Storage 2023》报告中指出，NVMe-oF 是块存储领域未来发展的三大重点之一：“NVMe-oF 方案适用于基于 NVMe 硬盘的低延迟应用场景 … 该技术可充分满足应用对高性能和灵活扩展的存储能力要求。同时，在分布式和软硬件解耦的平台上， NVMe-oF 可进一步发挥和增强存储系统的能力。”

根据 Gartner 的预测，到 2027 年，至少 25% 的企业都会使用 NVMe-oF 进一步提升存储性能，以支持 AI/ML、HPC、数据库、金融核心交易系统等高性能应用场景NVMe-oF 支持多种传输层协议，包括 FC（NVMe over FC）、RDMA（NVMe over RDMA）和 TCP（NVMe over TCP）。其中，NVMe over FC 基于传统的 FC 网络，并不适合信创采用。Gartner 在《Competitive Landscape: Innovative All-Flash Array Offerings Architected for the Data-Centric Era》调研中也发现，大部分存储厂商对 NVMe-oF 的支持集中在 NVMe over RDMA/RoCE 和 NVMe over TCP 这两种方案上。而相比 TCP 而言，RDMA/RoCE 可以提供更好的性能，因此数据中心更适合采用 NVMe over RDMA/RoCE，支持对性能和延迟敏感的业务。

现阶段，NVMe over RDMA/RoCE 的应用情况如何？目前，国内用户常见的主流存储厂商，包括 VMware vSphere+vSAN、Dell EMC、IBM、华为 OceanStor、志凌海纳 SmartX 等，均提供支持 NVMe over RDMA/RoCE 的方案/版本，且在国内已具备实践案例（在下文展开解读），充分证明了技术的成熟与可靠性。

信创实践难度：信创以太网交换机与存储方案成熟，行业头部用户已实现转型

“以太网交换机+支持 RoCE 的存储”在技术上可以实现 FC 交换机的信创替代，在实践层面可行吗？有信创方案和实践支持吗？

  • 以太网交换机：国产以太网交换机已经比较成熟了，国内厂商如华为、H3C、锐捷等均可提供国产替代方案。
  • 支持 RoCE 的网卡：国内品牌如华为可提供 25GbE 支持 RoCE v2 的自研网卡产品，但对于更高带宽的使用场景，目前的主流选择还是 Intel、Mellanox 等厂商产品。不过这些非国产品牌的网卡，目前仍在信创场景中普遍使用，且可通过信创验收，因此暂不影响用户的选择和使用。
  • 支持 RoCE 的 SAN 存储：国内厂商如华为 OceanStor 的部分高端集中式存储可支持 NVMe over RDMA（RoCE v2）。

另外可以看到，一些国内企业，如中国工商银行、中国移动、中国银行等行业头部用户，已经先行一步，基于 NVMe over RoCE 技术开展了高性能存储网络转型。例如，中国工商银行在深入调研高性能网络、存储基础设施等技术及产业应用发展情况后，选定 NVMe over RoCE 技术作为金融高性能存储网络的技术路线，率先建成 RoCE-SAN 高性能存储网络体系的“多地多中心”高可用架构，并进入规模化推广应用阶段，有效缓解金融广域骨干网流量压力并降低成本。详细实践经验可参考：工商银行率先完成金融高性能存储网络体系重构。

不过类似工行的转型实践，是将 FC-SAN 架构替换为 RoCE-SAN，即不改变底层集中式存储架构，利用 RoCE-SAN 插件实现以太网交换机的替代。还有一种方式是采用软件定义的存储——存算分离架构的分布式存储或超融合。这种“新一代数据基础设施”搭配 RoCE，同样能实现 FC 交换机的信创转型，同时提供更好的性能和灵活扩展能力，为高性能应用和新业务的快速上线提供敏捷支持。

RoCE + 软件定义的分布式存储：补齐短板，相辅相成

作为一种现代化存储，软件定义的分布式存储将存储资源池化，并将数据分散放置在多个节点中，节点通过网络互连提供存储服务，从而充分与存储硬件解耦，并提升存储资源利用率和扩展能力。虽然分布式架构消除了集中式存储控制器瓶颈，使得并发性能能够随节点的增加而线性增长，但由于基于 TCP/IP 协议栈的 iSCSI 依然是分布式存储主流的接入方法之一，其对 NVMe 新型存储介质的支持已略显疲态，难以充分满足高性能应用对“低延迟”的要求。

以 NVMe over RDMA（RoCE）搭配软件定义的分布式存储，不仅可以实现低延迟极速网络传输，还可以充分发挥分布式存储高性能、易扩展的优势，让用户在开展 IT 基础架构信创转型的同时，实现基础设施的现代化转型。

国内已有不少用户基于这种方案构建信创基础设施，为前沿应用提供高性能、低延迟支持。例如，复旦大学为了构建云上科研智能计算平台，利用支持 RDMA（RoCE）的信创超融合平台（基于分布式存储）提升性能与数据传输效率。经测试，配置 RDMA 后，流量带宽从 6GB 提升至 19GB（提升 217%），可充分满足科学计算的性能需求。详细实践经验可参考：复旦大学 CFFF 计算平台项目高速数据交换平台实践。

替代方案优势总结

  • 同时实现信创转型与架构升级：以标准以太网交换机和支持 NVMe over RDMA（RoCE）的存储方案替代 FC 交换机，可避免 FC 交换机使用问题；同时以更精简的分布式存储架构替代集中式 SAN 存储，可进一步实现 IT 基础架构的现代化升级。若采用 SmartX 分布式存储/超融合，用户还可使用 海光、鲲鹏等信创 CPU 和 Kubernetes 平台，完善信创转型与容器化升级。 
  • 提供“高性能”“低延迟”存储支持：软件定义的分布式存储搭配 RDMA 协议，可在提升存储性能的同时降低网络延迟，充分满足高性能业务场景需求。
  • 降低成本与运维压力：以性价比更高的以太网交换机和分布式存储替代 FC 交换机和高端存储，节约成本的同时可有效降低运维压力。SmartX 还提供超融合部署方式，进一步精简架构和运维。

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