大資料小視角5：探究SSD寫放大的成因與解決思路

SSD 大資料 · 發表 2018-09-21 11:54:00

摘要：筆者目前開發運維的儲存系統的伺服器都跑在SSD之上，目前單機伺服器最大的SSD容量有4T之多。（公司好有錢，以前在實驗室都只有機械硬碟用的~~ ）但SSD本身的特性與機械硬碟差距較大，雖然說在效能上有諸多優勢，但是如果使用的方式方法不對，反而會事倍功半。所以筆者花時間調研了一下固態硬碟的結...

筆者目前開發運維的儲存系統的伺服器都跑在SSD之上，目前單機伺服器最大的SSD容量有4T之多。（ 公司好有錢，以前在實驗室都只有機械硬碟用的~~ ）但SSD本身的特性與機械硬碟差距較大，雖然說在效能上有諸多優勢，但是如果使用的方式方法不對，反而會事倍功半。所以筆者花時間調研了一下固態硬碟的結構與特性，並且總結了一些避免SSD寫放大效能下降的法則，希望對大家有所幫助~~

1.SSD的寫放大

首先我們來看看什麼是 寫放大 ，寫放大（Write amplification）是2008年，由英特爾和SiliconSystems在論文之中首次提出： 它表現為在SSD上實際寫入的資料遠遠大於使用者寫入資料。

為什麼會產生這樣的現象呢，我們要回歸到固態硬碟原本的特性。首先固態硬碟與傳統的機械硬碟不同的點在於它不能夠 覆蓋寫 。所以對於已經存在資料SSD來說，一次資料的寫入分為2個動作：

1、擦除SSD上已有的資料。
2、寫入新的資料。

寫入放大的問題就出了這個部分，因為SSD每次寫入的最小單位為Page，每個Page是4KB大小，而每次擦除的大小單位為 Block ， Block 通常由64或128個 Page 組成。也就是說，正是由於SSD寫入與擦除的單位大小不匹配，導致了寫入放大。如果僅僅是寫入單一Page的資料，而單個Block之中沒有了空餘的Page，則需要擦除一個Block的資料，之後再寫入一個Block的資料。所以說，本身只需要4KB的寫入， "放大" 了64倍甚至是128倍！由於SSD的壽命取決於擦除次數，所以寫入放大會大大影響到SSD的使用壽命

OK，瞭解了寫入放大的現象之後，我們接下來怎麼樣會導致寫入放大的現象呢？

寫入量

這點應該很好理解，由上面的闡述可以看到，如果每次對SSD的寫入都是很小的量，就會產生典型的寫入放大。

剩餘容量

通常我們使用的SSD都存在預留空間（OP）來用於給SSD的主控晶片來進行一些優化操作。其中預留空間最為核心的兩項工作就是 垃圾回收 與 損耗均衡 ，在這裡筆者簡要介紹一下垃圾回收和損耗均衡。

垃圾回收：

SSD中主流的垃圾回收演算法與Java之中的標記清除的垃圾回收演算法類似：

如上圖所示，SSD首先在Block X之中寫入A-D的Page頁，之後繼續寫入到H，並且更新了A'-D'，所以原先的A-D的page頁成為了需要回收的垃圾。所以主控晶片會將可用資料移動到旁邊的有空閒的Block Y，同時完整的擦除Block X。當剩餘容量越小，垃圾回收越頻發，則SSD的寫入放大就越為嚴重。就是為什麼許多手機在剛剛買來之後絲滑如順，但是之後就越用越卡，這是因為容量越來越小了，SSD需要背鍋！！（這也是筆者的64G的小米5剩餘容量只有4個G了，日常使用卡如狗的部分原因~~ ）需要頻繁進行垃圾回收的場景會導致寫入放大的問題更為嚴重。

損耗均衡：

我們知道，SSD的使用壽命等同於 Block 的擦寫次數，目前主流使用的MLC顆粒的程式設計/擦寫次數一般在3000 ~ 5000次左右。如果反覆地程式設計和擦寫某個 Block ，該 Block 則會先於其他 Blcok 損壞，導致壞塊大量出現。正是因為這樣的原因，SSD的主控晶片會盡可能的讓每個 Block 的擦寫次數均勻。所以 損耗均衡 的操作需要移動並沒有新資料寫入的 Block ，這樣同樣也會導致寫放大的上升。

2.寫放大問題的一些解決思路

瞭解了SSD的寫放大的成因之後，我們可以『對症下藥』的嘗試給出一些方案來減小寫放大問題來對我們線上服務的影響。

批量寫

這幾乎是解決磁碟io問題的通用解決方案，同樣適合於傳統的機械硬碟與SSD。儘量在程式碼邏輯之中減少隨機寫的次數，來避免由少量寫操作引發的寫放大問題，同時可以考慮通過塊對齊的方式來進一步減少寫入產生的寫放大問題。（當然這裡所謂塊對齊的思路在是與程式執行環境緊耦合的，程式的可移植性會大打折扣）
預留空間，容量告警

這也是我們運維線上機器常用的思路，對於SSD的使用量要有一個閥值，超過我們的預設容量時，線上的程式需要給運維和開發人員告警。
寫壓縮

寫壓縮是依賴SSD的主控晶片的，部分SSD主控晶片支援寫壓縮。也就說接受到作業系統傳送要寫入20m資料，主控晶片可以通過一些流壓縮或塊壓縮的演算法壓縮資料，在讀取資料時，再重新進行解壓。這種方式強依賴硬體，並且新的瓶頸可能會是主控晶片的壓縮，解壓的速度。
TRIM命令

TRIM是作業系統層級的命令。作業系統利用TRIM命令來標記SSD上某個Page的資料可以回收。一旦某個Page被SSD標記為可以回收，在SSD空閒的時候SSD的主控晶片會將這些被標記的Page資料收集到同一個Block，然後共同擦除。這樣每次需要寫資料時，就在已經有足夠空閒的Page可以寫入新的資料。

上述幾個思路都是在實踐中可以採取的措施，其實TRIM命令需要通過Linux設定開啟，這裡筆者在這裡介紹一下如何在Linux下開啟TRIM命令：

確認Linux的核心是否大於 2.6.28，筆者這裡是4.9.0的核心。

2.呼叫hdparm -I /dev/sda1 命令確認SSD裝置是否支援TRIM。

3.修改/etc/fstab檔案，在掛載選項之中新增discard，重啟之後就開啟了TRIM

3.小結

到此為止，筆者聊了聊SSD寫放大的成因，並且針對SSD寫放大的成因，提出了一些解決的思路和方法，希望大家能有所收穫，在生產環境之中能夠更好的『調教好』SSD~~~