ssd存儲原理是什么

這篇文章主要介紹“ssd存儲原理是什么”，在日常操作中，相信很多人在ssd存儲原理是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”ssd存儲原理是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

眾所周知SSD的讀寫速度遠比hdd磁盤要快，理解ssd的工作原理使我們開發處高效儲存方案。
 

linux 相關指令

fstrim --fstab --verbose ## 回收(discard)文件系統上對應磁盤未使用的塊
blkdiscard /dev/nvme1n1  ## 回收并擦除(discard)整個SSD塊設備
wipefs -a /dev/nvme1n1   ## 擦除(erase)文件系統的簽名

fstrim

fstrim命令實際可以視為手動對SSD磁盤下發TRIM指令。使用-v參數可以直接查看TRIM回收擦除空間的大小。fstrim是針對已掛載的文件系統的SSD分區

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).

以下是執行后返回的結果，以NVMe 為列

/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與debian的systemd 服務可以定時執行fstrim，省去手寫crontab腳本工作。

systemctl status fstrim.timer ##查詢服務狀態
systemctl enable fstrim.timer ##開啟定時TRIM功能

blkdiscard

blkdiscard用于擦除(discard)SSD設備扇區，和fstrim不同這條命令直接用在塊設備上，默認擦除整個塊設備的所有扇區。

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，沒有返回結果

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

wipefs

wipefs是linux自帶的程序，用來擦除(erase)文件系統的簽名，不會清空文件系統或設備中的任何其他數據。默認情況下， wipefs 不會擦除非整個磁盤設備上的嵌套分區表。為此，需要—force選項。

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).

檢查SSD是否支持TRIM

##可以通過 /sys/block 下的信息來判斷 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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存儲元器件(閃存顆粒類別)

SSD的儲存是NAND-Flash閃存顆粒，分為SLC、MLC和QLC四種。可以粗略地把閃存顆粒理解成是一個電容加上電壓計的組合。一個電容能存放一個比特的數據，電壓計使電容能區分不同電壓，不同的電壓能存放更多的比特數據。

SLC(Single-Level Cell): 每個Cell單元存儲1bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結構簡單，電壓控制也快速，反映出來的特點就是壽命長，性能強，P/E壽命在1萬到10萬次之間，但缺點就是容量低而成本高.

MLC(Multi-Level Cell): 每個cell單元存儲2bit信息，需要更復雜的電壓控制，有00,01,10,11四種變化，這也意味著寫入性能、可靠性能降低了。其P/E壽命根據不同制程在3000-5000次不等.

TLC(Triple-Level Cell):每個cell單元存儲3bit信息，電壓從000到001有8種變化，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，但是架構更復雜，P/E編程時間長，寫入速度慢，P/E壽命也降至1000-3000次，部分情況會更低.壽命短只是相對而言的，通常來講，經過重度測試的TLC顆粒正常使用5年以上是沒有問題的.

QLC(Quad-Level Cell):QLC或者可以叫4bit MLC，電壓有16種變化，但是容量能增加33%，就是寫入性能、P/E壽命與TLC相比會進一步降低。具體的性能測試上，美光有做過實驗。讀取速度方面，SATA接口中的二者都可以達到540MB/S，QLC表現差在寫入速度上，因為其P/E編程時間就比MLC、TLC更長，速度更慢，連續寫入速度從520MB/s降至360MB/s，隨機性能更是從9500 IOPS降至5000 IOPS，損失將近一半.

這四類當中，SLC的性能最優，價格超高；MLC性能夠用，價格適中為消費級SSD應用主流；TLC綜合性能最低，價格最便宜，但可以通過高性能主控、主控算法來彌補、提高TLC閃存的性能；QLC出現的時間很早，價格便宜，容量大。

P/E以及其SSD底層儲存結構

P指的是Program(編程)，E指的是Erease (擦除), 閃存完全擦寫一次可以稱為1次P/E,因此閃存的壽命以P/E為單位。和HDD機械硬盤不同，HDD的數據是可以覆寫的(Overwrite),而SSD在寫入數據前必須先進行擦除(erase)，一般在格式化文件系統步驟或者SSD出廠配置的過程中，SSD已進行了全盤擦除(erase)，因此SSD的首次寫入數據是直接編程。

SSD 在閃存單元中存取數據時有 page 和 block 的概念。SSD 被劃分成很多 block, 而 block 被劃分成很多 page。

NAND-Flash讀寫流程

Page是NAND-Flash單次讀寫單位,大小一般為4K或者4K字節的倍數，寫操作只能寫到空的 page，而清除數據(Erase) 是以 塊(block) 為單位的。塊的擦除次數有壽命限制，超限制就會變成壞塊。

用戶對SSD的寫入數據操作可以分為兩種類型

1.原來SSD磁盤上沒有數據，寫入數據。

2.SSD磁盤上有數據，對該數據進行修改（包括刪除）。

前者只需把數據直接寫入到空白頁即可，后者則是read-modify-write方式操作，讀取原有page的內容到緩存中并進行更新，最后寫入到其他空的page，原有的page置為無效頁。

可以想象對文件的持續反復的修改，將會產生大量的無效頁，這就需要“垃圾回收”（Garbage Collection-gc）機制來回收這些無效頁，否則可以寫入空間越來越小。

FTL 和磨損均衡

SSD的主控執行磨損均衡（Wear-Leveling）策略，使SSD磁盤各個塊的擦除次數均勻分攤到各個塊上。就像內存MMU一樣，SSD內部使用閃存轉換層（FTL）存放了邏輯塊地址（Logical Block Address，簡稱 LBA）到物理塊地址（Physical Block Address，簡稱 PBA）的映射。操作系統訪問的硬盤地址，其實都是邏輯地址。只有通過 FTL 轉換之后，才會變成實際的物理地址，找到對應的塊進行訪問。操作系統本身，不需要去考慮塊的磨損程度，只要和操作機械硬盤一樣來讀寫數據就好了。

“垃圾回收”機制

寫入放大（write amplification）

上文提及過數據的反復修改會產生大量的無效頁，一旦整個塊(block)的空間不足以寫入數據，SSD會將這個塊(block)的數據讀入到緩存中，擦除這個塊(block)所中的頁，然后再把緩存中已更新的數據寫入進去。這種read-erase-modify-write過程，就好比寫入的數據可能只有一個頁4KB，但實際要擦除并且寫N個頁，稱之為寫入放大。

寫入放大的倍數越大，寫入的速度就越慢。

TRIM指令
TRIM是SSD的ATA-8指令，解決寫入放大的關鍵。

文件系統在修改或者刪除過程中，發送給通知給SSD記錄產生的無效頁，間隔一定時間再統一回收擦除所有無效頁，擦除更新無效頁所在的塊(block)。

一方面預留足夠多的空間，避免因空間不足產生寫入放大的情況。另一方面，使用TRIM，在IO閑時回收擦除無效頁，這樣有效保證SSD的性能以及提高壽命。

discard與TRIM的區別

在linux術語中，discard指的就是TRIM

不建議使用linux系統默認的TRIM功能

TRIM功能有兩種方式啟動，一種是連續TRIM，就是直接在文件系統回收塊的時候直接發TRIM命令，這種方式對性能影響比較大，在fstab掛載的時候把default修改成discard。另外一種是定期執行fstrim批量進行TRIM操作，這樣避免平時的性能影響，不過fstrim的執行時機要選好，畢竟批量TRIM的時候會對其它任務性能影響較大。

根據文章《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]

利用內核方式的discard 方式無法感知對SSD當前性能的影響。

實踐

使用fio測試nvme裸設備

使用fio對裸設備直接進行randwrite測試，在超過30分鐘速度由400MiB/s降低至80MiB/s 分析原因得出SSD觸發了放大寫現象，并且由于沒有掛載文件系統，無法使用fstrim手動回收空間(可以理解成，在沒有文件系統標記下，SSD也不知道哪些是無效頁)，再次進行fio測試速度依然是80MiB/s。使用blkdiscard進行全盤擦除后，速度恢復正常。

參考文獻

《Trim命令》 wiki百科

《淺談分布式存儲之SSD基本原理》滴滴云

《Linux 下啟用 SSD TRIM 功能》Louis

結束語

當使用fio直接ssd磁盤進行寫入測試后，對磁盤使用blkdiscard可恢復原來的速度。

到此，關于“ssd存儲原理是什么”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！