NVMe SSD性能影響因素一探究竟（下）

3.2 IO Pattern對性能的影響

IO Pattern會對SSD的性能產生嚴重影響，主要表現在如下幾個方面：

1， 不同的IO Pattern會產生不同的寫放大系數，不同的寫放大系數占用后端NAND Flash帶寬不同。當前端應用對SSD采用完全順序的方式進行寫入時，此時是最佳的IO Pattern，對于SSD而言寫放大系數接近1，SSD內部的背景流量基本可以忽略，前端性能達到最佳。在實際應用中，很難采用這種完全順序的數據寫模型，但可以通過優化逼近順序寫入。

2， 不同請求大小的IO之間會產生干擾；讀寫請求之間會產生干擾。小請求會受到大請求的干擾，從而導致小請求的延遲增加，這個比較容易理解，在HDD上同樣會存在這種情況。由于NAND Flash介質存在嚴重的讀寫不對稱性，因此讀寫請求之間也會互相干擾，尤其是寫請求對讀請求產生嚴重的性能影響。

3.2.1 順序寫入Pattern對SSD性能優化的奧秘

在針對閃存系統的設計中，需要考慮IO Pattern對性能產生的影響，通過軟件的優化來最優化SSD的使用。在實際應用中完全順序寫入的IO Pattern基本上是不存在的，除非用作順序寫入的日志設備。對于順序寫入優化性能這個結論，需要從SSD內部實現來深入理解，知道根源之后，可以采用合理的方式來逼近順序寫入的模式，從而最優化SSD的性能。

SSD內部采用log-structured的數據記錄模式，并發寫入的IO數據按照時間順序匯聚成大數據塊，合并形成的大數據塊以Page stripe的方式寫入NAND Flash。多個Page stripe會被寫入同一個GC單元（Chunk orSuperblock），當一個GC單元被寫完成之后，該GC單元進入sealed模式（只讀），分配新的GC單元寫新的數據。在這種模式下，如果多個業務的數據流并發隨機地往SSD中寫入數據，那么多個應用的數據就會交錯在一起被存儲到同一個GC單元中。如下圖所示，不同應用的數據生命周期不同，當需要回收一個GC單元的時候，會存在大量數據的遷移，這些遷移的數據就會形成寫放大，影響性能和使用壽命。

不同應用的數據交錯存儲在同一個GC單元，本質上就是不同冷熱程度的數據交錯存儲的問題。從GC的角度來講，相同冷熱程度的數據存儲在同一個GC單元上是最佳的，為此三星推出了Multi-stream SSD，該SSD就允許不同應用的數據存儲到不同的Stream單元（GC單元），從而提升GC效率，降低寫放大。Multi-stream是一種顯式的設計方式，需要更改SSD接口以及應用程序。

從IO Pattern的角度考慮，可以通過順序大塊的方式也可以逼近類似的效果。假設操作SSD只存在一個線程，不同的應用都采用大數據塊的方式寫入數據，那么在一個時間片段內只存在一個應用的數據往SSD中寫入數據，那么在一個GC單元內存儲的數據會變得有序和規則。如下圖所示，采用上述方法之后，一個GC單元內存儲的數據將會變得冷熱均勻。在GC過程中會大大減少數據的搬移，從而減少背景流量。

在實際應用中，上述IO Pattern很難產生，主要是應用很難產生非常大粒度的請求。為此在存儲系統設計過程中，可以引入Optane高性能存儲介質作為SSD的寫緩存。前端不同業務的寫請求首先寫到Optane持久化介質中，在Optane持久化介質中聚合形成大數據塊。一旦聚合形成大數據塊之后，再寫入SSD，通過這種方式可以最大程度地逼近SSD順序寫入過程，提升SSD的性能和使用壽命。

3.2.2 讀寫沖突Pattern對性能的影響

如下圖所示，NAND Flash介質具有很強的讀寫不對稱性。Block Erase和Page Program的延遲會遠遠高于Page Read所耗費的時間。那么在這種情況下，如果read請求在同一個Flash Channel上和Erase、Program操作沖突，那么read操作將會被Erase／program操作影響。這是在讀寫混合情況下，讀性能會受到影響的重要因素。

在實際應用過程中，經常會發現應用的測試結果和SSD Spec對不上，會比Spec給出的值要來的低。Spec給出的值通常為純讀或者純寫情況下的性能指標，在讀寫混合的場景下，性能表現和Spec給出的值就會存在非常大的出入。

對于不同的SSD，通過測試可以發現在讀寫混合情況下的性能表現差距會比較大。在SSD處于穩態條件下，應用隨機讀的情況下，如果引入一個壓力不是很大的順序寫，那么會發現不同SSD的抗干擾能力是不同的。有些SSD在寫干擾的情況下，讀性能會急劇下降，延遲快速上升，QoS性能得不到保證。下圖是兩個SSD在相同情況下的測試結果，從結果來看，有些SSD的抗寫干擾能力比較強，讀性能不會急劇下降。

為什么有些SSD會具備比較強的抗寫干擾能力呢？其中的奧秘就在于SSD內部的IO調度器。IO調度器會對write、read 和Erase請求進行調度處理，該調度器算法的不同就會表現出不同的抗干擾能力。目前很多NANDFlash可以支持Program／Erase Suspension的功能，在IO調度處理的過程中，為了提升讀性能，降低讀請求延遲，可以采用Suspension命令對Program／Erase命令暫停，對read請求優先調度處理。

讀寫沖突是SSD內部影響IO QoS的重要因素。在SSD內部通過IO調度器的優化可以提升SSD性能的QoS能力，但是還是無法與存儲軟件結合來協同優化QoS。為了達到最佳的SSD性能QoS，需要關注Openchannel技術。Openchannel其實只是一種軟硬件層次劃分的方法，通常來講，SSD內部的邏輯可以劃分為面向NAND資源的物理資源管理層以及面向數據布局的資源映射層。物理資源管理由于和NAND Flash密切相關，因此可以放到SSD內部。

傳統的NVMe SSD需要對外暴露標準的塊設備接口，因此需要在SSD內部實現資源映射層。從端至端的角度來看，資源映射層可以與存儲軟件層結合起來，為此將資源映射層從SSD內部剝離出來，集成至存儲軟件層。一旦資源映射層從SSD內部剝離之后，需要定義一個新的SSD接口，其中的一種接口方式就是Openchannel。

盤古分布式存儲針對SSD QoS問題進行了大量研究，提出了Object SSD的概念，Object SSD也是一種新的SSD接口方式，其采用對象方式對SSD進行讀寫刪操作，每個對象采用Append write操作方式。這種接口方式可以很好的與分布式存儲無縫結合。采用Object SSD之后，SSD內部的大量工作被簡化，IO的調度會更加靈活，存儲軟件與SSD協同配合，達到IO性能的最優化，以及QoS的最大化。

4 SSD寫性能分析模型

SSD內部的數據流分成兩大類，一類為前端用戶數據流；另一類為內部背景數據流。前端用戶數據流和背景數據流會匯聚成NAND Flash后端流量。當背景數據流不存在時，NAND Flash帶寬會被用戶數據流全部占據，此時SSD對外表現的性能達到最佳。當SSD具有較大寫放大時，會產生很大的背景數據流，背景流會搶占NANDFlash帶寬，導致前端用戶IO性能降低。為了穩定前端IO性能，在SSD內部的調度器會均衡前端和背景流量，保證前端性能的一致性。背景流量的占比反應了SSD的寫放大系數，因此，站在NAND Flash帶寬占用的角度可以分析SSD在穩態情況下的性能。

下圖是Intel P4500和Samsung PM963隨機寫延遲和推導公式之間的對比。結果非常吻合。

由此可以推出，隨機寫性能由SSD內部后端帶寬以及寫放大系數來決定。因此，從存儲軟件的角度出發，我們可以通過優化IO Pattern的方式減小寫放大系數，從而可以提升SSD的隨機寫性能。

5 小結

閃存存儲技術正在飛速發展，閃存介質、SSD控制器、存儲系統軟件、存儲硬件平臺都在圍繞閃存日新月異的發展。閃存給數據存儲帶來的價值顯而易見，數據中心閃存化是重要發展趨勢。NVMe SSD性能受到很多因素的影響，在軟件層面可以通過IO Pattern優化SSD的性能，使得整體存儲系統的性能達到最佳。

審核編輯：劉清