基于用閃存為儲存的固態(tài)硬盤

基于用閃存為儲存的固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD），與基于用磁性盤片為儲存的傳統(tǒng)硬盤（Hard Disk Drive，HDD）相比較，固態(tài)硬盤具有：（1）無噪音（2）耐震動（3）數(shù)據(jù)讀寫速度快（4）低耗電等等的優(yōu)勢。又隨著各家閃存制造商陸續(xù)推出更多更便宜且高容量的閃存內(nèi)存，在未來傳統(tǒng)硬盤被固態(tài)硬盤所取代將是趨勢。

然因閃存內(nèi)存不像磁性盤片具有可重復覆寫的好處，因此固態(tài)硬盤裝置內(nèi)都需要執(zhí)行一個所謂的FTL（Flash Translation Layer）程序，以維持隨時都有閑置的區(qū)塊（free blocks）可以儲存新寫入的數(shù)據(jù)。而在一個閑置區(qū)塊被用于儲存客戶端的寫入數(shù)據(jù)時，又必須檢查閑置區(qū)塊數(shù)量是否足夠。如果不足，則又需要進行所謂的垃圾回收（Garbage Collection，GC）讓閑置區(qū)塊個數(shù)，得以足夠以應付未來從客戶端寫入的新數(shù)據(jù)。

我們知道，較早期的計算機文件系統(tǒng)（File System）對于被刪除的文件之處理，僅僅在文件配制表（File Allocation Table）上，將被刪除文件所使用的叢集（cluster），標示成「未使用狀態(tài)」，這些叢集所相對應的邏輯區(qū)塊地址（Logic Block Address，LBA）上所儲存之數(shù)據(jù)并未被移除，這樣的操作方式對可重復覆寫的傳統(tǒng)硬盤而言是合理適當?shù)?，但對不可重復覆寫固態(tài)硬盤而言卻是不適當?shù)?，而且會需要垃圾回收之處理。因此在較新ATAPI（ATA Packet Interface）命令規(guī)范標準，或是NVMe（NVM express）規(guī)范標準里，都加入了數(shù)據(jù)集管理（Dataset Management）命令，讓較先進的計算機文件系統(tǒng)，可以對固態(tài)硬盤下達「將某些邏輯區(qū)塊地址上的數(shù)據(jù)丟棄」，以減少固態(tài)硬盤垃圾回收的處理。不但如此，數(shù)據(jù)集管理命令也降低了固態(tài)硬盤的寫入放大值（Write Amplification Index），使得固態(tài)硬盤的使用壽命得以延長。

然則，數(shù)據(jù)集管理命令為固態(tài)硬盤帶來了好處，但也帶來了不易被察覺的嚴重問題－邏輯物理塊映射表不正確！底下讓我們來描述邏輯物理塊映射表不正確的問題，是如何發(fā)生及問題發(fā)生時的癥狀。

為了簡化問題的描述，我們假設

1 一個物理塊區(qū)塊擁有4個頁面

2 邏輯區(qū)塊地址(LBA)和物理區(qū)塊地址(PBA)的映射表，內(nèi)容為一個數(shù)對，分別代表物理區(qū)塊碼(block number)與頁碼(page number)，數(shù)對（0，0）則代表無數(shù)據(jù)

3 固態(tài)硬盤有16個邏輯區(qū)塊地址

因為閃存內(nèi)存不具有「重復覆寫」的特性，一個邏輯區(qū)塊地址的數(shù)據(jù)，存放在閃存內(nèi)存的哪個位置是不固定的，因此固態(tài)硬盤里，皆存在著邏輯物理映射表(L2P Table)。這個映像表的功能，是讓FTL程序查出某個邏輯區(qū)塊地址之數(shù)據(jù)被儲存在閃存的哪個位置（包含閃存物理區(qū)塊碼（block number）、頁碼（page number）、偏移量（offset）等）。這一個映像表需要儲存一份在閃存內(nèi)存里，讓固態(tài)硬盤在斷電后再次供電運作時，才能得知最新數(shù)據(jù)在哪里。對讀寫速度要求高的固態(tài)硬盤，會配置足夠的動態(tài)隨機存取內(nèi)存（Dynamic Random Access Memory，DRAM）存放這個映像表，讓FTL程序可以更快速查詢或更新映射表。因此固態(tài)硬盤在開始供電當下，會將儲存在閃存內(nèi)存里的邏輯物理映射表讀到DRAM，如 Fig. 1 所示。（圖中，頁面標示為FFFFFFFF代表此頁面處于抹除狀態(tài)；頁面標示為XXXXXXXX代表此頁面曾經(jīng)被寫入數(shù)據(jù)但事后被其他實體地址數(shù)據(jù)所取代或被數(shù)據(jù)集管理指令所丟棄而成為無效數(shù)據(jù)）

接下來，客戶端刪除文件，下達了數(shù)據(jù)集管理指令給固態(tài)硬盤，指示將 LBA1~2的數(shù)據(jù)刪除，并且又下了寫LBA13的指令。一般做法，固態(tài)硬盤將會執(zhí)行下列步驟（Fig. 2、Fig. 3 圖示說明）：

1. 將LBA1、2 在映射表 (DRAM) 里更新為 (0,0)

2. 要求一個閑置的物理塊區(qū)塊，假設取物理區(qū)塊4， 將LBA13的數(shù)據(jù)寫入物理塊區(qū)4，更新LBA13的邏輯物理塊映像表格。

3. 發(fā)現(xiàn)閑置的物理塊區(qū)塊個數(shù)不足(少于3)，啟動垃圾回收，將物理區(qū)塊3上的有效數(shù)據(jù)（LBA3 數(shù)據(jù)）寫至物理區(qū)塊4，更新LBA3的邏輯物理塊映像表格，并將物理區(qū)塊3 回收為閑置塊(Free Block)。

如果在固態(tài)硬盤執(zhí)行垃圾回收之后，計算機系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)狀況突然間失去電源供應，固態(tài)硬盤將在下次電源恢復時，執(zhí)行下列步驟（Fig. 4、Fig. 5 圖式說明）：

1. 將儲存在閃存內(nèi)存里的邏輯物理塊映射表讀到DRAM。

2. 讀取區(qū)塊4每一頁面內(nèi)容，并根據(jù)頁面內(nèi)容所紀錄對應的邏輯區(qū)塊地址，更改DRAM上的邏輯物理塊映射表。

比較 Fig. 5 與Fig. 3 映射表(DRAM) 的內(nèi)容會發(fā)現(xiàn)，邏輯區(qū)塊地址1、2上的物理塊對應地址有差異。也就是邏輯物理塊映射表的正確性以經(jīng)有錯誤了(Fig. 5標示為紅色部分)！

Fig. 5 的邏輯物理塊映射表顯示，邏輯區(qū)塊地址1、2數(shù)據(jù)存在于物理塊區(qū)塊3。實際上物理區(qū)塊3已經(jīng)是一個閑置區(qū)塊，不存在任何數(shù)據(jù)。這樣子的錯誤映像對FTL程序而言是一種嚴重的錯誤。事后，如果固態(tài)硬盤繼續(xù)使用下去，當別的邏輯區(qū)塊數(shù)據(jù)寫入物理區(qū)塊3之后，讀取邏輯區(qū)塊地址1、2會讀到別的邏輯區(qū)塊地址之數(shù)據(jù)。隨著時間的經(jīng)過，不同時間讀又會有不同數(shù)據(jù)寫入物理區(qū)塊3，讀取邏輯區(qū)塊地址1、2數(shù)據(jù)還會隨著時間的不同而改變?；蛟S讀者會問，既然邏輯區(qū)塊地址1、2的數(shù)據(jù)已經(jīng)被客戶端下達數(shù)據(jù)集管理指令刪除了，讀到甚么數(shù)據(jù)并不重要。但讀者要知道，一個儲存裝置必須要有數(shù)據(jù)完整（data integrity）的特性，讀取的數(shù)據(jù)如果會隨著時間的變動而變動，該裝置就稱不上擁有數(shù)據(jù)完整的特性。讀者也許還會續(xù)問，既然邏輯區(qū)塊地址1、2的數(shù)據(jù)已經(jīng)被客戶端下達數(shù)據(jù)集管理指令給刪除了，客戶端就不會再去讀取這些地址的數(shù)據(jù)了。要知道，客戶端系統(tǒng)不勝枚舉，客戶端的程序不會再去讀取這些地址的數(shù)據(jù)是無法保證的。例如儲存裝置被用于組成獨立硬盤冗余陣列(Redundant Array of Independent Disks, RAID),其中一個硬盤發(fā)生了我們所描述的問題，這些被數(shù)據(jù)集管理指令刪除的數(shù)據(jù)就會被讀取.

邏輯物理塊映射表與數(shù)據(jù)的一致性一直都是固態(tài)硬盤設計上存在的問題。市場上充斥著成千成百的固態(tài)硬盤產(chǎn)品，對那些不曾思考過這個問題的設計商，質(zhì)量堪憂。一般的固態(tài)硬盤買家多以訪問速度快慢做為購買的考慮因素。但聰明的讀者在選購固態(tài)硬盤時應該花點時間了解該產(chǎn)品的設計商，是否如大心電子，有固態(tài)硬盤領先的技術質(zhì)量。