SPDK 助力加速 NVMe 硬盘

简介

存储性能开发套件 (SPDK)是 GitHub托管的一套开源工具和库，可帮助开发人员创建高性能和可扩展存储应用。 本教程将重点介绍 SPDK 提供的用户空间 NVMe 驱动程序，并展示如何在英特尔® 架构平台上运行 Hello World 示例 

软硬件配置

为何需要使用用户空间 NVMe 驱动程序？

一直以来，存储设备的速度都远低于计算机系统的其他组件，比如 RAM 和 CPU。 这意味着操作系统和 CPU 需借助中断才能与磁盘进行交互：

1. 向操作系统提出从磁盘读取数据的请求。
2. 驱动程序处理请求，并与硬件通信。
3. 磁盘片开始运转。
4. 针在磁盘片内移动，开始读取数据。
5. 数据被读取并拷贝至缓冲区。
6. 生成中断，通知 CPU 数据已就绪。
7. 最后从缓冲区读取数据。

这种中断模式会产生开销；但它的延迟一直远低于基于磁盘的存储设备，因此不失为一种有效方式。 随着固态盘 (SSD) 等全新存储设备以及 3D XPoint™存储等下一代存储技术的推出，使存储速度远高于磁盘，并将瓶颈从硬件（比如磁盘）移回至了软件（比如中断 + 内核），如图 1 所示：

图 1.固态盘 (SSD) 和 3D XPoint™ 存储的速度远高于磁盘。 硬件不再存在瓶颈。

读写数据时，用户空间 NVMe 驱动程序轮询存储设备，因此不再需要使用中断。 此外更重要的是，NVMe 驱动程序在用户空间中运行，这意味着应用能够直接与 NVMe 设备交互，无需通过内核。 它会产生开销，因为在与内核交互的过程中需要保存和恢复状态。  NVMe 采用无锁设计，不必使用 CPU 周期同步线程之间的数据，而且这种无锁方法还支持并行 IO 命令执行。

相比于使用 Linux 内核的方法，SPDK 用户空间 NVMe 驱动程序可将总体延迟降低 10 倍：

SPDK 能够使 8 块 NVMe 固态盘达到饱和，从而通过单个 CPU 内核提供超过 350 万次 IOPs：

前提条件和构建 SPDK

SPDK 支持 Fedora*、CentOS*、Ubuntu*、Debian* 和 FreeBSD*。 如欲获取完整的先决软件包列表，请访问此处。

构建 SPDK 之前，必须首先安装数据平面开发套件 (DPDK)，因为 SPDK 依赖 DPDK 中的内存管理和队列功能。 DPDK 是比较成熟的库，常用于网络数据包处理，而且经过高度优化，能够以较低的延迟管理内存和队列数据。

使用以下命令从 GitHub 中克隆 SPDK 源代码：

git clone https://github.com/spdk/spdk.git

构建 DPDK（面向 Linux*）：

cd /path/to/build/spdk

wget http://fast.dpdk.org/rel/dpdk-16.07.tar.xz

tar xf dpdk-16.07.tar.xz

cd dpdk-16.07 && make install T=x86_64-native-linuxapp-gcc DESTDIR=.

构建 SPDK（面向 Linux*）：

在 SPDK 文件夹中构建 DPDK 后，需要将目录恢复成 SPDK，并将 DPDK 位置传输至 make，以构建 SPDK：

cd /path/to/build/spdk

make DPDK_DIR=./dpdk-16.07/x86_64-native-linuxapp-gcc

运行 SPDK 应用之前设置系统

以下命令可设置 hugepage 并解除内核驱动程序对 NVMe 和 I/OAT 设备的绑定：

sudo scripts/setup.sh

使用 hugepage 对性能至关重要，因为相比于默认的 4KiB 页面大小，它们的大小只有 2MiB，并能降低转换后备缓冲区 (TLB) 缺失的几率。 TLB 是 CPU 的一个组件，负责将虚拟地址转换成物理内存地址，因此使用较大的页面 (hugepage) 有助于高效使用 TLB。

借助‘Hello World’开始使用 SPDK

SPDK 包含许多示例和实用文档。可帮助您快速入门。 接下来我们通过示例介绍如何将‘Hello World’保存至 NVMe 设备，然后将其读取至缓冲区。

跳至代码之前还有一点值得注意，即如何组织 NVMe 设备结构，并提供高级示例解释如何利用 NVMe 驱动程序检测 NVMe 设备并读写数据。

组织 NVMe 设备（亦称作 NVMe 控制器）结构时需要考虑以下几点：

• 系统可以有一台或多台 NVMe 设备。
• 每台 NVMe 设备包含多个命名空间（可以仅为一个）。
• 每个命名空间包含多个逻辑块地址 (LBA)。

本示例将经历以下几个步骤：

设置

1. 初始化 DPDK 环境抽象层 (EAL)。 -c 为支持内核运行的位掩码，-n 为面向 master 的内核 ID，--proc-type 为安装 hugetlbfs 的目录。

   static char *ealargs[] = {
            "hello_world",
            "-c 0x1",
            "-n 4", "--proc-type=auto",
   };
   rte_eal_init(sizeof(ealargs) / sizeof(ealargs[0]), ealargs);

    

2. 创建请求缓冲池，用于 SPDK 内部保存各 I/O 请求数据：

   request_mempool = rte_mempool_create("nvme_request", 8192,
             spdk_nvme_request_size(), 128, 0,
             NULL, NULL, NULL, NULL,
             SOCKET_ID_ANY, 0);
   

    

3. 寻找适用于 NVMe 设备的系统：

   rc = spdk_nvme_probe(NULL, probe_cb, attach_cb, NULL);

4. 枚举 NVMe 设备，向 SPDK 返回布尔值，表示是否连接设备：

   static bool
   probe_cb(void *cb_ctx, struct spdk_pci_device *dev, struct spdk_nvme_ctrlr_opts *opts)
   {
        printf("Attaching to %04x:%02x:%02x.%02x\n",
   		     spdk_pci_device_get_domain(dev),
   		     spdk_pci_device_get_bus(dev),
   		     spdk_pci_device_get_dev(dev),
   		     spdk_pci_device_get_func(dev));
   
        return true;
   }

5. 设备已连接；现在可以请求命名空间数量信息：

   static void
   attach_cb(void *cb_ctx, struct spdk_pci_device *dev, struct spdk_nvme_ctrlr *ctrlr,
   	  const struct spdk_nvme_ctrlr_opts *opts)
   {
       int nsid, num_ns;
   	const struct spdk_nvme_ctrlr_data *cdata = spdk_nvme_ctrlr_get_data(ctrlr);
   
   	printf("Attached to %04x:%02x:%02x.%02x\n",
   	       spdk_pci_device_get_domain(dev),
   	       spdk_pci_device_get_bus(dev),
   	       spdk_pci_device_get_dev(dev),
   	       spdk_pci_device_get_func(dev));
   
   	snprintf(entry->name, sizeof(entry->name), "%-20.20s (%-20.20s)", cdata->mn, cdata->sn);
   
   	num_ns = spdk_nvme_ctrlr_get_num_ns(ctrlr);
   	printf("Using controller %s with %d namespaces.\n", entry->name, num_ns);
   	for (nsid = 1; nsid <= num_ns; nsid++) {
   		register_ns(ctrlr, spdk_nvme_ctrlr_get_ns(ctrlr, nsid));
   	}
   }

6. 枚举用户空间，以检索相关信息（比如大小）：

   static void
   register_ns(struct spdk_nvme_ctrlr *ctrlr, struct spdk_nvme_ns *ns)
   {
   	 printf("  Namespace ID: %d size: %juGB\n", spdk_nvme_ns_get_id(ns),
   		    spdk_nvme_ns_get_size(ns) / 1000000000);
   }

7. 创建 I/O 队列对，向命名空间提交读/写请求：

   ns_entry->qpair = spdk_nvme_ctrlr_alloc_io_qpair(ns_entry->ctrlr, 0);

    

   读/写数据

8. 为即将读/写的数据分配缓冲区：

   sequence.buf = rte_zmalloc(NULL, 0x1000, 0x1000);

9. 将‘Hello World’拷贝至缓冲区：

   sprintf(sequence.buf, "Hello world!\n");

10. 将写入请求提交至特定命名空间，从而提供队列对、缓冲区指示器、LBA 索引、数据写入时的回调，以及应传递至回调的数据的指示器：

    rc = spdk_nvme_ns_cmd_write(ns_entry->ns, ns_entry->qpair, sequence.buf,
    						    0, /* LBA start */
    						    1, /* number of LBAs */
    						    write_complete, &sequence, 0);

11. 同时调用写入完成回调。
12. 将读取请求提交至特定命名空间，从而提供队列对、缓冲区指示器、LBA 索引、已读取的数据回调，以及应传递至回调的数据的指示器：

    rc = spdk_nvme_ns_cmd_read(ns_entry->ns, ns_entry->qpair, sequence->buf,
    					       0, /* LBA start */
    						   1, /* number of LBAs */
    					       read_complete, (void *)sequence, 0);

13. 同时调用读取完成回调。
14. 轮询表明数据读写均已完成的标记。 如果请求仍处于传输过程中，我们可以轮询特定队列对的完成情况。 尽管实际数据读写过程处于同步，但 spdk_nvme_qpair_process_completions 函数会查看并返回已完成 I/O 请求的数量，并调用上述读/写完成回调：

    while (!sequence.is_completed) {
           spdk_nvme_qpair_process_completions(ns_entry->qpair, 0);
    }

15. 退出之前需要释放队列对并进行清空：

    spdk_nvme_ctrlr_free_io_qpair(ns_entry->qpair);

github 提供有关上述 Hello World 应用的完整代码示例，有关 SPDK NVME 驱动程序的 API 文档请访问www.spdk.io

运行 Hello World 示例时将显示以下输出：

SPDK 中的其他示例

SPDK 包含许多示例，可帮助您快速入门并了解 SPDK 的工作原理。 perf 示例对 NVMe 硬盘进行了性能评测，以下为该示例的输出：

开发人员如需获取 NVMe 硬盘信息，比如特性、管理命令集属性、NVMe 命令集属性、能源管理和健康信息，可使用识别示例：

其他实用链接

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作者

Steven Briscoe 是英特尔（英国）公司的一名应用工程师，在软件服务事业部负责云计算工作。

Thai Le 是英特尔公司的一名软件工程师，负责云计算和性能计算分析工作。