閃存陣列如何處理“寫斷崖”和“垃圾回收”

隨著成本降低和技術(shù)進(jìn)步，閃存越來越多的被企業(yè)級數(shù)據(jù)中心作為存儲(chǔ)介質(zhì)使用。相比傳統(tǒng)的磁盤介質(zhì)，閃存的優(yōu)勢顯而易見：速度快，耗電低，省空間。特別在速度方面，閃存具有壓倒性的優(yōu)勢。

比方說，客戶原來采用某款高端磁盤陣列的時(shí)候，處理某個(gè)業(yè)務(wù)，需要花費(fèi)10個(gè)小時(shí)。后來替換為閃存陣列，同樣處理該業(yè)務(wù)，只需要2個(gè)小時(shí)就可以完成。閃存帶來的性能優(yōu)勢非常的明顯。

但客戶在使用用閃存陣列時(shí)發(fā)現(xiàn)：剛開始處理業(yè)務(wù)只用2個(gè)小時(shí)，可是運(yùn)行了一段時(shí)間之后，忽然有一天，客戶發(fā)現(xiàn)處理業(yè)務(wù)用了2小時(shí)30分鐘。于是，問題來了，客戶一方面覺得2小時(shí)30分鐘比過去的10小時(shí)還是快多了，一方面也會(huì)想，為啥比起2小時(shí)，現(xiàn)在處理作業(yè)的時(shí)間慢了25%？

由此，我們來了解一下，閃存中的“寫斷崖（Write-Cliff）”現(xiàn)象。

什么是垃圾回收？

閃存是電子類介質(zhì)，其處理數(shù)據(jù)的寫入方式和傳統(tǒng)的磁類介質(zhì)（磁盤或者磁帶）的覆蓋寫不同：新數(shù)據(jù)寫入的區(qū)塊，必須是空白區(qū)塊，如果該區(qū)塊存有舊數(shù)據(jù)，那么必須先對舊數(shù)據(jù)進(jìn)行“擦除”（Erase）。尤其是當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)總量達(dá)到閃存提供的所有容量之后，再次寫入更新時(shí)，就必然會(huì)產(chǎn)生“擦除”。

相比于常規(guī)的讀取和寫入操作，擦除有2個(gè)特點(diǎn)。

第一，擦除的速度比讀寫要慢。擦除時(shí)間可能是寫入時(shí)間的10倍以上，基本達(dá)到ms級別；

第二，擦除的處理單位要比讀寫大：讀寫的處理單元是page（一般4KB大小，或者更大），擦除的單元是block（多個(gè)page組成，一般不少于512KB）。

如此，極端情況下，要寫入4KB的數(shù)據(jù)到某個(gè)已存有4KB舊數(shù)據(jù)的區(qū)塊，有可能首先先擦除其周邊512KB的區(qū)塊空間。

這種將Block中的有效Page合并到一個(gè)新的Block中，并將舊的Block進(jìn)行擦除，留出更多的空閑Block的機(jī)制就叫做垃圾回收（Garbage Collection）。垃圾回收就相當(dāng)于固態(tài)硬盤的碎片整理，目前基本已是SSD的標(biāo)配機(jī)制，在全閃存陣列設(shè)計(jì)優(yōu)化中也有涉及。

閃存“垃圾回收”帶來的“寫斷崖”和“寫放大”

回到文章一開始客戶遇到的性能下降25%的問題，在了解完閃存垃圾回收的過程之后，就很容易理解了。一臺(tái)40TB可用容量的閃存陣列應(yīng)用到客戶現(xiàn)場，起始都是“干凈”的空白小塊，寫入速度很快。但隨著數(shù)據(jù)的不斷更新，必然會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)搬運(yùn)，數(shù)據(jù)擦除等后臺(tái)垃圾回收的相關(guān)操作，從而提供“干凈”的小塊給后續(xù)的寫入操作。若這些操作若和前端應(yīng)用程序并行，將可能導(dǎo)致了性能的下降，我們稱之為“寫斷崖（Write-Cliff）”。

“寫斷崖”僅僅是垃圾回收帶來的問題之一。垃圾回收還帶來的另外一個(gè)問題，叫做“寫放大”：閃存的每個(gè)Cell（顆粒）都是有寫入次數(shù)的壽命限制的。垃圾回收導(dǎo)致了額外的Cell寫入，加速了Cell壽命消耗。我們稱之為“寫放大（Write-Amplification）”。

如何處理“寫斷崖”和“寫放大”

寫斷崖和寫放大都是閃存介質(zhì)與生俱來的特性，無論是SSD固態(tài)硬盤，還是目前的全閃存陣列廠商，都無法避免這兩個(gè)問題。

閃存陣列廠商一般會(huì)通過介質(zhì)材料，算法以及架構(gòu)的優(yōu)化等手段，來將這兩種影響控制在一定的范圍內(nèi)。比如某廠商，通過以下手段來優(yōu)化寫斷崖的問題：

首先，采用“超供給”（ Over-Provisioning）方式，通過提供更多的顆粒數(shù)量（比如用戶可見容量40TB，而實(shí)際物理容量超過67TB），用于減緩整體閃存壽命的磨損，并實(shí)現(xiàn)更為靈活的預(yù)防性垃圾回收。

同時(shí)，采用了靈活的垃圾回收處理機(jī)制，配置閑時(shí)垃圾回收引擎，從而不占用處理前端應(yīng)用數(shù)據(jù)IO的硬件資源。

最后，通過全局FTL和優(yōu)化的上層寫入機(jī)制，將隨機(jī)IO整理順序化，減少底層實(shí)際讀寫次數(shù)。

此外，還有均衡磨損算法，監(jiān)測機(jī)制等手段，來優(yōu)化緩解這兩個(gè)問題。

總之，對該問題處理的效果，也是衡量閃存陣列能力的因素之一。

消除誤區(qū)，“寫斷崖”并不可怕

最后，需要說明的是，寫斷崖并不可怕。

即使寫斷崖帶了的性能的降低，但速度降下來之后，若閃存陣列處理得當(dāng)，其性能還是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磁盤陣列。好比您以100塊錢的價(jià)格買了一種紀(jì)念幣，最好的時(shí)候紀(jì)念幣價(jià)格飆升到了300塊錢，但后來降到了280塊錢，并在280塊錢平穩(wěn)下來。那么整體來看，收益還是很好的。

所以在對閃存陣列選型時(shí)，一定要搞清楚閃存陣列廠商是否對該問題進(jìn)行過優(yōu)化，并最好讓廠商給出一些有說服力的數(shù)據(jù)或者測試報(bào)告。