随着全新一代PCIe 5.0 SSD的发布，新的NVMe 2.0规范协议也是如期而至。作为PCIe SSD*为重要的底层协议，NVMe 2.0都有哪些重要调整？又有哪些值得我们关注的新功能？本文简单解答。

NVMe 演化史

NVMe自诞生以来，其关注的焦点几经变化。一开始，NVMe的目标是定义NVMe架构和NVMe命令集，用一个共同的接口来统一PCIe SSD，让PCIe SSD可以很方便的在当时系统环境下布署使用起来。而在NVMe正式落地之前，客户只能安装由PCIe SSD厂商提供的专用驱动程序，使用场景存在一定限制。值得一提的是，忆恒创源（Memblaze）不仅仅是全球*早一批做PCIe SSD的厂商，同时也是国内首家实现NVMe协议规范支持的厂商。

之后，NVMe架构和命令集继续扩展，以支持更多的应用场景，更多的Transport 协议，如Ethernet，Fiber Channel等，而不仅仅局限在机箱内部。完成上述目标之后，NVMe又开发出了一些新的命令集，同时也将NVMe扩展到了新的应用场景，如自动驾驶，仓库规模存储，计算存储等。

NVMe 技术演化图（引自 NVM Express）

NVMe从1.0发展到1.4，逐渐形成NVMe Base Specification（NVMe）、NVMe Management Interface Specification（NVMe-MI）和NVMe Over Fabrics Specification（NVMe-oF）三大Spec合集，它们看似独立，但又彼此关联，相互依赖。

NVMe 1.0 到 NVMe 1.4 的发展历程（引自 NVM Express）

随着Spec的增多，如何组织这些Spec就成了新的问题。在NVMe 1.4架构下，如果我们想要添加新的命令集，或区分不同的Transports协议，使用当前Spec架构就会带来诸多不便，牵一发而动全身。所以NVMe 2.0*重要的使命，就是通过对Spec结构进行调整以方便在*小化已有方案影响的前提下进行新的开发。

新的Spec架构更加趋于模块化，将Command Set和Transport Spec从原有三大合集中独立出来，与Base Spec、NVMe-MI一同，构成了新的NVMe 2.0协议族，也方便未来有更多新的功能添加进来。如下图所示，当有新的功能出现，只需要对Command Set Spec进行扩充即可。

（引自 NVM Express）

此外，NVM Express还发布了名为“NVM Express Boot Specification”的规范文件，对NVMe设备的启动做了规范。所以，**的NVMe协议族如下：

（引自 NVM Express Boot Spec）

NVMe 2.0

2021年6月3日，NVMe 2.0协议族发布，它由8个具体的协议规范组成，其中，NVM Command Set、Zoned Namespace Command Set、Key Value Command Set共同组成了新的Command Set协议族，Transport Spec也被细分为PCIe、RDMA和TCP三种。

NVM Commend Set Spec、PCIe Transport Spec是NVMe*开始想要实现的目标，在此基础上又有6个Spec被开发出来，可见NVMe的技术发展确实是**快的。

NVMe 2.0 协议族（引自 NVM Express）

NVMe 2.0定义了3种命令类型：Admin命令、I/O命令和Fabrics命令。跟之前版本一样，Admin命令用于控制器的管理，有专用的Admin SQ/CQ来实现命令传递。I/O命令使用I/O SQ/CQ，如我们熟悉的读和写，都由I/O命令完成，在NVMe 2.0协议族中，I/O命令集又分为NVM命令集、Zoned Namespace命令集和Key Value命令集三种。Fabrics命令则专用于NVMe over Fabrics。

（引自 NVM Express Base Spec 2.0c）

NVMe Transport是基于物理连接属性抽象的协议层，分为Memory-Based和Message-Based两种，其中，Message-Based Transport又可以分为Message-Only型和Message/Memory混合型。

Memory-Based Transport指Host和NVM Subsystem之间的命令、应答和数据是由显性的内存读写命令来完成的，代表协议是NVMe over PCIe Transport Spec。

Message-Based指Host和NVM Subsystem之间通过发送Message封装命令和响应数据，代表协议有Fiber Channel、TCP Transport Spec。

Message/Memory混合型则会组合使用Message和显性的内存读写命令，代表协议是RDMA Transport Spec。

（引自 NVM Express Base Spec 2.0c）

NVMe 2.0有很多新增Feature以及基于原有Feature做出的改进。接下来，我们重点介绍大家*为关注的部分：

NVMe 2.0 的新功能

NVMe 2.0 New Features（引自NVMe官网）

Simple Copy Command

该命令属于I/O Command命令集，旨在提供更高效、更简化的数据复制方法，以改进数据管理和传输操作的性能。它允许Host将一段或者多段LBA上的数据拷贝到一个连续的LBA上，Host只需要指定源地址和目的地址即可，NVMe SSD在收到命令后会自己进行数据的拷贝工作，从而大大减少了对总线和Host资源的占用并降低延迟。

而在没有这个命令之前，要完成这样的拷贝工作，需要先将数据读到Host的内存里，然后再写入到SSD上。

Domains and Partitioning

NVMe 2.0将NVM的存储结构分为5个层级：NVM Subsystem、Domain、Endurance Group、NVM Set和Namespace，它们的层级关系如下：

（引自 NVM Express Base Spec 2.0c）

下图则展示了这些层级在一个相对复杂的NVM Subsystem中的关系，它包含了多个Domain、Endurance Group、NVM Set和Namespace。

（引自 NVM Express Base Spec 2.0c）

NVM Subsystem可以由1个或多个Domain（域）组成，每个Domain都独立存在，具备各自的状态信息，如电源状态、容量信息，Domain之间存在通信边界，如故障边界、管理边界。如果一个NVM Subsystem中存在多个Domain，它们将以协作的方式运行。通过将NVM Subsystem划分为不同的Domain，有利于提供更加灵活、安全和高性能的数据管理和隔离能力，使NVMe设备可以适用于更加复杂的存储场景。

NVM Set 和 Endurance Group

NVM Set和Endurance Group是NVM存储架构中两个可选的层级，NVM Set由单个或多个Namespace构成，单个或多个NVM Set又共同构成了一个Endurance Group。在同一个Endurance Group中，这些NVM Sets使用相同的耐用性属性和管理策略，受到相似的写入和擦除次数的约束，也有利于平衡NVMe设备的使用并**化写入寿命。

Command and Feature Lockdown

NVMe 2.0 新增了Lockdown Command，其功能是阻止某些命令执行。该命令属于Admin Command命令集，作用范围包括：

带内Admin命令集中的命令和Set Feature命令下的各种feature；

NVMe-MI中的Management Interface命令集中的命令和PCIe命令集中的命令。

当然，对于已经上锁的命令也可以使用该命令进行解锁。此外，NVM Subsystem在重新上电时，这些命令也将恢复到解锁状态。

NVMe KV、Zoned Namespaces

和 Namespace Types

如前文所述，NVMe 2.0在I/O命令集中加入了NVMe KV和Zoned Namespaces 这两个命令集，因此相应地也需要不同类型的Namespace Types。

IO Command 

Set Independent Data Structure

这是NVMe 2.0新增的一个Identify数据结构，它所提供的信息是跟IO命令集无关的。这个数据结构的特殊之处在于，它可以在Namespace attach到Controller之前提供一些信息。

Rotational Media

增加对HDD的支持。

此外，全新NVMe 2.0规范协议还对一些原有Feature做出优化或调整，如Telemetry统一接口日志收集、Persistent Event Log持久化日志等，内容比较多，在此就不一一介绍了。而在后面的文章中，我们也将对NVMe 2.0以及全新一代PCIe 5.0 SSD的一些新功能做更加详细的介绍，欢迎大家持续关注。

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