全闪存双活技术架构分析Word格式.docx

1、1. 从闪存颗粒类型、闪存颗粒原理谈谈闪存寿命 说起闪存，客户最关注的一个问题就是闪存的寿命问题，这也是客户长期以来的顾虑。NANDFlash类似外置存储，通过专门的IO接口实现数据访问，支持大容量，适合作为外置存储介质。 Flash的基本单元称为Cell（场效应三极管晶），通过对Cell充放电实现数据编程和擦除（P/E）。不同Flash类型颗粒的P/E操作次数不同，编程和擦除操作次数越多，对应Flash颗粒的SSD寿命越长、可靠性越好、价格也越高。 根据每个Cell储存数据Bit位的不同，Flash可分为SLC、MLC和TLC三种，一个Cell中存储的电子表示的数据位越多，判断其具体表示那个

2、数据的难度就越，所以SLC、MLC和TLC的寿命是依次降低的。随着Cell写入擦写次数变多，闪存老化现象就越严重，以至于最后无法读出Cell中的具体数据而失效。 显然，Flash闪存寿命是和擦写次数相关，而且不同颗粒擦写次数不同。下面我们从SSD磁盘架构、性能和可靠性优化出发，深入探讨SSD如何提高寿命来应对企业应用需求。2. 如何通过SSD磁盘技术提高闪存寿命、应对企业存储需求俗话说麻雀虽小五脏俱全，一只健康的麻雀，必须由不同的组织和器官协调一致，才能完成日常活动中所需的一项项简单的任务。同样，要构成一块合格的FlashSSD磁盘，除了Flash基本存储单元，还需要SSD主控电路、芯片、缓存

3、、SSD固件算法和外围部件等，才能使SSD完成数据存储和读取工作。 Flash存储单元由Flash颗粒是构成，Flash颗粒则需要由成千上万的Cell按照一定组织结构组成的。在闪存结构上，Flash（Device）由多个Die组成，Die是接收和执行Flash命令的基本单元；不同的Die可以并发执行读写等操作。每个Die又可以分为多个Plane，Plane分为若干个Block，Block是NANDFlash的最小可擦除单元，由Block可分为多个Page，Page就是NANDFlash的最小数据写入单元。下面我们再回过头来分析下闪存性能、可靠性，以及通过闪存技术解决如何保证闪存寿命问题。 首先

4、，高性能可以说是SSD的代名词，SSD通过Flash控制电路选通原理来读写数据，早就了SSD具有很高性能。另外，为了进一步提高SSD性能，SSD内部通过缓存技术暂时存放中间数据，在阵列层面也可以对SSD磁盘进行Cache算法优化。 其次，在SSD磁盘上提供掉电保护功能，当系统掉电时，把SSD磁盘缓存数据保存到Flash颗粒，防止数据丢失，也是SSD在数据可靠性上的独特功能。当阵列主动下电或维护时，阵列主动下发命令给SSD控制器，让SSD进入刷写缓存流程，保证数据一致性和可靠性。另外，在阵列层面通过RAID技术、数据复制、镜像和快照技术实现数据在本地和远端数据可靠性。 再次，为了确保SSD闪存寿

5、命，SSD厂商采用OverProvisioning技术防止SSD对某一块Block过度擦写导致Block失效，所以SSD提供了额外的容量，缓解失效Block的容量迅速超过OverProvisioning容量使整个SSD失效了的周期。闪存厂商也会提供磨损均衡算法（分为动态磨损均衡和静态磨损均衡）提高SSD寿命。动态磨损均衡是由主机触发数据移动，静态磨损均衡是由SSD内部周期触发数据移动，由于静态磨损均衡更加清楚SSD闪存颗粒冷热度分布情况，相比之下，静态磨损均衡更有效地实现数据在SSD颗粒的均匀分布。 最后，针对闪存寿命问题，闪存厂商还通过Inline数据重删压缩技术，通过重删指纹算和压缩算法法

6、消除冗余数据、减少数据量，最终降低数据下盘的次数和概率，从而减少Flash颗粒写入和擦除次数来提高闪存寿命。正是得益于这些技术，SSD才能完全满足客户业务5年以上时间的使用寿命。 SSD存储替代HDD已经大势所趋。在磁盘技术上，SSD是通过Flash控制电路选通原理来读写数据，所以还具备性能高、故障率低、能耗低等特点。而HDD则采用笨拙的机械磁头来定位、读取数据，所以不但故障率高、噪声大和功耗大、而且在高海拔、高压环境下，磁盘损坏率更加严重。3. SSD的性能和可靠性如何发挥出来，传统存储可以吗 要彻底回答这个问题，我们首先要从传统阵列和闪存阵列的差异出发，然后深入到闪存阵列的设计才能得出全面

7、的答案。 传统存储和闪存有很大差异，在传统存储阵列中，存储性能瓶颈在HDD磁盘，所以HDD需要通过预取、IO聚合技术来增加下盘的顺序性，减少对机械盘的操作来提升性能。 对于闪存，性能瓶颈不在SSD磁盘，而在系统处理能力上。因此存储厂商更多需要考虑如何减少Flash颗粒的写入擦除操作、如何节约数据存储空间、如何提升系统元数据处理效率。SSD相当于闪存系统强劲的引擎，只有专门设计的闪存系统才能发挥SSD性能，传统阵列无法实现闪存的性能目标。 为了充分发挥SSD能力，首先闪存必须采用高速前后端数据通信互联技术为闪存构建一条高速信息通道。如16GbpsFC、56GbpsIB、12GbpsSAS和PCI

8、e3.0等。其次必须构建横向扩展能力、控制器对称双活能力、Cache算法调优、ASIC卡加速和增值特能力等。最后必须对闪存架构专门设计提升系统SSD性能，对算法进行深度优化提高数据管理效率，如实现GlobalFTL技术完成数据满条带下盘、全局负载均衡、整块对齐擦除、垃圾回收等高级优化功能，提高系统资源利用率，规避数据写放大问题。提供两层元数据管理机制，简化元数据管理开销，而且提高了管理效率。至此，我们发现存储通过专门架构设计和算法优化可以发挥出闪存的能力，这也是为什么闪存具有较高技术门槛的原因。4. 闪存和双活不仅是黄金搭档，更是存储界的一次双剑合璧 在客户现网应用中，闪存系统一般用来承载数据

9、库、高性能和分析型业务，闪存系统能够满足这些业务的性能、时延和一般数据保护要求，但无法满足高可靠和业务连续性要求。目前主要采用存储复制技术实现实现业务连续性。但是存储复制等技术在数据保护级别上具有局限性，无法满足数据库等关键业务对RTO和RPO均为零的要求。所以针对业务连续性要求苛刻的应用，双活技术才是客户的最佳选择。在金庸武侠小说中，杨过和小龙女双剑合璧可也发挥出一加一大二的效果。闪存阵列提供了高性能和高可靠能力，存储双活可以保证业务永续。闪存加存储双活就是存储解决方案的一次双剑隔壁。 如图所示，双活方案是基于应用、网络、存储和数据的端到端的数据中心双活，顾名思义，应用、网络、存储都应该是双

10、活状态。 为了提升双活方案整体性能，充分发挥闪存的性能，存储厂商对SCSI协议的写请求和写执行步骤进行优化，在数据复制过程中实现SCSI协议步骤合并，提升协议效率、降低网络时延。 为了实现双活和应用联动，提升方案差异化和竞争力，储存厂商通过开发应用相关插件，实现对故障切换优化、储存管理和应用卸载等功能。同时开发可视化管理软件实现多数据中心统一管理。 为了保证双活数据可靠性，除了提供本地和远端数据保护功能外，储存厂商还需要提供健壮的双仲裁机制保证在双活发生脑裂时，能选出正确存活的工作站点。 为了使数据中心未来向多数据中心演进，双活方案必须具备演进成3DC、多活和多AZ扩展性能力。毕竟客户更容易接

11、受架构灵活和容易扩展的解决方案。 存储双活的双写机制使得在传统阵列中时延过大，性能偏低，无法满足关键业务性能和时延要求。所以，闪存恰好可以弥补存储双活这方面的缺陷。这种功能互补充分发挥了闪存和双活的优势，将使得双活将是闪存阵列的一个标配特性。闪存和双活方案对未来方案演进创造了更多可能。5. 如何构建闪存生态、把握闪存趋势、立于不败之地 生态建设是存储厂商开放能力的体现，闪存厂商也需要积极联合第三方服务器厂商，提供基于生态链的端到端PCIeSSD服务器加速卡方案。但是目前PCIeSSD没有标准存储协议，需要厂商提供私有驱动来支持PCIeSSD来正常工作，PCIeSSD卡协议的兼容性和通用性很弱。

12、所以NVMe标准的出现使不同PCIeSSD设备互通成为可能。 NVMe就像是秦始皇，统一了各个国家的语言和文字（不同厂商PCIeSSD接口协议），只要服务器和PCIe接口卡都遵循NVMe规范（各个国家采用统一语言和文字来沟通），PCIeSSD接口卡就可以安装在任何服务器上兼容有效通信，NVMe协议和标准推动了闪存生态发展。 技术趋势把握能力体现存储厂商的战略前瞻性，虽然NANDFlash目前处于绝对的王者地位，但是传统的NANDFlash是一种线性串列的颗粒存储结构，这种结构限制其容量很难做大，很难应对大数据对闪存的需求。3DFlash技术的出现给闪存的未来向大容量发展指明了方向，目前3D-Flash技术主要包含忆阻Memristor存储技术、3D水平NANDFlash堆叠技术、3D垂直NANDFlash堆叠技术三个方向。闪存厂商需要拥抱这些技术才能掌握更多话语权。 每种技术都是服务于客户的某些需求，闪存和双活技术亦是如此。但是技术、方案跟客户需求的高度匹配才能最大化客户数据价值。真正得到客户认可的方案，不仅要解决眼前的问题，而且要考虑未来业务增长、技术延承和架构演进。闪存加双活方案，一方面代表最先进的生产力，全面提升业务性能和价值，另一方面具备最强业务连续和灵活扩展能力，满足业务未来增长和架构演进。