深度解讀UFS 4.0的FBO特性

UFS簡介

UFS(Universal Flash Storage, 通用閃存存儲)協(xié)議是JEDEC為移動存儲設(shè)備制定的通訊接口協(xié)議，業(yè)界通常將基于UFS協(xié)議的移動存儲產(chǎn)品稱為UFS設(shè)備。UFS設(shè)備廣泛應(yīng)用于智能手機、平板電腦、VR（虛擬現(xiàn)實）設(shè)備、AR（增強現(xiàn)實）設(shè)備、無人機、3D游戲、監(jiān)控系統(tǒng)、PDA、數(shù)字記錄器、MP3播放器、電子玩具等領(lǐng)域。

UFS是eMMC的替代者，它提供比eMMC更高的性能和能效比。圖1是eMMC和各代UFS的性能數(shù)據(jù)對比。

（圖 1：eMMC和UFS最大帶寬）

從圖1可以看到，最新UFS 4.0的最大帶寬可達到4GB/s以上，是eMMC最大帶寬的10倍有余。目前eMMC已停止演進，而UFS正在慢慢取代eMMC。

UFS經(jīng)歷幾次迭代，目前最新版本是UFS 4.0（2022年8月發(fā)布）。從圖1可以看到，每一次迭代，UFS性能都是在前一代的基礎(chǔ)上翻倍。UFS 4.0也不例外，它在UFS 3.0/3.1的基礎(chǔ)上性能翻倍，最大帶寬達到4GB/s以上。除此之外，UFS 4.0在UFS 3.0/3.1的基礎(chǔ)上，引入了一些新的特性，比如引入Barrier命令、高級RPMB、FBO等。今天我們將重點解讀FBO特性。

FBO，全稱為File Based Optimization，基于文件的優(yōu)化，顧名思義，它是基于文件來做性能優(yōu)化。在繼續(xù)FBO介紹之前，首先交代一下背景知識，了解什么是文件的邏輯碎片和物理碎片。

文件的邏輯碎片和物理碎片

對于一個文件來說，文件系統(tǒng)會為其分配若干個邏輯塊（Logical Block，用LBA尋址）用于存儲文件數(shù)據(jù)。當文件系統(tǒng)在為一個文件分配邏輯塊時，會盡量為其分配連續(xù)的邏輯塊，但如果分配不到所需的連續(xù)邏輯塊，則會分配不連續(xù)的塊。

（圖 2：一個文件分配邏輯塊的兩個場景）

在這里，我們把LBA連續(xù)簡稱為“邏輯連續(xù)”。圖2場景1為“邏輯連續(xù)”，場景2則為“邏輯不連續(xù)”。一個文件的LBA如果“邏輯不連續(xù)”，通俗來講就是這個文件存在邏輯碎片化——該文件的LBA越離散，則表示其邏輯碎片化程度越高。

文件數(shù)據(jù)最終都是要存儲在存儲設(shè)備上，即這些邏輯塊（不管連續(xù)還是不連續(xù)）都是要寫到存儲設(shè)備的閃存物理塊上去。在設(shè)備端，如果沒有其它寫入命令插入，存儲設(shè)備會把上述文件數(shù)據(jù)寫入到連續(xù)的閃存空間里。

如圖3所示：

（圖 3：存儲設(shè)備把文件數(shù)據(jù)寫入到連續(xù)的閃存空間）

我們把文件的數(shù)據(jù)在閃存空間連續(xù)寫入的場景稱之為“物理連續(xù)”。

但主機端在寫入上述文件的時候，可能會混雜著其它的寫入，比如該文件元數(shù)據(jù)的寫入，或者其它文件數(shù)據(jù)的寫入，設(shè)備端按接收到的寫命令依次接收寫入數(shù)據(jù)，由于各種數(shù)據(jù)的穿插寫入，就可能導(dǎo)致上述文件的數(shù)據(jù)不是被連續(xù)寫到閃存空間。

如圖4所示：

（圖 4：存儲設(shè)備把文件數(shù)據(jù)寫入到不連續(xù)的閃存空間）

我們把文件數(shù)據(jù)在閃存空間不是連續(xù)寫入的場景稱之為“物理不連續(xù)”，通俗來講就是文件存在物理碎片化——一個文件的數(shù)據(jù)在閃存空間存儲越分散，則表示其物理碎片化程度越高。

值得一提的是，即使文件剛開始寫入到閃存是連續(xù)的，但由于后續(xù)存儲設(shè)備內(nèi)部的一些操作，比如垃圾回收，也有可能導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)最后存儲在閃存空間的位置不是連續(xù)的。

文件碎片化對性能的影響

對存儲設(shè)備（比如UFS設(shè)備）來說，由于一個LBA的數(shù)據(jù)可能存儲在閃存的任意一個物理位置，因此存儲設(shè)備需要維護一張邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系表，即L2P映射表。L2P映射表是一個大的數(shù)組：索引為LBA，內(nèi)容是該LBA在閃存的物理地址（簡稱為PBA）。當存儲設(shè)備要讀取數(shù)據(jù)時，首先查找L2P映射表獲得該LBA對應(yīng)的PBA，然后根據(jù)該PBA讀取該LBA對應(yīng)的數(shù)據(jù)。L2P映射表大小一般為存儲設(shè)備容量的1/1024，比如一個256GB的UFS設(shè)備，其L2P映射表大小為256MB。對消費級存儲設(shè)備來說，一般不帶DRAM，所以L2P映射表數(shù)據(jù)大多數(shù)時間都是存儲在閃存中的，而存儲設(shè)備固件則按需加載部分L2P映射關(guān)系到小容量的SRAM中。

在訪問一個文件的時候，如果該文件的LBA是連續(xù)的：一方面，主機端只要發(fā)很少的命令到存儲設(shè)備，以圖2場景1為例，要讀該文件，只需要發(fā)一個讀取命令即可，而對圖2場景2，即文件存在邏輯碎片，要讀取該文件，主機端需要發(fā)三個讀取命令，增加了I/O命令的個數(shù)。I/O命令個數(shù)的增多，無論是對主機端軟件，還是設(shè)備端固件，都帶來了不小的負擔(dān)。另一方面，如果文件LBA連續(xù)，存儲設(shè)備從閃存設(shè)備一次加載4KB的L2P映射關(guān)系，就能滿足4MB的LBA數(shù)據(jù)訪問，相反，如果LBA不連續(xù)，則最壞情況是每讀一個LBA，存儲設(shè)備需要從閃存中加載一個4KB的映射關(guān)系，然而頻繁的L2P加載，將會嚴重影響存儲設(shè)備的讀取性能。

簡而言之，無論是主機端還是設(shè)備端，都是特別喜歡“邏輯連續(xù)”的，不喜歡文件邏輯碎片化。

那“物理連續(xù)”呢？很顯然，存儲設(shè)備也同樣“喜聞樂見”。原因在于讀取的時候，如果數(shù)據(jù)都集中在一起，一次讀可以使用多Plane操作，比如對4 Plane閃存來說，一次讀取可以獲得64KB數(shù)據(jù)。但這64KB數(shù)據(jù)如果不是物理連續(xù)——分散在閃存中的不同地方，則最壞情況下要讀取16次閃存（每個命令只讀取4KB）。

至此我們能得出的結(jié)論是：“邏輯連續(xù)”和“物理連續(xù)”都滿足的場景下，文件具有最好的讀取性能。但只要其中任何一個場景不滿足，文件讀取性能則會受影響，最終可能導(dǎo)致手機出現(xiàn)“卡頓”的問題。因此，文件讀取性能優(yōu)化方向是避免或者減少文件邏輯碎片和物理碎片。

FBO特性

現(xiàn)在我們回到FBO特性上來。FBO作為UFS 4.0的一個擴展協(xié)議，概括下來就是：主機和設(shè)備一起配合，把文件數(shù)據(jù)從“物理不連續(xù)”轉(zhuǎn)換成“物理連續(xù)”，以提升文件數(shù)據(jù)的讀取性能。

具體來說，系統(tǒng)空閑的時候（比如夜深人靜的時候），主機把需要性能優(yōu)化的某個（或某些）文件的LBA信息告訴存儲設(shè)備，讓存儲設(shè)備去檢查這些LBA在閃存塊上是否連續(xù)。設(shè)備會查詢這些LBA的映射關(guān)系，通過這些LBA在閃存上的物理地址，來分析該文件在閃存空間上是否物理連續(xù)，以及不連續(xù)的程度（物理碎片化程度），然后把這些信息返回給主機。主機根據(jù)設(shè)備反饋信息，來指示存儲設(shè)備下一步動作：如果該文件在閃存空間上很分散，就要叫存儲設(shè)備把這些不連續(xù)的數(shù)據(jù)塊都搬到連續(xù)的地方去。在設(shè)備接到指示后，便會執(zhí)行數(shù)據(jù)的整理：將不連續(xù)的數(shù)據(jù)集中寫到新的連續(xù)閃存塊位置。FBO通過主機和設(shè)備的這種協(xié)作，就能夠解決文件數(shù)據(jù)在存儲空間的“碎片化”問題，從而改善文件的讀取性能。

（圖5：FBO把文件數(shù)據(jù)從物理不連續(xù)整理成物理連續(xù)）

FBO旨在解決文件物理碎片化問題。

FBO沒有解決的問題

FBO解決了文件的物理碎片化問題，即把“物理不連續(xù)”變成“物理連續(xù)”，但他沒有解決文件邏輯碎片化問題。有數(shù)據(jù)表明，文件“邏輯不連續(xù)”相比文件“物理不連續(xù)”，對文件性能影響更大，因此解決文件的邏輯碎片化問題顯得更為重要。

文件邏輯碎片化問題從古（HDD時代）至今（固態(tài)存儲時代）一直存在。業(yè)界對此做了不少努力。

首先是日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)（log-structured file system）的出現(xiàn)，以F2FS（Flash Friendly File System，閃存友好文件系統(tǒng)）為代表。F2FS是專門為基于閃存的存儲設(shè)備而設(shè)計的文件系統(tǒng)，是手機中最常用的兩大文件系統(tǒng)之一（另一個是EXT4文件系統(tǒng)）。F2FS在為文件分配邏輯塊的時候，一般采用追加方式分配邏輯塊，即按順序分配；只有當存儲設(shè)備邏輯空間很滿的時候，才采用一種叫Threaded Logging的邏輯塊分配方式，這種方式可能為一個文件分配離散的邏輯塊。盡管如此，F(xiàn)2FS的出現(xiàn)，仍然大幅緩解了文件的邏輯碎片化問題。

其次是SSD中的ZNS（Zoned Namespace）技術(shù)，它把整個存儲空間劃分成若干個區(qū)塊（Zone），在區(qū)塊內(nèi)部強制順序?qū)懭搿＿@對存儲設(shè)備來說是個好消息，它的L2P映射表可以變得很小（采用更大的映射粒度），因此L2P映射表可常駐內(nèi)存，當固件在處理讀取命令的時候，能夠快速獲取LBA的物理地址，從而提升讀取性能。在制定UFS 4.0標準的過程中，業(yè)界很多企業(yè)建議把Zoned Storage的概念應(yīng)用到UFS上來，但從結(jié)果來看，這個建議并沒有在UFS 4.0上被采納。但可以預(yù)見類似SSD的ZNS技術(shù)一定會出現(xiàn)在未來的某個UFS版本中。

點評FBO

雖然沒有解決文件邏輯碎片問題，但FBO解決了文件物理碎片問題，一定程度上能提升文件的讀取性能。如果考慮到類似F2FS文件系統(tǒng)的使用，即絕大多數(shù)文件的LBA是連續(xù)的，而現(xiàn)在有了FBO的加持，在手機上大文件的讀取性能將會得到改善，手機“越用越卡”的問題“可能”會得到解決。（為什么說“可能”？前面分析了影響文件系統(tǒng)性能最大因素是文件邏輯碎片化，如果文件邏輯碎片化問題沒有得到解決，F(xiàn)BO效果不會很好。）

俗話說“萬事有得必有失”，文件碎片整理需要從一個閃存塊把數(shù)據(jù)讀出來，然后集中寫到另外閃存塊，而FBO這種額外的寫會引入寫放大，影響存儲設(shè)備壽命。

另外，F(xiàn)BO是一種“亡羊補牢”的做法，即文件出現(xiàn)物理碎片，然后再將它們做整理。如果一開始存儲設(shè)備對文件的物理碎片化問題有針對性設(shè)計，即一開始就拒絕文件物理碎片的產(chǎn)生，那么FBO就失去了其意義。

導(dǎo)致文件物理碎片化主要有兩個原因：

1.由于各種數(shù)據(jù)混合著寫，某個文件的LBA數(shù)據(jù)一開始就有可能被寫到不連續(xù)的閃存空間；

2.還有就是有些存儲設(shè)備在設(shè)計上沒有意識到文件數(shù)據(jù)在閃存空間連續(xù)存放的意義，一些諸如垃圾回收的內(nèi)部操作，可能會導(dǎo)致最初連續(xù)寫入的文件數(shù)據(jù)，被分散寫入到閃存空間，最終導(dǎo)致“物理不連續(xù)”。

如果知道物理碎片產(chǎn)生的原因，那么存儲設(shè)備就可以有針對性設(shè)計了。

比如存儲設(shè)備在算法上可以采用物理隔離的方式，將大尺寸數(shù)據(jù)寫入到一個閃存塊，而把小尺寸數(shù)據(jù)寫到另外一個閃存塊，這樣避免了因小尺寸元數(shù)據(jù)寫入，而導(dǎo)致大尺寸數(shù)據(jù)在物理空間上寫入不連續(xù)的情況。

或者一開始文件數(shù)據(jù)被不連續(xù)地寫入到閃存塊，但是在對這個閃存數(shù)據(jù)塊做垃圾回收的時候，將該閃存塊上連續(xù)的LBA數(shù)據(jù)寫到連續(xù)的新的物理塊上，從而達到類似FBO的功效。

江波龍Smart GC技術(shù)

江波龍UFS3.1在設(shè)計之初就意識到文件的物理碎片化問題，當研發(fā)團隊在設(shè)計垃圾回收算法時，不單只考慮到通過垃圾回收功能來回收閃存塊，還利用執(zhí)行垃圾回收的時機同時完成“物理不連續(xù)”到“物理連續(xù)”的整理。我們把這種“畢其功于一役”的垃圾回收技術(shù)稱為Smart GC。

（圖6：Smart GC:設(shè)備執(zhí)行垃圾回收的同時完成物理碎片整理）

Smart GC這項創(chuàng)新技術(shù)不僅解決了文件物理碎片化問題，改善了大文件的讀取性能，同時也避免了額外碎片整理對存儲設(shè)備壽命帶來的影響。