如何充分发挥出NVMe盘的持久性？

在过去十几年中，CPU的性能提升了100倍以上，而传统的HDD硬盘（Hard Disk Drive）才提升了1.5倍不到，这种不均衡的计算存储技术发展，极大地影响了IT系统整体性能的提升。直到固态硬盘SSD（Solid State Drive）被发明出来，其性能有了颠覆性的提升，才解决了存储的瓶颈问题。然而，SSD作为一项新技术，仍然存在一些固有的缺陷，如何充分发挥SSD的优势，是一个值得研究的方向。下面从性能、持久性、使用成本等方面对此话题做一些探讨。

一、如何充分发挥出SSD的性能

首先，我们来看看传统HDD的使用方式：

协议一般都采用SAS、SATA接口；

Linux的IO调度需要用电梯算法来对IO进行重排以优化磁头的路径；

企业级存储通常使用Raid卡做数据保护。

在接口协议方面，随着SSD的发明，NVMe协议应运而生。相较于SAS、SATA的单队列机制，NVMe最多可以有65535个队列，并且直接采用PCIe接口，消除了链路和协议瓶颈。

在控制卡生态方面，各大厂商也纷纷推出自己的NVMe控制卡芯片，有PMC（现属于Microchip）、LSI、Marvel、Intel、慧荣以及国内的得瑞等，技术也已经非常成熟。

在Linux 驱动和IO协议栈方面，也做了相应的优化，如下图所示，NVMe驱动可以直接绕过那些传统的、专为HDD设计的调度层，大大缩短了处理路径。

到目前为止，为了充分发挥SSD的性能，上面提到的三个传统HDD的问题中前两个已经得到了解决，然而在企业级市场上，基于NVMe的Raid始终没有太好的方案。传统企业最广泛使用的Raid5/Raid6数据保护机制（N+1， N+2），通常是把数据条带化分片，然后计算出冗余的Parity Code（奇偶校验码），将数据存放到多块硬盘，写入新数据通常是一种“读改写”的机制。这种机制本身就成为了性能瓶颈，并且“读改写”对SSD的使用寿命有很大的损耗。另外，因为NVMe协议把控制卡放到了NVMe盘的内部，IO都由NVMe盘内部的DMA模块来完成，这就给基于NVMe的Raid卡设计带来了更大的困难。目前市场上这类Raid控制卡可用方案也很少，并且性能上也无法发挥出NVMe的优势，因此没能被广泛使用。

基于目前这种状况，很多企业级存储方案仍然在使用SAS/SATA的SSD加传统的Raid卡，这种方式又会出现前面已经解决的两个问题，SSD的性能得不到充分发挥。

然而，这样的情况也在发生改变，由Lightbits Labs发明的NVMe over TCP（NVMe/TCP）存储集群解决方案就对这个问题做了很好的处理。该解决方案通过自主研发的一块数据加速卡，采用Erasure Code（纠删码）机制可以做到超过1M IOPS的随机写性能，并且可以避免“读改写”带来的使用寿命损耗。另外，Lightbits提出了Elastic Raid机制，该机制提供弹性的N+1保护（类似于Raid5），相较于传统的Raid5需要热备盘或者需要及时替换损坏盘，该机制在一块硬盘发生损坏之后能自动平衡形成新的保护。比如一个节点内原先有10块盘，采用9+1的保护，当某块盘损坏后，系统会自动切换成8+1的保护状态，并且把原先的数据再平衡到新的保护状态，从而在可维护和数据安全性方面实现了大幅提升。此外，该数据加速卡还能做到100Gb的线速压缩，显著提高了可用容量，进而能大幅降低系统使用成本。

二、如何提升NVMe盘的持久性

目前使用最广泛的SSD是基于NAND颗粒的，而NAND一个与生俱来的问题就是持久性（endurance）。并且随着技术的发展，NAND的密度也越来越高，最新一代已经到了QLC（4bits per Cell），同时每个Cell可被擦写的次数也在减少（1K P/E Cycles）。发展趋势如下图所示。

另外，对NAND的使用有一个特点，就是可擦的最小单位比较大，如下图所示，写的时候可以4KB为单位往里面写，但是擦的时候（比如修改原有数据）却只能以256KB为颗粒来操作（不同的SSD大小不一样，但原理都一样）。这就容易形成空洞而触发SSD的GC（Garbage collection）数据搬移，进而导致所谓的写放大现象，对盘的持久性会产生进一步影响。

在企业级存储中，通常使用Raid5/6这种“读改写”的机制，会对盘的写操作数量进一步放大，一般使用场景下大约是直接写入方式的2倍损耗。此外，很多Raid5还会启动Journal机制，对盘的使用寿命会进一步损耗。

最后，对于最新的QLC来说，使用中还需要考虑另一个因素——Indirection Unit （IU）。比如有些QLC盘使用 16KB的IU，如果要写入较小的IO，也会触发内部“读改写”，对使用寿命又多一重损伤。

由此可以看出，基于NAND的SSD还是比较娇弱的。不过，只要能正确地使用，还是可以避免这些问题。比如以某常用的QLC盘为例，通过如下两组关于性能和持久性相关的参数可以看出，在持久性上顺序写是随机写的5倍，而性能更是26倍：

顺序写 0.9 DWPD， 随机4K写0.18 DWPD；

顺序写 1600 MB/s， 随机4K写15K IOPS（60MB/s）。

通过上面的分析发现，能把盘使用在一个最佳的工作状态至关重要。好消息是目前一些先进的解决方案，比如Lightbits的全NVMe集群存储解决方案就可以解决这个问题。该方案通过把随机IO变成顺序IO的方式，以及独有的Elastic Raid技术避免了Raid“读改写”的弊端，从而能大幅提高盘的持久性及随机性能。

三、如何降低使用成本

由于SSD相对于HDD而言是一项新技术，再加上产业的生产规模和需求量的矛盾，目前价格相比HDD仍然偏高。那么如何降低SSD使用成本就变得非常重要。

降低使用成本最重要的一环就是要把SSD充分使用起来，无论是容量还是性能。不过就目前而言，大多数NVMe盘都是直接插在应用服务器上使用，而这种方式非常容易造成大量的容量和性能浪费，因为只有这台服务器上的应用才能使用它。根据调研发现，使用这种DAS（Direct Attached Storage，直连式存储）方式，SSD的利用率大概在15%-25%。

针对这个问题比较好的解决方法是近几年来市场上被广泛接受的“解耦合”架构。解耦合之后，把所有的NVMe盘变成一个大的存储资源池，应用服务器用多少就拿多少，只要控制总数量够用就行，可以非常容易地将利用率推到80%。另外，因为资源集中起来，可以有更多的手段和方法用于降低成本，比如压缩。例如，平均应用数据压缩比在2:1，就相当于多了一倍的可用容量，也相当于每GB价格降了一半。当然压缩本身也会带来一些问题，比如压缩本身比较费CPU，另外很多存储解决方案在开启压缩之后性能就会大大降低。

针对压缩方面的问题，Lightbits的NVMe/TCP集群存储解决方案可以通过存储加速卡来予以解决。该卡可以做到100Gb的线速压缩能力，并且不消耗CPU，不增加延迟。利用这样的解决方案，压缩功能几乎没有额外的成本。此外，正如前面在介绍提高持久性时所提到的，Lightbits解决方案能提高使用寿命并支持使用QLC盘，从整个使用周期来看，在使用成本方面也会有非常大的降低。总的来说，通过解耦合提高使用效率，压缩提高可用容量，优化提高使用寿命或启用QLC，经过这样的重重提升，SSD的使用成本可以得到极大的控制。

以上从性能、持久性、使用成本三个方面分析了如何用好SSD盘，可以看到要用好NVMe SSD盘还是不容易的。因此，对一般用户而言，选择一个好的存储解决方案就至关重要。为此，以色列创新公司Lightbits以充分发挥NVMe盘的最大价值为使命，发明了NVMe/TCP协议，并推出了新一代的全NVMe集群存储解决方案，可以帮助使用者轻松地将SSD盘用好。
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