关于SSD存储原理的介绍（ssd硬盘存储原理）

众所周知SSD的读写速度远比HDD磁盘要快，理解SSD的工作原理可以使我们设计出高效的储存方案。

linux相关指令

fstrim --fstab --verbose ## 回收(discard)文件系统上对应磁盘未使用的块
blkdiscard /dev/nvme1n1  ## 回收并擦除(discard)整个SSD块设备
wipefs -a /dev/nvme1n1   ## 擦除(erase)文件系统的签名

fstrim

fstrim命令实际可以视为手动对SSD磁盘下发TRIM指令。使用-v参数可以直接查看TRIM回收擦除空间的大小。fstrim是针对已挂载的文件系统的SSD分区。

root@xxxx:~# fstrim --help


Usage:
 fstrim [options] <mount point>




Discard unused blocks on a mounted filesystem.




Options:
 -a, --all           trim all supported mounted filesystems
 -A, --fstab         trim all supported mounted filesystems from /etc/fstab
 -o, --offset <num>  the offset in bytes to start discarding from
 -l, --length <num>  the number of bytes to discard
 -m, --minimum <num> the minimum extent length to discard
 -v, --verbose       print number of discarded bytes
 -n, --dry-run       does everything, but trim




-h, --help          display this help
 -V, --version       display version




For more details see fstrim(8).

以下是执行后返回的结果，以NVMe 为列。

/home: 32.5 GiB (313011310592 bytes) trimmed on /dev/mapper/gat204--vg-root
/boot/efi: 102.2 MiB (607301632 bytes) trimmed on /dev/nvme1n1p1
/boot: 732.5 MiB (825778176 bytes) trimmed on /dev/nvme1n1p2
/: 60.7 GiB (65154805760 bytes) trimmed on /dev/mapper/gat204--vg-swap_1

ubuntu与debian的systemd 服务可以定时执行fstrim，省去手写crontab脚本工作。

systemctl status fstrim.timer ##查询服务状态
systemctl enable fstrim.timer ##开启定时TRIM功能

blkdiscard

blkdiscard用于擦除(discard)SSD设备扇区，和fstrim不同这条命令直接用在块设备上，默认擦除整个块设备的所有扇区。

root@xxxx:~# blkdiscard -help


Usage:
 blkdiscard [options] <device>


Discard the content of sectors on a device.


Options:
 -o, --offset <num>  offset in bytes to discard from
 -l, --length <num>  length of bytes to discard from the offset
 -p, --step <num>    size of the discard iterations within the offset
 -s, --secure        perform secure discard
 -z, --zeroout       zero-fill rather than discard
 -v, --verbose       print aligned length and offset


-h, --help          display this help
 -V, --version       display version


For more details see blkdiscard(8).
root@ECSab169d:~# man blkdiscard

擦除(discard)成功后，没有返回结果。

root@xxxx:~# blkdiscard /dev/nvme1n1
root@xxxx:~#

wipefs

wipefs是linux自带的程序，用来擦除(erase)文件系统的签名，不会清空文件系统或设备中的任何其他数据。默认情况下，wipefs不会擦除非整个磁盘设备上的嵌套分区表。为此，需要—force选项。

root@gat204:~# wipefs --help


Usage:
 wipefs [options] <device>


Wipe signatures from a device.


Options:
 -a, --all           wipe all magic strings (BE CAREFUL!)
 -b, --backup        create a signature backup in $HOME
 -f, --force         force erasure
 -i, --noheadings    don't print headings
 -J, --json          use JSON output format
 -n, --no-act        do everything except the actual write() call
 -o, --offset <num>  offset to erase, in bytes
 -O, --output <list> COLUMNS to display (see below)
 -p, --parsable      print out in parsable instead of printable format
 -q, --quiet         suppress output messages
 -t, --types <list>  limit the set of filesystem, RAIDs or partition tables
 -h, --help          display this help
 -V, --version       display version


Available output columns:
     UUID  partition/filesystem UUID
    LABEL  filesystem LABEL
   LENGTH  magic string length
     TYPE  superblok type
   OFFSET  magic string offset
    USAGE  type description
   DEVICE  block device name


For more details see wipefs(8).

检查SSD是否支持TRIM

##可以通过 /sys/block 下的信息来判断 SSD 支持 TRIM, discard_granularity 非 0 表示支持。
# cat /sys/block/sda/queue/discard_granularity
0
# cat /sys/block/nvme0n1/queue/discard_granularity
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存储元器件(闪存颗粒类别)

SSD的储存是NAND-Flash闪存颗粒，分为SLC、MLC和QLC四种。可以粗略地把闪存颗粒理解成是一个电容加上电压计的组合。一个电容能存放一个比特的数据，电压计使电容能区分不同电压，不同的电压能存放更多的比特数据。

SLC(Single-Level Cell): 每个Cell单元存储1bit信息，也就是只有0、1两种电压变化，结构简单，电压控制也快速，反映出来的特点就是寿命长，性能强，P/E寿命在1万到10万次之间，但缺点就是容量低而成本高。

MLC(Multi-Level Cell): 每个cell单元存储2bit信息，需要更复杂的电压控制，有00,01,10,11四种变化，这也意味着写入性能、可靠性能降低了。其P/E寿命根据不同制程在3000-5000次不等.TLC(Triple-Level Cell):每个cell单元存储3bit信息，电压从000到001有8种变化，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，但是架构更复杂，P/E编程时间长，写入速度慢，P/E寿命也降至1000-3000次，部分情况会更低.寿命短只是相对而言的，通常来讲，经过重度测试的TLC颗粒正常使用5年以上是没有问题的。

QLC(Quad-Level Cell):QLC或者可以叫4bit MLC，电压有16种变化，但是容量能增加33%，就是写入性能、P/E寿命与TLC相比会进一步降低。具体的性能测试上，美光有做过实验。读取速度方面，SATA接口中的二者都可以达到540MB/S，QLC表现差在写入速度上，因为其P/E编程时间就比MLC、TLC更长，速度更慢，连续写入速度从520MB/s降至360MB/s，随机性能更是从9500 IOPS降至5000 IOPS，损失将近一半。

这四类当中，SLC的性能最优，价格超高；MLC性能够用，价格适中为消费级SSD应用主流；TLC综合性能最低，价格最便宜，但可以通过高性能主控、主控算法来弥补、提高TLC闪存的性能；QLC出现的时间很早，价格便宜，容量大。

P/E以及其SSD底层储存结构

P指的是Program(编程)，E指的是Erease (擦除), 闪存完全擦写一次可以称为1次P/E,因此闪存的寿命以P/E为单位。和HDD机械硬盘不同，HDD的数据是可以覆写的(Overwrite),而SSD在写入数据前必须先进行擦除(erase)，一般在格式化文件系统步骤或者SSD出厂配置的过程中，SSD已进行了全盘擦除(erase)，因此SSD的首次写入数据是直接编程。

SSD在闪存单元中存取数据时有page和block的概念。SSD被划分成很多block, 而block被划分成很多page。

NAND-Flash读写流程

Page是NAND-Flash单次读写单位,大小一般为4K或者4K字节的倍数，写操作只能写到空的page，而清除数据(Erase) 是以块(block)为单位的。块的擦除次数有寿命限制，超限制就会变成坏块。

用户对SSD的写入数据操作可以分为两种类型：

1.原来SSD磁盘上没有数据，写入数据。

2.SSD磁盘上有数据，对该数据进行修改（包括删除）。

前者只需把数据直接写入到空白页即可，后者则是read-modify-write方式操作，读取原有page的内容到缓存中并进行更新，最后写入到其他空的page，原有的page置为无效页。

可以想象对文件的持续反复的修改，将会产生大量的无效页，这就需要“垃圾回收”（Garbage Collection-gc）机制来回收这些无效页，否则可以写入空间越来越小。

FTL 和磨损均衡

SSD的主控执行磨损均衡（Wear-Leveling）策略，使SSD磁盘各个块的擦除次数均匀分摊到各个块上。就像内存MMU一样，SSD内部使用闪存转换层（FTL）存放了逻辑块地址（Logical Block Address，简称 LBA）到物理块地址（Physical Block Address，简称 PBA）的映射。操作系统访问的硬盘地址，其实都是逻辑地址。只有通过 FTL 转换之后，才会变成实际的物理地址，找到对应的块进行访问。操作系统本身，不需要去考虑块的磨损程度，只要和操作机械硬盘一样来读写数据就好了。

“垃圾回收”机制

写入放大（write amplification）

上文提及过数据的反复修改会产生大量的无效页，一旦整个块(block)的空间不足以写入数据，SSD会将这个块(block)的数据读入到缓存中，擦除这个块(block)所中的页，然后再把缓存中已更新的数据写入进去。这种read-erase-modify-write过程，就好比写入的数据可能只有一个页4KB，但实际要擦除并且写N个页，称之为写入放大。

写入放大的倍数越大，写入的速度就越慢。

TRIM指令

TRIM是SSD的ATA-8指令，解决写入放大的关键。

文件系统在修改或者删除过程中，发送给通知给SSD记录产生的无效页，间隔一定时间再统一回收擦除所有无效页，擦除更新无效页所在的块(block)。

一方面预留足够多的空间，避免因空间不足产生写入放大的情况。另一方面，使用TRIM，在IO闲时回收擦除无效页，这样有效保证SSD的性能以及提高寿命。

discard与TRIM的区别

在linux术语中，discard指的就是TRIM。

不建议使用linux系统默认的TRIM功能

TRIM功能有两种方式启动，一种是连续TRIM，就是直接在文件系统回收块的时候直接发TRIM命令，这种方式对性能影响比较大，在fstab挂载的时候把default修改成discard。另外一种是定期执行fstrim批量进行TRIM操作，这样避免平时的性能影响，不过fstrim的执行时机要选好，毕竟批量TRIM的时候会对其它任务性能影响较大。

根据文章《Ubuntu Doesn’t TRIM SSDs By Default: Why Not and How To Enable It Yourself》提及到

“The kernel implementation of realtime trim in 11.2, 11.3, and 11.4 is not optimized. The spec. calls for trim supporting a vectorized list of trim ranges, but as of kernel 3.0 trim is only invoked by the kernel with a single discard / trim range and with current mid 2011 SSDs this has proven to cause a performance degradation instead of a performance increase. There are few reasons to use the kernels realtime discard support with pre-3.1 kernels. It is not known when the kernels discard functionality will be optimized to work beneficially with current generation SSDs.” [Source]

利用内核方式的discard 方式无法感知对SSD当前性能的影响。

实践

使用fio测试nvme裸设备

使用fio对裸设备直接进行randwrite测试，在超过30分钟速度由400MiB/s降低至80MiB/s分析原因得出SSD触发了放大写现象，并且由于没有挂载文件系统，无法使用fstrim手动回收空间(可以理解成，在没有文件系统标记下，SSD也不知道哪些是无效页)，再次进行fio测试速度依然是80MiB/s。使用blkdiscard进行全盘擦除后，速度恢复正常。

参考文献

《Trim命令》wiki百科

《浅谈分布式存储之SSD基本原理》滴滴云

《Linux下启用SSDTRIM功能》Louis

结束语

当使用fio直接SSD磁盘进行写入测试后，对磁盘使用blkdiscard可恢复原来的速度。以上就是关于SSD存储原理介绍的全部内容，下期将给大家简单介绍一下什么是iostat，敬请期待~