NVMe ZNS简介——《深入浅出SSD》第2版

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在NVMe 2.0的协议中，能看到一个重磅特性——ZNS。ZNS的全程为Zoned Namespace，ZNS SSD是指实现了ZNS协议的SSD。为了更好阐述ZNS，先从Open-Channel说起。

1.Open-Channel

随着SSD容量的不断变大，单块SSD只服务于一种业务的场景正在逐渐减少，取而代之的是，更多不同业务的数据，比如数据库中的数据、传感器数据、视频数据、云服务器中虚拟机里的用户数据等，会存在于同一块大容量SSD上。然而不同业务数据混在一起，带来了一些问题，具体如下：

1.SSD的写放大收到影响

拿两个顺序写入的业务数据举例：如果这些数据分别存储在两块SSD上，数据在SSD内部都是顺序写入，它们往往也会一起失效（被重新写入或者删除），这样不需要垃圾回收，所以几乎是没有写放大的。然而两种数据混在一起后，可能分布在SSD内部的同一个物理闪存块上，这样就算其中一种数据作废，依然无法直接擦除这个闪存块，仍然需要垃圾回收，从而引入写放大。

2.不同业务的数据访问影响彼此的延时

先看读取过程碰到读取过程的场景。分布在同一个闪存Die上的两种数据不可以同时访问，要依次访问。比如，一种业务是频繁顺序读取513KB数据，一种业务是低频率随机读取4KB数据，显然后者很大概率每一次访问都会碰上前者访问同一片闪存Die,这样它的延时就会变差。

再看读取过程碰到写入过程的场景。若一个业务正在写某个闪存Die里面的某个闪存页，此时另外一个只读的业务正好也要访问该闪存Die的数据，那么读的业务就要等待闪存页写完。我们知道闪存页写入时间（毫秒级别）相对于闪存读取时间（几十微妙级别）来说要漫长的多，这会导致读业务被写业务引入延时。如果读取操作碰到擦除操作，引入的延时会更长。

3.数据稳定性相互影响

假如一个业务A会高频访问数据，在同一个闪存块中业务B的数据就会收到读干扰的影响，甚至可能出现较多位翻转，B业务读取数据时就需要固件额外进行纠错处理。

如何才能解决上述问题呢？答案就是将不同的数据在SSD内部进行物理隔离。这里的物理隔离严格上来说指的是两种数据在SSD中（闪存上），数据的存入以及读出过程完全独立。具体来说是写入和读取闪存的带宽独立且不共享，不存在相互干扰，且具有独立的延时。SSD如何区分不同的业务数据，并且知道哪些数据该放哪里呢？这就要借助Open-Channel SSD了。

Open-Channel的字面意思是把SSD内部的物理通道等拓扑信息以某种方式通知主机端。让最懂业务数据特点的主机端来决定该数据如何在SSD内摆放。其核心思想是把SSD内部的FTL层上移到主机端（主机端需要一个FTL），把SSD的后端（backend,负责管理闪存的接口封装）暴露给主机端。主机端可以直接操控数据存入的物理位置，由于FTL由主机端接管，所以垃圾回收也由主机端负责。下面介绍Open-Chanel的两个核心概念。

1) Chunk：指一系列连续的逻辑块。在一个Chunk内，主机端只能按照逻辑块地址顺序写入，如果要重新写入前面写过的某个逻辑块，需要重启该逻辑块所在的Chunk。

2）并行单元（Parallel Unit，PU）：SSD是通过并行操控闪存来实现高速读写的。PU是SSD内部并行资源的一个单位，主机端可以指定数据写到哪一个PU上。一个PU是可能包含一个或多个闪存Die内所有的Chunk。不同的PU可以完全做到物理隔离。在最新的NVMe协议中，I/O determinism（I/O确定性）已经解决了物理隔离的问题，而在Open-Channel提出时，尚没有标准解决方案，这也是Open-Channel的价值所在。

Chunk的概念：整个逻辑地址空间分成很多大小相同的Chunk

Open-Channel SSD实现了把大部分传统NVMe SSD FTL功能从SSD Firmware内部迁移到上层的主机端，迁移的功能有Date Placement，Garbage Collection,L2P table，I/O Scheduling，Wear Leveling等，实现逻辑拓扑图如下：

这个Open-Channel的逻辑拓扑图如下：

说明：

1）很多Chunk组成了PU

2）很多PU组成了Group

3）很多Group组成了SSD

OC SSD中的逻辑地址的概念被重新定义，它包含了PU、Chunk和Group的信息，编码格式如下:

为了规避上述问题，有没有可能既允许主机端尽量自由摆放数据，又有标准的软件生态呢？就是ZNS，它作为Open-Channel的下一代协议被提出，ZNS协议由NVMe工作组提出，旨在达到以下目的。

1）标准化Zone接口

2）减少设备端的写放大问题

3）更好地配合上层软件生态

4）减少OP，节省客户成本

5）减少DRAM使用，毕竟DRAM在SSD中的成本不可忽略

6）增加带宽，减少延时

2.ZNS的核心概念

先介绍几个与ZNS相关的核心概念，再对其他方面展开介绍

2.1 Zone 存储模型

在传统硬盘上，由于读磁头和写磁头所需磁场强度不同，所操作的对应的磁道数目（记作磁头宽度）也不同。写磁头宽度大于读磁头宽度，有效数据磁头宽度和读磁头宽度一致，这是为了保证每次重写这些有效数据时，不影响其他有效数据。有效数据的周边被无效数据包围，并且写磁头宽度内只有一个读磁头宽度的的有效数据，浪费了很多空间。

补充：

HDD（硬盘驱动器）的写磁头宽度通常大于读磁头宽度，这是因为写磁头需要将磁场在磁盘上转变为磁性颗粒的磁化方向，而读磁头则需要读取已被磁化的磁性颗粒的方向。写入数据时，写磁头需要生成一个较大的磁场来改变磁盘上的磁性颗粒，因此写磁头的宽度较大。读取数据时，读磁头只需要检测磁盘上已经存在的磁场的方向，因此读磁头的宽度可以较小。这种设计有助于提高HDD的写入效率和读取准确性。

为什么不在写磁头宽度放满有效数据呢？叠瓦式磁盘（Shingled Magnetic Recording,SMR）就是在写磁头宽度内放了更多的有效信息。

叠瓦式的原理，如下图所示。每次写入的有效数据磁头宽度仍然为读磁头宽度，但相邻两次写入的磁头范围有重合：第一次写入的数据除了有效数据外，其他无效的数据将会被第二次写入的数据覆盖，第三次写入时会覆盖第二次写入的无效数据。以此类推，每一次写入都会存储新的有效数据，同时覆盖上一次写入的无效数据，如同叠瓦，这就是叠瓦式硬盘名字的有来。

传统磁盘支持按照读磁头宽度进行顺序写入和随机写入，叠瓦式硬盘比较麻烦：顺序写入没有问题，但随机写入会覆盖周围的有效数据。叠瓦式硬盘如果支持随机写，就要经过读->改->写操作，这大大降低了随机写入的速度并带来了写入延迟。另覆盖写也是比较困难。

叠瓦式硬盘虽然很大程度上利用了磁盘的空间，却不得不付出额外的代价。

所以叠瓦式硬盘对写入行为进行约束，尽量避免随机写入。具体来说包括以下几点。

1.把磁盘空间划分很多独立、不重合、容量相同的Zone,Zone之间完全隔离

2.在Zone内部，主机端必须严格按照顺序写入，一旦写入的数据乱序，就会发生有效数据被覆盖的情况

3.Zone也是磁盘空间回收的最小单位，即一个Zone内部的数据总是一起作废，可以从头被重写。

目前有两种类型的叠瓦式硬盘：一种是硬盘内部完成了上述写入约束的硬盘，它对外的接口与传统硬盘完全一致；一种是开放了内部Zone信息的硬盘，它与主机端进行协作完成写入约束。

对于第二种叠瓦式硬盘，主机端做了很多软件优化来保证其在Zone内部的顺序写入，包括块设备层的优化，以及采用ZBC(Zone Block Command set,Zone块命令集)和ZAC（Zoned-device ATA Command set，Zone设备ATA命令集）等。

Open-Channel SSD的chunk和SMR HDD中的Zone非常相似：

1）具有顺序写入的约束

2）都有数据间的隔离–Chunk与Chunk之间，Zone与Zone之间的数据隔离

Open-Channel协议的提出者希望能复用叠瓦式硬盘的成熟软件生态。Zone存储模型（Zone Storage Model）应运而生，它把ZBC/ZAC所定义的Zone接口从叠瓦式硬盘扩展到了SSD，使SSD可以无缝（或者做很少改动）使用与叠瓦式硬盘同样的软件栈。对NVMe SSD而言，Zone存储模型由ZNS协议定位。

2.2 Zone相关定义

Zone Namespace（Zoned命名空间）是指为运行ZNS协议定义的命令集合的命名空间。

把整个Zoned Namespace分化成的大小相同、连续、不重合的逻辑块（Logical Block）空间，这些逻辑块空间就是Zone。

每个Zone都拥有自己独立的属性，这些属性在Zone描述符的数据结构里定义，现摘取部分如下。

1）Zone大小（Zone Size）：指一个Zone里面的逻辑块数目。根据定义，对一个命名空间而言，Zone Size是固定的

2）Zone类型（Zone Type）：ZNS目前支持的是完全顺序写入的Zone类型——Sequential Write Required Zones。支持随机写入的Zones,尚在提议中，暂不介绍。

3）写指针（Write Pointer）：记录了该Zone里面下一个可写的逻辑块地址。

4）Zone状态（Zone State）：每个Zone都有自己的状态，且ZNS定义了一套完整的状态机。

5）Zone开始处逻辑块地址（Zone Start Logical Block Address，ZSLBA）：指一个Zone里最小的逻辑块地址。

6）Zone容量（Zone Capacity）：在Zone内并不是所有的逻辑块都可以被主机端使用，一个Zone里面能被主机端使用的逻辑块数目被称为Zone Capacity。Zone Capacity 小于等于Zone Size。

7）Zone Descriptor Extension Valid（Zone有效扩展描述符）：这是一个标记，表明是否有一个额外的数据（Zone Extension data）与这个Zone关联。主机端可以为每一个Zone绑定特别的用户信息。

2.3 Zone相关的资源

由于所有的Zone都共享SSD内部的资源（包括硬件引擎或内部DRAM缓冲区）等，SSD可以并行接受写入命令的Zone个数也是有限的，其中可以同时写入的Zone个数也是有限的。

SSD把与Zone有关联的资源分为Active Resources和Open Resources，后者是前者的子集。与Zone相关联的资源是否充足会影响Zone的状态机切换。

Active Resources决定了主机端可以发写入命令的Zone个数。举例，假如主机端为每种业务数据分配一个Zone供其写入，那该资源决定了SSD可支持的最大业务数。

Open Resources决定了有多少个Zone可以被同时写入，假如主机端为每种业务数据分配一个Zone供其写入，那么该资源就决定了能同时发起写入的业务数。

2.4 Zone 状态和状态机

每个Zone的状态受到以下因素影响

1）与Zone相关联的资源

2）主机端通过显式发送Zone Management命令来指定Zone的状态机切换

3）收到的I/O命令

4）收到的Format命令

5）系统状态变化，比如NVM子系统重启和控制器关闭

对Zone State的取值列举如下：

1）ZSE:Empty，也就是空状态，往往在Zone初始化时（比如收到format指令）进入，没有写过的Zone大多数也是这个状态。

2)   ZSIO(Zone State Implicitly Opened，隐式打开状态)：主机端没有通过发送Zone Management命令来改变Zone状态，而是在Open Resource充足的情况下直接发起对该Zone的写入，这是Zone会自动切换为ZSIO状态。

3）ZSEO(Zone State Explicitly Opened，显示打开状态)：在Open Resource充足的情况下通过主机端显式发送Zone Management命令，从而把Zone设置为ZSEO的状态。

4）ZSC(Zone State Closed,关闭状态)：SSD没有足够Open Resource时，即同时Open(包括ZSIO/ZSEO状态)的Zone个数满了时，为了支持新的写入命令，SSD会把一些Open(包括ZSIO/ZSEO状态)的Zone切换出去，让它们不占据Open Resource，这些切换出去的Zone的状态标记未Zone State Closed.后续可通过对ZSC状态的Zone写入让它重新申请Open Resource，进而切换到ZSIO/ZSEO。

5）ZSF(Zone State Full，满状态)：大多数时Zone被写满的状态，Zone进入写保护时也需要切换到这个状态。

6）ZSRO(Zone State Read Only，只读状态)：通过Zone Management命令设置

7）ZSO(Offline，离线状态)：通过Zone Management命令设置.

3. ZNS中的核心命令

这里介绍ZNS中几个关键的命令——Read、Write、Zone Append.

3.1 Read命令

跟NVM命令集中Read命令的定义并无区别.需注意的是，ZNS的Read命令需要根据填写的LBA范围定位到Zone。

3.2 Write命令

同样符合NVM命令集的定义，但ZNS协议要求Write命令要收到Zone类型的约束。目前暂时只支持一种Zone类型——顺序写入命令所需Zone。

ZNS对NVMe Write命令的约束导致了以下结果：因为NVMe支持乱序执行，同一个Zone内部，Write命令支持的队列深度只能为1(Queue Depth为1)，队列深度一旦超过1，若同时SSD乱序执行那么就会出错。

如何解决这个问题呢？就要用到——Zone Append。

3.3 Zone Append

在传统SSD内部，FTL起到了把主机端数据的LBA空间映射到闪存的物理地址空间的作用。SSD可以同时接收很多命令，然后把这些命令的数据按照自己内部的调度排列好（可以和接收命令的顺序不一致）。写到闪存后，一笔写命令的逻辑块地址对应的物理位置才更新到FTL。

回到ZNS，Zone可以类比成闪存。主机端如果不指定具体写入的逻辑块地址，只给数据，那就由SSD担任主机端数据到逻辑块地址的映射，这样SSD就可以同时接收很多写入命令，并按照SSD内部的调度排列好（可以和接收命令顺序不一致），然后写入Zone，这时每一笔命令的数据才得到自己的逻辑块地址（由写入位置决定）。然后SSD把得到的逻辑块地址信息通过CQE返回给主机端。这就是Zone Append命令的核心思想。

主机端写入支持很深的队列深度，写入速度问题得到解决；

改动块设备层，原来是逻辑块地址和数据一起写入SSD，现在是先把数据写入SSD才会获得SSD分配的逻辑块地址。这部分操作可以复用现有的叠瓦式硬盘的软件栈。

总结：Zone Append命令让SSD采用了与FTL更新物理地址类似的方式，为主机端的数据分配Zone内部的逻辑块地址。

4.ZNS的优势

ZNS做到了如下内容.

1）提供标准化Zone接口。这里应用了叠瓦式硬盘中的Zone的概念

2）减少了设备端的写放大问题。ZNS对写做了约束，SSD内部不需要对Zone进行垃圾回收，设备端写放大系数接近1

3）减少OP，节省了客户成本。在传统SSD中需要OP来完成垃圾回收。ZNS由于不需要垃圾回收所以不需要很高的OP，同时由于减少了写放大系统，闪存的擦写次数也被减少，主机端可写入数据TBW变大，SSD寿命变长，客户成本降低。

4）减少了对DRAM的使用。在SSD内部实现ZNS不需要传统的FTL，ZNS仅需要维护所有与Zone相关的信息，而传统SSD需要1/1024容量的DRAM来存储映射表，所以ZNS SSD可以节省DRAM使用。

5）增加带宽，减少时延。垃圾回收会浪费掉大量写入带宽，相比之下ZNS没写放大，就会增减主机端写入带宽，同时减少垃圾回收引入的时延。对读命令，因为不同业务分配的Zone之间可以做到数据隔离，所以延时取决于底层闪存的拓扑结构，但因消除了相互之间的干扰，所以总体减少了。

6）更好配合上层软件生态。因为叠瓦式的存在，ZNS跟Open-Channel相比很大的优势是软件生态比较成熟。

5.ZNS SSD应用场景和软件生态

ZNS SSD的应用场景目前主要集中在大规模数据中心、全闪存阵列、存储系统、云服务业务等方面。ZNS特别适合具有顺序写入特性的场景，如流媒体、视频监控以及对数据隔离非常敏感的场景。

Linux kernel 4.10已开始支持Zoned Block Devices(包括NVMe ZNS SSD和ZBC/ZAC SMR HDD).