ssd存儲(chǔ)原理是什么

這篇文章主要介紹“ssd存儲(chǔ)原理是什么”，在日常操作中，相信很多人在ssd存儲(chǔ)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(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”ssd存儲(chǔ)原理是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請(qǐng)跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

眾所周知SSD的讀寫速度遠(yuǎn)比hdd磁盤要快，理解ssd的工作原理使我們開發(fā)處高效儲(chǔ)存方案。
 

linux 相關(guān)指令

fstrim --fstab --verbose ## 回收(discard)文件系統(tǒng)上對(duì)應(yīng)磁盤未使用的塊
blkdiscard /dev/nvme1n1  ## 回收并擦除(discard)整個(gè)SSD塊設(shè)備
wipefs -a /dev/nvme1n1   ## 擦除(erase)文件系統(tǒng)的簽名

fstrim

fstrim命令實(shí)際可以視為手動(dòng)對(duì)SSD磁盤下發(fā)TRIM指令。使用-v參數(shù)可以直接查看TRIM回收擦除空間的大小。fstrim是針對(duì)已掛載的文件系統(tǒng)的SSD分區(qū)

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(zhí)行后返回的結(jié)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(wù)可以定時(shí)執(zhí)行fstrim，省去手寫crontab腳本工作。

systemctl status fstrim.timer ##查詢服務(wù)狀態(tài)
systemctl enable fstrim.timer ##開啟定時(shí)TRIM功能

blkdiscard

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

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(jié)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(tǒng)的簽名，不會(huì)清空文件系統(tǒng)或設(shè)備中的任何其他數(shù)據(jù)。默認(rèn)情況下， wipefs 不會(huì)擦除非整個(gè)磁盤設(shè)備上的嵌套分區(qū)表。為此，需要—force選項(xiàng)。

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(chǔ)元器件(閃存顆粒類別)

SSD的儲(chǔ)存是NAND-Flash閃存顆粒，分為SLC、MLC和QLC四種?？梢源致缘匕验W存顆粒理解成是一個(gè)電容加上電壓計(jì)的組合。一個(gè)電容能存放一個(gè)比特的數(shù)據(jù)，電壓計(jì)使電容能區(qū)分不同電壓，不同的電壓能存放更多的比特?cái)?shù)據(jù)。

SLC(Single-Level Cell): 每個(gè)Cell單元存儲(chǔ)1bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓控制也快速，反映出來的特點(diǎn)就是壽命長(zhǎng)，性能強(qiáng)，P/E壽命在1萬(wàn)到10萬(wàn)次之間，但缺點(diǎn)就是容量低而成本高.

MLC(Multi-Level Cell): 每個(gè)cell單元存儲(chǔ)2bit信息，需要更復(fù)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(jù)不同制程在3000-5000次不等.

TLC(Triple-Level Cell):每個(gè)cell單元存儲(chǔ)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(gòu)更復(fù)雜，P/E編程時(shí)間長(zhǎng)，寫入速度慢，P/E壽命也降至1000-3000次，部分情況會(huì)更低.壽命短只是相對(duì)而言的，通常來講，經(jīng)過重度測(cè)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(huì)進(jìn)一步降低。具體的性能測(cè)試上，美光有做過實(shí)驗(yàn)。讀取速度方面，SATA接口中的二者都可以達(dá)到540MB/S，QLC表現(xiàn)差在寫入速度上，因?yàn)槠銹/E編程時(shí)間就比MLC、TLC更長(zhǎng)，速度更慢，連續(xù)寫入速度從520MB/s降至360MB/s，隨機(jī)性能更是從9500 IOPS降至5000 IOPS，損失將近一半.

這四類當(dāng)中，SLC的性能最優(yōu)，價(jià)格超高；MLC性能夠用，價(jià)格適中為消費(fèi)級(jí)SSD應(yīng)用主流；TLC綜合性能最低，價(jià)格最便宜，但可以通過高性能主控、主控算法來彌補(bǔ)、提高TLC閃存的性能；QLC出現(xiàn)的時(shí)間很早，價(jià)格便宜，容量大。

P/E以及其SSD底層儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)

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(jī)械硬盤不同，HDD的數(shù)據(jù)是可以覆寫的(Overwrite),而SSD在寫入數(shù)據(jù)前必須先進(jìn)行擦除(erase)，一般在格式化文件系統(tǒng)步驟或者SSD出廠配置的過程中，SSD已進(jìn)行了全盤擦除(erase)，因此SSD的首次寫入數(shù)據(jù)是直接編程。

SSD 在閃存單元中存取數(shù)據(jù)時(shí)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(jié)的倍數(shù)，寫操作只能寫到空的 page，而清除數(shù)據(jù)(Erase) 是以 塊(block) 為單位的。塊的擦除次數(shù)有壽命限制，超限制就會(huì)變成壞塊。

用戶對(duì)SSD的寫入數(shù)據(jù)操作可以分為兩種類型

1.原來SSD磁盤上沒有數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)。

2.SSD磁盤上有數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行修改（包括刪除）。

前者只需把數(shù)據(jù)直接寫入到空白頁(yè)即可，后者則是read-modify-write方式操作，讀取原有page的內(nèi)容到緩存中并進(jìn)行更新，最后寫入到其他空的page，原有的page置為無效頁(yè)。

可以想象對(duì)文件的持續(xù)反復(fù)的修改，將會(huì)產(chǎn)生大量的無效頁(yè)，這就需要“垃圾回收”（Garbage Collection-gc）機(jī)制來回收這些無效頁(yè)，否則可以寫入空間越來越小。

FTL 和磨損均衡

SSD的主控執(zhí)行磨損均衡（Wear-Leveling）策略，使SSD磁盤各個(gè)塊的擦除次數(shù)均勻分?jǐn)偟礁鱾€(gè)塊上。就像內(nèi)存MMU一樣，SSD內(nèi)部使用閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）存放了邏輯塊地址（Logical Block Address，簡(jiǎn)稱 LBA）到物理塊地址（Physical Block Address，簡(jiǎn)稱 PBA）的映射。操作系統(tǒng)訪問的硬盤地址，其實(shí)都是邏輯地址。只有通過 FTL 轉(zhuǎn)換之后，才會(huì)變成實(shí)際的物理地址，找到對(duì)應(yīng)的塊進(jìn)行訪問。操作系統(tǒng)本身，不需要去考慮塊的磨損程度，只要和操作機(jī)械硬盤一樣來讀寫數(shù)據(jù)就好了。

“垃圾回收”機(jī)制

寫入放大（write amplification）

上文提及過數(shù)據(jù)的反復(fù)修改會(huì)產(chǎn)生大量的無效頁(yè)，一旦整個(gè)塊(block)的空間不足以寫入數(shù)據(jù)，SSD會(huì)將這個(gè)塊(block)的數(shù)據(jù)讀入到緩存中，擦除這個(gè)塊(block)所中的頁(yè)，然后再把緩存中已更新的數(shù)據(jù)寫入進(jìn)去。這種read-erase-modify-write過程，就好比寫入的數(shù)據(jù)可能只有一個(gè)頁(yè)4KB，但實(shí)際要擦除并且寫N個(gè)頁(yè)，稱之為寫入放大。

寫入放大的倍數(shù)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(guān)鍵。

文件系統(tǒng)在修改或者刪除過程中，發(fā)送給通知給SSD記錄產(chǎn)生的無效頁(yè)，間隔一定時(shí)間再統(tǒng)一回收擦除所有無效頁(yè)，擦除更新無效頁(yè)所在的塊(block)。

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

discard與TRIM的區(qū)別

在linux術(shù)語(yǔ)中，discard指的就是TRIM

不建議使用linux系統(tǒng)默認(rèn)的TRIM功能

TRIM功能有兩種方式啟動(dòng)，一種是連續(xù)TRIM，就是直接在文件系統(tǒng)回收塊的時(shí)候直接發(fā)TRIM命令，這種方式對(duì)性能影響比較大，在fstab掛載的時(shí)候把default修改成discard。另外一種是定期執(zhí)行fstrim批量進(jìn)行TRIM操作，這樣避免平時(shí)的性能影響，不過fstrim的執(zhí)行時(shí)機(jī)要選好，畢竟批量TRIM的時(shí)候會(huì)對(duì)其它任務(wù)性能影響較大。

根據(jù)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(nèi)核方式的discard 方式無法感知對(duì)SSD當(dāng)前性能的影響。

實(shí)踐

使用fio測(cè)試nvme裸設(shè)備

使用fio對(duì)裸設(shè)備直接進(jìn)行randwrite測(cè)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(fā)了放大寫現(xiàn)象，并且由于沒有掛載文件系統(tǒng)，無法使用fstrim手動(dòng)回收空間(可以理解成，在沒有文件系統(tǒng)標(biāo)記下，SSD也不知道哪些是無效頁(yè))，再次進(jìn)行fio測(cè)試速度依然是80MiB/s。使用blkdiscard進(jìn)行全盤擦除后，速度恢復(fù)正常。

參考文獻(xiàn)

《Trim命令》 wiki百科

《淺談分布式存儲(chǔ)之SSD基本原理》滴滴云

《Linux 下啟用 SSD TRIM 功能》Louis

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)使用fio直接ssd磁盤進(jìn)行寫入測(cè)試后，對(duì)磁盤使用blkdiscard可恢復(fù)原來的速度。

到此，關(guān)于“ssd存儲(chǔ)原理是什么”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！