闪存技术大餐——架构/颗粒/接口/可靠性全面解析架（一）
闪存技术大餐——架构/颗粒/接口/可靠性全面解析架构/颗粒/接口/可靠性全面解析
闪存最明显特点就是稳定性能，低时延和高随机IOPS。对于闪存，在评估性能时，我们一般主要关注90% IO落入规定的时延范围(性能是一个线性范围，而不是某一个点)。数据保护等追求所有软件特性都基于Inline实现，如Inline重删、压缩、Thin-Provisioning(尤其是重删，一方面SSD价格还是偏高，重删压缩可以节约投入成本；另一方面也减少了IO下盘次数提高SSD寿命)。但对于闪存，我们所关注的特性和技术指标远远不止这些。
闪存架构
闪存的Scale out能力：横向扩展能力是应对并发访问和提升性能容量的最基本特性，所以闪存是必须具备的功能。目前XtremIO支持16控，solidfire已经支持但100个控制器节点。
控制器对称A/A 能力：闪存的主要应用场景如OLTP等，传统的A/P、ALUA阵列在主控制器故障切换时都需要时间切换，并导致IO归零；并且在闪存阵列下，一般系统CPU是瓶颈，所以只有无归属、性能均衡的A/A对称架构才能更好应对。目前传统存储(如EMC VMAX/VNX，HP 3PAR， HDS USP/VSP)都已经支持，但是闪存阵列还没看见宣传；好多闪存产品，如 PureStorage还是 A/P模式。
元数据管理
闪存的设计主要是考虑如何发挥出SSD的随机访问性能，不像HDD那样，需要通过预取、IO聚合技术来提高下盘的顺序性，减少对机械盘的操作来提升性能。所以闪存在设计上要考虑如何优化元数据(系统元数据、重删压缩指纹、FTL映射等)管理，IO调度策略，垃圾回收和磨损均衡等设计。
两层元数据管理架构是实现元数据管理的趋势，其基本思想是元数据映射基于LBA->块ID->Block位置的Map形式，卷的数据LBA映射到块ID，而不是磁盘上的物理Block地址；数据变化后只需改变对应块ID映射关系，块ID就可以映射到新的物理空间，这样相比单层方式就简化重删压缩实现和效率。
SolidFire采用两层元数据管理架构实现元数管理，元数据管理采用Key-Value方式；元数据映射基于LBA->块ID->位置的Map形式，卷的数据LBA对应块ID，而不是磁盘上的物理地址；所以数据变化后计算指纹只需改变对应块ID映射关系，天然就支持重删。在垃圾回收时，是采用块标记法实现对未使用块的清除。
GFTL功能
GFTL称作Global FTL，闪存阵列可以配合SSD控制器(需要SSD开放内部接口给阵列)，通过阵列完成一些如ROW写满条带下盘，全局负载均衡，整块对齐擦除、垃圾回收等高级优化功能。另外，GFLT也可记录重删压缩数据库，指纹元数据管理，实现RAID功能，进行IO聚合，通过元数据记录实现RAID满条带下盘，从而规避读、修改、写放大操作，解决Write-Hole问题等。
SSD自身的FTL只能完成数据LAB/重删后数据块、到真实颗粒块(block)的影射，只能实现简单的垃圾回收和ROW数据写，内部把不同Block组织在一起组成RAID。很多外购SSD磁盘的闪存厂商都还不支持GFTL技术，但是该技术是提高闪存效率和竞争力的有力武器。
重删特性
重删是闪存最基本特性之一，分为Inline和Postline，但对闪存Inline才能体现真正价值。重删一般分为HASH指纹算法(以SHA-1为例说明，存在碰撞问题)和按字节对比法两种，逐字节对比可靠性高，但会严重影响闪存性能，所以很少使用，只在数据一致性要求非常严格的场景下使用。
SHA-1算法会有Hash冲突的概率，Hash输出长度一般为160字节的数字，对不同数据块(大小可设置)其输出是随机的，在0-2^(160-1)间分布，不同数据产生相同Hash值的概率2^(-160)，只有数据量(固定数据块大小)超过这些数字能表示的值时，才会发生Hash冲突，但到目前位置，所有产生的数据量总和都不至于产生Hash冲突。
所以Hash方式在产品中最为常见。场见的强Hash算法有SHA-1， SHA-256等；常见的弱Hash算法有Murmur3， CRC， MD5等；强Hash发生冲突的概率低。
但是在某些场景，如在8K业务数据块大小的数据库场景下，Key值基本上是唯一的，如果重删粒度也是8K则根本起不到重删的效果，可以让客户选择关闭该功能(XtremIO的Inline重删功能是无法关闭的)，只开启压缩。
IO基本流程
数据从主机下发到闪存阵列控制器，对于非A/A架构的闪存来说，首先盘判断IO对应LUN的归属，如果LUN归属在在本地控制器，IO就写到到对应Cache并镜像，否则转发给LUN归属控制器处理。Cache到水位时再切分块LBA为相应大小后，交给增值模块(如重删压缩模块)处理，计算出指纹后，将指纹和数据(重复数据只保留指纹)交给归属控制器来完成下盘，相关模块下盘时分配分条，凑满条带后顺序写入磁盘，记录真实地址和指纹关系，保存指纹到指纹数据库。
Block磨损均衡
Block磨损均衡是为了让数据均匀分布在SSD的所有Block中，从而能达到冷热点均匀分布提高SSD寿命的目的。闪存必须提供磨损均衡来实现，磨损均衡分为动态磨损均衡和静态磨损均衡；动态磨损均衡是由主机更新数据触发的，通过主机读写保证数据的擦写平均分布到所有的Block上，因为每种应用都有冷热数据，所以静态磨损均衡并不能保证冷热度均匀分布。
静态磨损均衡是由SSD内部机制实现，将冷Block上的数据进行转移(不同于垃圾回收)，擦写冷Block上面的数据来接受经常变化的热点数据，使冷Block有机会成为热Block，从而使SSD中所有Block的冷热度达到平衡。
SSD掉电保护
为了防止SSD磁盘中缓存数据由于掉电丢失，SSD还需要提供掉电保护功能。一般SSD会设计电压检测模块来实时检测电压值，当电压低于设置阈值时，SSD电压检测模块会通知SSD控制器进入掉电数据刷写流程，此时会有超级电容作为备电源供电，把磁盘缓存数据刷到Flash颗粒中，防止数据丢失。
另一方面，闪存阵列也应该提供一种机制，当阵列主动下电或升级维护时，下发命令给SSD，让SSD进入掉电缓存数据刷新流程，保证数据一致性。
闪存(Flash)是相对于HDD而言的一种非易失性存储器，Flash分为NOR Flash和NANDFlash，NOR Flash可以当作内存使用直接执行程序，相比DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM具有掉电数据不丢失等特点，所以在嵌入式设备(ARM/MIPS等体系架构)中，一般采用NOR Flash存储BootLoader和OS程序。但今天我们的重点是NAND Flash。
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技术原理
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精英视角
