NVMe Over TCP (NVMe/TCP) を理解する方法
NVMe over TCP について理解しようとしていますか？簡単に言うと、誰もが既に使っている標準の TCP/IP ネットワークを使ってストレージ接続を高速化するようなものです。クラウドストレージやリモートサーバーを扱っている場合、あるいは高価なハードウェアを全部アップグレードせずに、より高速で効率的なデータ転送を実現したい場合、NVMe over TCP を理解することは大きな変化をもたらすでしょう。NVMe の速度（通常は PC 内部で動作）を、標準の Ethernet ケーブル経由でインターネットやイントラネットに取り出せるというのは、少し不思議な感覚です。既存のネットワーク設定をわざわざ変更する必要もありません。
NVMe Over TCP の説明
NVMe over TCPがなぜ重要なのかを理解するために、簡単におさらいしておきましょう。NVMeは、PC内部のPCIe接続されたSSD向けに設計された超高速ストレージプロトコルです。しかし、データセンターとクラウドサーバー間のような長距離間で、その速度をどう実現するのでしょうか？そこで登場したのがNVMe-oF（NVMe over Fabrics）です。NVMe-oFは、ストレージが光ファイバーやRDMAプロトコルを介して通信できるようにします。しかし、これらのプロトコルには高性能なハードウェアが必要で、安価ではなく、一般的なクラウド環境には少々過剰です。
NVMe over TCP（NVMe/TCP）は、基本的に、誰もが既に利用しているTCP/IPを使用して、標準イーサネットネットワーク上でNVMeコマンドとデータを転送できるようにするブリッジです。つまり、ファイバーチャネルや専用のハードウェアを必要とせず、堅牢で拡張性に優れ、そして率直に言って管理しやすいリモートストレージシステムを実現できます。通常、Cat 5、Cat 6、光ファイバーなどの一般的なケーブル、つまり既にネットワークで使用されているほぼすべてのケーブルで動作します。
一般的な設定では、NVMe/TCP は従来のプロトコルよりも高速にデータを転送し、エラーフリーを実現します（少なくとも理論上は）。さらに素晴らしいのは、既存のネットワーク機器とシームレスに連携するように設計されていることです。つまり、スケールアップするたびにハードウェアをアップグレードすることなく、高いパフォーマンスを実現できます。
NVMe Over TCP を選ぶ理由
当初のNVMeトランスポートは、主にPCやサーバーなどの内蔵SSD向けに設計され、その用途では優れた性能を発揮していました。しかし、クラウドやリモート環境に移行すると、ファイバーチャネルやRDMAといった既存のプロトコルは特殊なハードウェアを必要とし、特にパブリッククラウドでは必ずしも実用的でも費用対効果も高くありません。そこでNVMe/TCPが登場しました。NVMe/TCPは広く普及しているTCP/IPスタックを使用するため、ネットワークさえあれば誰でも追加の機器を購入することなくNVMe/TCPを利用できます。まるで、メールやブラウジングに使っているのと同じ回線で高速ストレージを利用できるようなものです。
面白いのは、TCPが非常に汎用的であるため、大規模環境への導入が容易なことです。さらに、光ファイバーケーブルと銅線ケーブルの両方をサポートしているため、メンテナンスと拡張がはるかに簡単です。実際の使用感はどうでしょうか？設定によっては、最初は正しく設定できない部分があるかもしれませんが、一度起動すれば驚くほど安定しています。
NVMe Over TCPのコアコンポーネント
NVMe over TCP の仕組みと、それが標準ネットワーク ギアで動作する理由について簡単に説明します。
- リモート ストレージ システムは、従来の OSI モデル レイヤー (物理層とデータ リンク層ではイーサネット、データ転送には TCP/IP) を使用し、すべて使い慣れたネットワーク スタック内で実行されます。
- これは、コマンドとデータの交換にイーサネット ハードウェア (つまり、通常の NIC (ネットワーク インターフェイス カード)) と標準 TCP/IP プロトコルを使用するため、セットアップが非常に簡単になります。
- NVMe コマンドはカプセルとして送信されます。これは、要求または応答のいずれかを含む小さなパッケージと考えてください。NVMe/TCP プロトコル データ ユニット (PDU) を介して交換されます。
- 接続プロセスには、NVMe-oF 接続、NVMe/TCP 接続、Fabric 接続の 3 つのフェーズが含まれます。これらの手順で、ホストとストレージ デバイス間の通信を認証および確立します。
- デバイスが正常に接続されると、ホスト コントローラーは I/O コントローラーを動的に作成するため、手動で煩わされることなく、システムが自然に拡張されます。
NVMe Over TCPの利点
- TCP/IP はどこにでも普及しているので、特別なハードウェアに縛られることはありません。基本的に、スイッチから NIC まですべてがすでに TCP/IP をサポートしています。
- 現在のネットワーク機器を交換する必要はありません。サーバーとストレージアレイでNVMe over TCPを有効にするだけです。簡単です。
- 光ファイバーと銅線イーサネット ケーブル (Cat 5 または 6) の両方をサポートしているため、柔軟な導入オプションが可能になり、既存のデータ センターでのメンテナンスが容易になります。
- 高性能と低レイテンシを実現し、ビッグデータ、AI ワークロード、または遠隔地間での高速な読み取り/書き込み速度を必要とするあらゆる用途に最適です。
- 優れたスケーラビリティを提供します。TCP は動的ルーティングをサポートしているため、大規模なクラウド インフラストラクチャでの長距離セットアップも問題ありません。
- 大規模なコミュニティと幅広いサポート体制があり、トラブルシューティングや継続的な開発が容易になります。もちろん、新しい技術には必ず癖がつきものですから。
NVMe Over TCPの課題
- TCP は多くの作業 (チェックサム計算など) を実行するため、特に複数のクライアントが同じストレージにリモートでアクセスしている場合には CPU に余分な負荷がかかり、ボトルネックが発生する可能性があります。
- NVMe/TCP を使用したハイパーコンバージド環境のセットアップは、可動部分が増え、潜在的な障害点が増えるため、かなり複雑になる可能性があります。
- セキュリティももう 1 つの懸念事項です。TCP は特殊な NVMe ファブリックに比べて脆弱になる可能性があるため、データの漏洩や侵入を防ぐために強固なサイバーセキュリティ対策が必要です。
NVMe Over TCP: 最終結論
結局のところ、TCP/IPはほぼあらゆるものに組み込まれているため、NVMe over TCPは標準ネットワーク上でNVMe並みの速度を実現する実用的かつスケーラブルな方法を提供します。完璧ではありませんが、ほとんどのクラウドおよびリモートストレージのニーズにおいて、パフォーマンス、柔軟性、互換性の点で理想的なバランスを実現しています。追加のハードウェアや高額なアップグレードなしで、リモートSSDへの高速アクセスが必要な環境であれば、ぜひ検討する価値があります。
スケーラビリティに優れ、レイテンシもほぼ抑えられています。また、TCPベースなので既存のインフラとの統合性も良好です。実際の使用状況は環境によって異なりますが、ある環境ではほぼそのまま動作しましたが、別の環境では多少の調整が必要でした。基本的に、現代のストレージにとって頼りになる選択肢と言えるでしょう。
まとめ
- 標準のイーサネットと TCP/IP を使用するため、特別な機器は必要ありません。
- クラウド環境全体でのリモート SSD アクセスに適しています。
- セットアップの複雑さを管理しながら高速化します。
- CPU 負荷とセキュリティ上の懸念に注意してください。
まとめ
これでNVMe over TCPについて少しでも理解が深まったでしょうか。魔法の薬ではありませんが、ネットワーク全体を刷新することなくストレージを高速化するための実用的な方法です。次のステップは？設定を微調整し、セキュリティを厳重に保ち、データフローが改善されるかどうか確認してみてください。私の場合はうまくいきました。皆さんにも効果があることを願っています。