怎样使用好你的SSD？

近十多年来，CPU的性能提高了百倍多，而传统的HDD硬盘(HardDiskDrive)的性能只提高了不到1.5倍，这种不平衡的计算存储技术的发展，极大地影响了IT系统整体性能的提高。在固态硬盘SSD(SolidStateDrive)被发明之前，它的性能得到了颠覆性的提高，从而解决了存储的瓶颈问题。但是，SSD作为一项新技术，仍存在一些固有的缺陷，怎样充分发挥其优势，是一个值得研究的方向。

一、怎样充分发挥SSD的性能。

1、传统HDD的使用方法：

（1）协议通常采用SAS,SATA接口；

（2）Linux的IO调度需要电梯算法重新排列IO，以优化磁头路径；

（3）企业级存储器通常使用Raid卡进行数据保护。

在界面协议方面，随着SSD的发明，NVMe协议应运而生。与SAS和SATA的单队列机制相比，NVMe最多可以有65535个队列，直接使用PCIe接口消除了链接和协议瓶颈。

就控制卡生态而言，各大厂商也纷纷推出自己的NVMe控制卡芯片，包括PMC(现属Microchip),LSI,Marvel,Intel,慧荣和国内得瑞等，技术也十分成熟。

此外，还对Linux驱动和IO协议栈进行了相应的优化，例如，NVMe驱动可以直接绕过传统的、专门为HDD设计的调度层，大大缩短处理路径。

迄今为止，为充分发挥SSD的性能，上述三种传统HDD问题中的前两种已得到解决。但在企业级市场中，基于NVMe的Raid一直没有很好的解决方案。Raid5/Raid6数据保护机制(N+1,N+2)在传统企业中应用最广泛，通常是将数据条带化分片，然后计算冗余的ParityCode(奇偶校验码)，将数据存储在多个硬盘中，写入新数据通常是一种读改写机制。这一机制本身就成了性能瓶颈，而且读改写对SSD的使用寿命造成了很大的损失。此外，由于NVMe协议将控制卡放在NVMe盘内，IO都是由NVMe盘内的DMA模块完成的，这给NVMe的Raid卡设计带来了更大的困难。这种Raid控制卡在市场上的可用性也很小，而且不能被广泛使用。

对于目前的情况，许多企业级存储方案仍在使用SAS/SATA的SSD和传统的Raid卡，这将导致以前解决的两个问题，SSD的性能不能充分发挥。

但是，由LightbitsLabs发明的NVMeoverTCP(NVMe/TCP)存储集群解决方案对这一问题进行了良好的处理。该解决方案通过自主开发的数据加速卡，采用ErasureCode(纠删码)机制，可实现1MIOPS以上的随机写作性能，并可避免因读改写而造成的使用寿命损失。此外，Lightbits还提出了ElasTIcRaid机制，它提供了弹性N+1保护(类似Raid5)，与传统Raid5相比，它需要热备盘或及时更换损坏盘，这种机制在一块硬盘损坏后可以自动平衡，形成新的保护。例如，一块节点内最初有10块盘，采用9+1保护，当某块盘损坏时，系统会自动切换到8+1保护状态，并将原始数据的保护状态，从而大大降低了原始数据安全性，从而在10块硬盘损坏后可以实现新的压缩。

二、怎样提高NVMe盘的持久性？

当前使用最广泛的SSD是基于NAND颗粒的，NAND天生的问题是持久性。而且随着技术的发展，NAND的密度越来越高，最新一代已经到了QLC(4bitsperCell)，每个Cell可以擦写的次数也在减少。

此外，NAND的使用还有一个特点，即可擦拭的最小单位较大，它可以将4KB作为单位写入NAND，但擦拭时(如修改原始数据)只能使用256KB作为颗粒(不同的SSD大小不同，但原理相同)。这样很容易形成空洞，从而触发GC(GarbagecollecTIon)的SD数据移动，从而导致所谓的写放大现象，进一步影响盘的持久性。

在企业级存储中，通常使用Raid5/6这种读改写机制，会进一步扩大磁盘的写作操作数量，一般在使用场景下损失约为直接写作方式的两倍。此外，许多Raid5还将启动Journal机制，进一步损失磁盘的使用寿命。

最终，对于最新的QLC而言，使用时还需要考虑另一个因素——IndirecTIonUnit(IU)。例如，一些QLC盘使用16KBIU，如果要写出较小的IO，还会触发内部的读改写，对使用寿命造成更大的损害。

由此可见，基于NAND的SSD仍然相对薄弱。然而，只要使用得当，这些问题仍然可以避免。例如，以一个常用的QLC磁盘为例。从以下两组关于性能和持久性的参数可以看出，持久性顺序是随机写的5倍，性能是26倍:

l顺序为0.9DWPD，随机4K为0.18DWPD；

l顺序为1600MB/s，随机4K为15KIOPS(60MB/s)。

通过分析得出，将磁盘应用于最佳工作状态是非常重要的。好消息是目前一些先进的解决方案，比如Lightbits的全NVMe集群存储解决方案就可以解决这个问题。该方案通过将随机IO转化为顺序IO，独特的ElasTIcRaid技术避免了Raid读改写的弊端，可以大大提高磁盘的持久性和随机性。

三、怎样降低使用成本。

与HDD相比，SSD是一项新技术，加上工业生产规模和需求的矛盾，目前价格仍高于HDD。因此，如何降低SSD的使用成本就显得尤为重要。

降低使用成本最重要的一环是充分利用SSD，无论是容量还是性能。但是目前大部分NVMe盘都是直接插在应用服务器上使用的，很容易造成大量的容量和性能浪费，因为只有这个服务器上的应用才能使用。根据调查，使用这种DAS(DirectAttachedStorage，直接存储)，SSD的利用率约为15%-25%。

解决这一问题的较好方法是近年来市场上广泛接受的-解耦合结构。解耦合后，将所有NVMe盘变成一个大的存储资源池，应用服务器使用多少就拿多少，只要控制总数足够，就能很容易地将利用率提高到80%。此外，由于资源集中，可以采用更多的方法来降低成本，如压缩。举例来说，平均应用数据压缩比为2:1，相当于可用容量的两倍，也相当于每GB价格的一半。当然，压缩本身也会带来一些问题，比如压缩本身比较费CPU，而且许多存储解决方案在打开压缩后性能会大大降低。

针对压缩问题，Lightbits的NVMe/TCP集群存储解决方案可以通过存储加速卡解决。该卡可以实现100Gb的线速压缩能力，不消耗CPU，不增加延迟。使用这样的解决方案，压缩功能几乎没有额外的成本。此外，正如前面介绍的提高耐久性时提到的，Lightbits解决方案可以提高使用寿命，支持QLC盘的使用。从整个使用周期来看，使用成本会大大降低。一般来说，通过解耦提高使用效率，压缩可用容量，优化使用寿命或启用QLC，SD的使用成本可以大大控制。

上述从性能、持久性、使用成本三个方面对如何使用好SSD盘进行了分析，可以看出使用好NVMeSSD盘并不容易。所以，对于普通用户来说，选择一个好的存储解决方案是非常重要的。