什么是Open-Channel SSD呢？有哪些好處？

直奔主題：

為了讓更多的朋友對Open-Channel SSD 有所了解，補(bǔ)充介紹如下。

什么是Open-Channel SSD呢？

所謂Open-Channel SSD指的是FTL（Flash translation layer）不在device 端, 而是由Host的操作系統(tǒng)維護(hù)的SSD。Linux內(nèi)核從4.4開始已經(jīng)支持 Open-Channel SSD了， 并提供了符合NVMe協(xié)議的抽象層——lightNVM。 (維基百科)

目前，NVM Express (NVMe) 1.3, 定義了寄存器級別的接口可以讓host軟件通過PCI Express管理非易失性存儲介質(zhì)。Open-Channel SSD2.0 的spec，使SSD將內(nèi)部的并行機(jī)制暴露給Host,從而Host 可以控制數(shù)據(jù)的物理位置并進(jìn)行I/O調(diào)度（這些原來是SSD內(nèi)部Firmware的事情）。spec 可以從官網(wǎng)下載openchanelssd spec（http://lightnvm.io/docs/OCSSD-2_0-20180129.pdf），spec 提供了符合NVMe協(xié)議的物理地址命令集（Physical Page Address Command Set)。

基本術(shù)語

Logical block,邏輯塊，讀寫命令所面對的最小數(shù)據(jù)單位，這里的概念從NVMe來，而不是NAND上的物理block。PU （parallel unit),指的是存儲介質(zhì)中的最小并行操作單元，SSD中擁有大量的PU，這個(gè)PU 與傳統(tǒng)SSD 中LUN或者DIE 的概念相似。Group，指的是一組共享同一傳輸總線的PU。與傳統(tǒng)SSD 中的Lane 或者Channel 的概念類似。

Chunk,

指一系列連續(xù)的邏輯塊(contiguous logical blocks)。chunk 是可以被reset(參見后面基本命令集）的最小單元。

Write unit,write unit 是一次寫的最少邏輯塊數(shù)目。LBA,即logical block address，指邏輯塊地址又稱為LBA。值得說明的是，Open-Channel SSD使用的LBA包含了SSD內(nèi)部的拓?fù)?a target="_blank">信息，比如PU，Group，Chunk等信息。

SSD 里的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用上述邏輯概念抽象出來，如下圖所示。

Open-Channel SSD有哪些好處？

Host 更主動(dòng)

這是顯然的，對于open-channel SSD，drive 將自己的物理結(jié)構(gòu)信息和內(nèi)部控制能力開放給Host，使得Host可以精準(zhǔn)的控制SSD里的并行單元。spec指出，Host 可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)來控制drive的并行度，SSD firmware不應(yīng)當(dāng)對任何形式的workload（比如傳統(tǒng)意義上的順序?qū)懀S機(jī)寫）進(jìn)行優(yōu)化處理。

I/O 隔離

對于多租戶的應(yīng)用架構(gòu)（multitenant architecture）中，I/O隔離有助于解決nosiy neighbor 問題（指的是由于物理資源的共享，本來邏輯隔離的業(yè)務(wù)性能上難以避免地彼此影響），而Open-ChannelSSD里面的每個(gè)PU在物理上是隔離的，先天適合這種應(yīng)用場景。

可預(yù)測latency

Host 知道每一個(gè)PU上的正在執(zhí)行的（或者pending的）所有命令，對latency就有準(zhǔn)確的把握。

Physical Page Address Command Set基本命令

Admin Commands

Geometry 命令

Geometry 命令可以讓Host了解SSD 內(nèi)部的物理信息，比如 Groups，PU和Chunks的個(gè)數(shù)。

Get Log Page - Chunk Information

SSD中所有Chunk的信息都可以通過Get Log Page命令獲得。

這里說一下chunk的管理：

一個(gè)chunk 可以接受的命令有Read, Write 和Reset等。(具體見下文I/O commands)。

在一個(gè)chunk中Host 必須順序?qū)懀ǖ强瓷蠄D中，貌似為random 寫留了一條通道），而且寫的最小單位是write unit。

一個(gè)chunk寫完后，Host 要想重新往這個(gè)chunk寫數(shù)據(jù)必須先reset 這個(gè)chunk。

跟chunk相關(guān)的信息有：

SLBA，startLBA，每個(gè)chunk都有唯一的SLBA。

NLB，number of logical blocks，chunk里面的logical block 個(gè)數(shù)。

WP，write pointer。

SLBA, NLB 和 WP 的邏輯關(guān)系如下圖：

CS，chunkstate，又可以分為：

1. Free，WP 為0 的情況下，chuck的狀態(tài)為free。

2. Open， WP 不等于0，并且可以繼續(xù)寫入。

3. Closed，不可以繼續(xù)寫。

4. Offline，不可以再用的chunk?？赡苁莣ear leveling 的結(jié)果。

狀態(tài)切換如下圖所示:

I/O commands

命令集如下：

所有的命令都遵守正規(guī)NVMe的命令結(jié)構(gòu)格式。其中Write 和 Read 命令可以直接從NVMe 1.3中可以看到具體描述。可以利用Dataset Management command中的deallocate多個(gè)chunk的lba range 來實(shí)現(xiàn)多個(gè)chunk的reset。

值得一提的是，Vector Chunk commands 系列是通過SGL(scatter-gather logical block address)指定一個(gè)或多個(gè)LBA list 來執(zhí)行相應(yīng)的reset,write，read 和 copy 命令。

以Vector Chunk Copy 命令為例子（其他commands 請參看spec），命令通過SSD 內(nèi)部buffer實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從一個(gè)數(shù)據(jù)源LBA（可以是LBA list）到目標(biāo)LBA（或者LBA list）的拷貝。

注：本文圖片摘選自 openchanelssd spec