一张图了解Open-Channel SSD 2.0

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FW： firmware

为了让更多的朋友对Open-Channel SSD 有所了解，补充介绍如下。

什么是 Open-Channel SSD 呢？

所谓open-channel SSD 指的是FTL（Flash translation layer）不在device 端, 而是由Host的操作系统维护的SSD。Linux 内核从4.4开始已经支持 Open-Channel SSD了，并提供了符合NVMe协议的抽象层——lightNVM。 (维基百科)

目前，NVM Express (NVMEe) 1.3, 定义了寄存器级别的接口可以让host软件通过PCI Express管理非易失性存储介质。Open-Channel SSD 2.0 的spec，使SSD将内部的并行机制暴露给Host, 从而Host 可以控制数据的物理位置并进行I/O调度（这些原来是SSD内部Firmware的事情）。spec 可以从官网下载openchanel ssd spec， spec 提供了符合NVMe协议的物理地址命令集（Physical Page Address Command Set)

基本术语

Logical block, 逻辑块，读写命令所面对的最小数据单位，这里的概念从NVMe来，而不是NAND上的物理block。
PU （parallel unit), 指的是存储介质中的最小并行操作单元，SSD 中拥有大量的PU，这个PU 与传统SSD 中LUN或者DIE 的概念相似。
Group，指的是一组共享同一传输总线的PU。与传统SSD 中的Lane 或者Channel 的概念类似。
Chunk, 指一系列连续的逻辑块(contiguous logical blocks)。 chunk 是可以被reset(参见后面基本命令集）的最小单元。
Write unit, write unit 是一次写的最少逻辑块数目。
LBA, 即 logical block address，指逻辑块地址又称为 LBA。值得说明的是，Open-Channel SSD 使用的LBA 包含了SSD 内部的拓扑信息，比如PU，Group，Chunk等信息。

SSD 里的物理拓扑结构可以用上述逻辑概念抽象出来，如下图所示。

Open-Channel SSD 有哪些好处？

Host 更主动

这是显然的，对于open-channel SSD，drive 将自己的物理结构信息和内部控制能力开放给Host，使得Host可以精准的控制SSD里的并行单元。spec指出，Host 可以根据自己的业务来控制drive的并行度，SSD firmware不应当对任何形式的workload（比如传统意义上的顺序写，随机写）进行优化处理。

I/O 隔离

对于多租户的应用架构（multi tenant architecture）中，I/O 隔离有助于解决 nosiy neighbor 问题（指的是由于物理资源的共享，本来逻辑隔离的业务性能上难以避免地彼此影响），而Open-Channel SSD里面的每个PU在物理上是隔离的，先天适合这种应用场景。

可预测 latency

Host 知道每一个PU上的正在执行的（或者pending的）所有命令，对latency就有准确的把握。

Physical Page Address Command Set基本命令

Admin Commands

Geometry 命令

Geomery 命令可以让Host 了解SSD 内部的物理信息，比如 Groups，PU和Chunks的个数。

Get Log Page – Chunk Information

SSD 中所有Chunk 的信息都可以通过Get Log Page 命令获得。

这里说一下chunk的管理：

一个chunk 可以接受的命令有Read, Write 和Reset等。(具体见下文I/O commands)。
在一个chunk中Host 必须顺序写（但是看上图中，貌似为random 写留了一条通道），而且写的最小单位是write unit。
一个chunk写完后，Host 要想重新往这个chunk写数据必须先reset 这个chunk。
跟chunk相关的信息有：
- SLBA，start LBA，每个chunk 都有唯一的SLBA。
- NLB，number of logical blocks，chunk 里面的logical block 个数。
- WP， write pointer。

SLBA, NLB 和 WP 的逻辑关系如下图：

CS，chunk state，又可以分为：
1. Free，WP 为0 的情况下，chuck的状态为free。
2. Open， WP 不等于0，并且可以继续写入。
3. Closed，不可以继续写。
4. Offline，不可以再用的chunk。可能是wear leveling 的结果。

状态切换如下图所示:

I/O commands

命令集如下：

所有的命令都遵守正规NVMe的命令结构格式。其中Write 和 Read 命令可以直接从NVMe 1.3中可以看到具体描述。可以利用Dataset Management command中的deallocate 多个chunk 的lba range 来实现多个chunk的reset。

值得一提的是，Vector Chunk commands 系列是通过SGL(scatter-gather logical block address)指定一个或多个LBA list 来执行相应的reset, write，read 和 copy 命令。

以Vector Chunk Copy 命令为例子（其他commands 请参看spec），命令通过SSD 内部buffer实现数据从一个数据源LBA（可以是LBA list）到目标LBA（或者LBA list）的拷贝。

注：本文图片摘选自 openchanel ssd spec