一种NVMe SSD友好的数据存储系统设计

一种NVMeSSD友好的数据存储系统设计

闪存材料的大规模应用对传统存储系统的设计产生了重大影响，传统存储系统的许多设计思想已经不适用于闪存芯片存储系统。传统存储在设计过程中侧重于硬盘震动的问题，所以硬盘的顺序读写能力会融入到数据的合理布局中。在设计过程中，会使用很多运行内存作为硬盘缓存文件，利用数据可逆性的特点忽略很多磁盘 *** 作，小写字母会收敛成英文大写；在IO生产调度层，根据LBA生产调度，具有相邻详细地址的IO将被聚合，这可以进一步改善IO模式并促进硬盘访问数据的顺序。在硬盘内部，根据NCQ方法，降低磁带机的震动，根据磁带机当前的地理位置重新排列和调度输入IO，从而降低硬盘的震动，提高硬盘的浏览性能。但是在SSD上，硬盘的IO特性早就消失了。很多传统对硬盘的改进并不能给SSD带来使用价值，反而在某些情况下会危及性能。随着基本移动存储设备和基本存储原理的转变，存储系统的手机软件设计方案也必须进行调整。闪存芯片控制系统的设计一方面要灵活利用SSD产生的使用价值，另一方面又要避免SSD的缺点。一般来说，如下图所示，存储系统的设计必须关注应用和材料特性。硬盘和SSD相比，有一些共同的特点，但又各有各的独特之处。为了充分发挥固态硬盘的特点并考虑应用需求，必须设计面向固态硬盘的存储系统软件。

面向SSD设计的存储系统手机软件一方面要充分发挥SSD的特点，另一方面又要避免SSD的问题。NVMe固态硬盘的特点可以总结如下:

1.它具有非常高的顺序写入性能和一般的任意写入性能。SSD的内部加载方式是日志式的。新加载的数据将被加载到新的NAND模块中，并且LBA和PBA之间的投影关联将被创建。正因为如此，SSD中有一个垃圾分类回收系统，收购失效的LBA投影模块。垃圾回收会对SSD性能造成严重伤害。一般来说，SSD的恒定性能是SSD中的垃圾收集模块在所有正常运行情况下的检测结果。至于块顺序写入，每次加载的LBA都是连续的，因此可以大大简化SSD中的垃圾分类回收管理机制，减少整个垃圾分类回收过程中的实际数据处理 *** 作，进一步提高SSD的整体性能。根据任意写的实际 *** 作，LBA和PBA的详细地址是随机投影的，整个垃圾分类回收过程中有很多数据处理的实际 *** 作，一方面危及SSD的写；另一方面会造成SSD性能下降。因此，对于NVMeSSD，顺序写入性能高于任意写入性能。为了更好的发挥SSD的性能，尽量选择顺序加载方式，选择SSD内部数据帧两端对齐的大数据块方式，这是对SSD更友好的IO方式。

2.它具有非常高的任意读取性能。SSD中使用的是NANDFlash移动存储设备，对于这类素材不会出现类似硬盘的任意读取问题。为了响应读取请求，SSD内部的fixture首先将LBA转换为PBA，然后从NAND材料加载数据。

根据对固态硬盘读写能力的分析，我们设计了一个以RISL架构为核心的存储系统。RISL是随机输入流布局的缩写。该架构的主要特点是灵活利用NVMeSSD的读写能力，将业务流程的任何IO写请求转换为顺序数据流并加载到SSD中。在RISL层，写请求被聚合，转换成顺序数据流，然后加载到存储层。对于SSD来说，可以保证顺序加载的实际效果，提高SSD内部fixtures的工作效率，从而提高系统软件的整体性能。在学习请求解析层面，RISL内部创建请求投影表，根据请求投影表将客户请求转化为SSD请求，成为任意浏览的读请求目的。RISL架构的存储系统架构如下图所示:

RISL系统软件分为两部分，一部分是StorageService系统，负责写请求的排序和读请求的投影解决方案。此外，在写请求的处理模式中还可以加入重复数据删除、缩减等系统，SSD存储空空间可以得到更高效的利用。另一部分是FlashRAID存储层，对外开放，显示存储目标容器。FlashRAID呈现的存储目标分为两类，一类是密封容器，是写保护的；另一种是活动容器，是可写的。写数据流总是将数据加载到活动容器中，当活动容器被写时，这样的目标将被转换为密封容器。为了更好地保证系统软件突然关机时的数据一致性，设计方案中选用了NVDIMM移动存储设备。根据这份材料，客户数据被汇聚和求解，任何业务流程写入的数据都被转换成顺序数据流。聚合数据商品序列流经重复数据删除模块及其数据缩减模块，进行数据缩减的实际 *** 作，从而提高SSD的利用率。在整个数据写入过程中，会有大量的元数据，这些元数据具有小数据的特点。根据NVDIMM的收敛性，会先将元数据转换成大数据块，再加载持久化的SSD素材，这样可以防止元数据实际 *** 作中导入小写字母的问题。

根据阅读的实际 *** 作，逻辑处理方法很简单。在RISL框架中维护一个数据映射表，根据该表完成业务流程请求和SSD请求之间的映射。SSD请求随机分布在移动存储设备上，获得高并发加载的实际效果。RISL架构中数据投影表的体积与存储量有关。为了更好地提高IO性能，一般在运行内存中加载投影表。另外表格写的时候会改，学习 *** 作流程的时候会搜索。因此，如何保证表单的高并发浏览是设计和完成的关键。

存储系统的设计方案本质上是合理数据布局的设计方案。从合理的数据布局来看，RISL可以很好的匹配NVMeSSD的特性。下图显示了RISL架构的数据布局:

其中绿点表示读请求，小红点表示写请求。从图中可以看出，写请求在SSD上具有很强的可逆性和顺序写入的特性。读请求在SSD上有很强的离散性。SSD上的读写能力请求并不矛盾，但NVDIMM中存在混合浏览特性。换句话说，网络热点数据在NVDIMM中解决，防止了SSD中读写能力的矛盾，从而可以缓解由于写请求导致读请求延迟时间的问题。从图中也可以看出，RISL架构的合理数据布局与硬盘存储系统完全不同，这进一步表明RISL是一种面向SSD、SSD友好的存储系统设计方法。

RISL架构模型还必须考虑的一个难题是垃圾收集。由于RISL将客户的任何写请求转换为顺序IO流，简化了SSD中数据采集的实际 *** 作，所以这个问题就迁移到系统软件中来处理了。由于系统软件更接近业务流程层，可以配合业务流程完成对废弃数据的采集。在面向闪存的存储系统设计方案中，有一个设计思路是将底层FTL迁移到系统软件层。这种想法的一个缺点是SSD必须定制，NANDFlash的插座要立刻暴露在系统软件层。RISL架构可以在标准SSD上完成，但也可以在系统软件层完成垃圾数据块的获取，可以配合业务流程提高闪存芯片存储系统的性能。是RISL架构的优势。

在RISL架构模式的基础上，我们完成了闪存芯片存储系统的原型系统软件。如下图所示，在几块英特尔NVMeSSD磁盘的基础上，当写IOPS达到80万时，IO的平均延迟时间可以控制在160us左右。实现高IOPS和低IO延迟的总体目标。

NVMe固态硬盘是未来的发展趋势。随着NVMeSSD在主存储行业的大规模应用，面向NVMeSSD的存储系统设计方案终将成为热门话题。RISL架构是一种NVMeSSD友好的存储系统设计方法，符合SSD的读写能力，能够充分发挥SSD的性能优势。