WD（西数）：规模化部署ZNS-SSD

关键要点

1. 使用Zoned Namespaces（ZNS）可以提高闪存驱动器性能和容量，同时降低成本。

2. ZNS是一种NVMe命名空间，支持固定大小的区域用于数据放置，并模仿了主机管理SMR硬盘的ZAC/ZBC模型。

3. ZNS已经得到广泛支持，包括Linux软件生态系统、SPDK等工具库以及许多存储硬件厂商产品。

超大规模数据中心和云服务提供商（CSPs）面临着大量数据挑战，并且客户对成本效益存储和高性能的需求不断增加。

性能：IOPS/TB、吞吐量、延迟/QoS

成本影响：容量/性能

生命周期/DWPD：5-7 年（典型 >1 DWPD）

DWPD（Drive Writes Per Day）是衡量存储设备耐用性的重要指标，表示在设备的保修期内，用户每天可以安全地写入多少次其总容量。例如，若一块容量为1TB的SSD标称DWPD为1，则表示在保修期内，用户每天可以写入1TB的数据，而不影响设备的寿命。 DWPD值越高，意味着存储设备的耐用性越强，适合高写入负载的应用场景，如数据库和虚拟化环境等。这个指标对企业用户尤其重要，因为它直接影响到数据中心的可靠性和维护成本。

超大规模存储系统面临的挑战和不同类型SSD的性能比较。常规SSD（TLC和QLC）与区域命名空间SSD在多个指标（如IOPS、吞吐量、延迟和成本）上进行了对比。

ZNS-SSD在性能和生命周期方面通常优于常规SSD，尤其在高负载环境下。整体上，随着数据量的增加，存储解决方案需要更高的成本效益和性能，以满足市场需求。

问题意识

为什么使用带有分区命名空间（ZNS）的SSD？

• • 存储块接口与NAND闪存固有特性之间的不匹配；
• • 消除了SSD的垃圾收集（GC）和写放大（WAF），主机写入混合在同一介质上，增加了GC负担；
  • • 对SSD的性能、寿命和行为有重大影响。

吞吐量

• • 左下图显示了ZNS SSD与传统块SSD在不同写入量下的吞吐量对比。
  • • 随着写入数据量增加，ZNS SSD是吞吐稳定在1000MB/s；而传统SSD的吞吐在数据量达到2TB左右，出现向下波动，后稳定在400-600之间。

延迟

• • ZNS SSD与传统SSD在不同写入负载下的平均读取延迟对比。

图示了带有分区命名空间（ZNS）的SSD相较于传统SSD的优势，强调了ZNS在提高性能和一致性方面的潜力。通过消除垃圾收集和写放大问题，ZNS SSD在吞吐量和延迟上表现更佳，能够显著延长SSD的使用寿命并优化其行为。

这张图说明了在实际业务中，为保证传统SSD因写放大造成的寿命损失，需要超额配置。

1. 1. 写放大：写放大是指在写入数据时，实际写入的闪存数据量大于用户希望写入的数据量。例如，如果用户写入1GB数据，但闪存实际上写入了1.1GB到1.4GB，这就是写放大。
2. 2. 超额配置：超额配置是指在SSD中保留额外的闪存空间，以便在需要时使用。这可以提高性能和延长闪存的寿命，因为它允许更有效的数据管理和垃圾回收。

超额配置会造成SSD硬件成本翻倍，而基于ZNS分区命名的SSD能有效缓解。

• • 一种支持区域抽象的NVMe™命名空间
• • 继承了来自NVM命令集的逻辑块、LBA、I/O命令（例如，读写命令）、管理命令、日志页等现有概念
• • 逻辑块被划分为固定大小的区域，由主机软件用于数据放置
• • 模拟了用于主机管理的SMR HDD的ZAC/ZBC模型，以利用其现有的软件生态系统
• • NVMe设备可以同时支持传统命名空间和分区命名空间
  • • 例如，软件更新后可用于软启动，以利用分区存储模型

右图是ZNS的架构示意图，其从NVMe命令集规范演变而来，将多个标准LBA块封装成Zone，在Zone中应用软件是顺序读写的，因而极大改善基于块擦除机制造成的SSD寿命衰减。

ZNS 标准化的历史进程，强调了行业对标准化数据放置方法的需求。

2018年成立的ZNS工作组在2020年完成了初步修订并得到认可，随后ZNS被纳入Linux和SPDK生态系统。图中还提到，Google推动的UFS标准化也纳入了Zoned Storage支持，旨在实现不同存储设备之间的统一存储模型。

随着业界在2020年前后支持SSD with ZNS[1]，行业内快速适配、发展，包括：纳入Linux标准发行版、MySQL&RocksDB兼容，btrfs文件系统兼容等。

区域命名空间命令集（ZNS）在多个供应商产品中的支持情况，以及在Linux生态系统中的发展。它强调了在本地文件系统和数据库系统方面的主要成就，并指出了成功大规模部署ZNS SSD所需的关键步骤，包括标准化设备模型和云编排平台的使用。整体上，图中展示了ZNS生态系统的成长和技术支持的广泛性。

介绍了SNIA区域存储技术工作组的标准化设备模型。它强调了区域存储生态系统对SSD的依赖，以及不同SSD供应商之间的属性差异所造成的混乱。为了解决这些问题，SNIA成立了工作组，发布了区域存储模型v1.0规范，旨在统一产品、增强多源供应和促进软件互操作性。图中还展示了两个主要模型，分别针对高性能和高容量的使用案例，并列出了区域存储设备的共同要求。

右图示意：在SNIA ZNS技术小组的组织下，ZNS-SSD的路线被规划成 A-高性能方向；B-海量存储方向。

讨论了如何简化区域存储的部署，强调了与存储即服务（SAAS）提供商的集成，特别是云编排平台如Kubernetes和OpenStack。它提到SAAS通常由主要云服务提供商（如Azure、AWS、GCP）提供，并探讨了在本地和混合云环境中利用区域存储的优势。图中还列出了相关的云编排和分布式存储解决方案。

区域云存储的两个主要层面：容量和性能。

在容量方面，强调了成本的重要性以及如何实现可扩展的存储解决方案；在性能方面，重点放在吞吐量和延迟上，认为成本不是主要考虑因素。

整体上，图中提到的各种技术和平台（如 Longhorn、OpenEBS、Ceph 和 CSAL）反映了云存储领域的技术差异和各自优势。

三种现代分布式存储系统的支持技术：Longhorn、Mayastor和SPDK的CSAL。Longhorn基于btrfs，未来将支持SPDK；Mayastor则专注于将区域存储直接暴露给容器；SPDK的CSAL提供高性能存储，利用NVMe over Fabrics技术来实现传统存储的高效访问。

这些技术代表了存储领域的最新发展，旨在提高存储效率和性能。

Ceph 分布式文件系统的 Crimson 更新，强调了区域存储的集成和性能提升。Crimson 版本将提供原生的区域存储支持，写入速度提高 1.6 倍，并在延迟质量方面有显著改善。

图表中比较了区域存储（ZNS SSD）与传统存储的读写性能，显示了更高的带宽和更低的延迟。预计在 2024 年上半年正式发布。

总结了带有分区名称空间的SSD的优势，包括高性能和可预测的延迟、成本效益及支持多种新工作负载的能力。提到其寿命为5-7年，并强调了明确的存储设备模型和软件使用案例的必要性，以促进行业的广泛采用。最后，强调了开发者在这一领域的重要性。

总结

1. 1. ZNS SSD的优势：ZNS SSD相比传统SSD，在性能、成本和寿命等方面具有显著优势，特别是针对高容量需求和降低写放大问题，表现出独特的优越性。
2. 2. ZNS SSD的应用场景：ZNS SSD适用于各种软件生态系统，如数据库系统和分布式文件系统等，可帮助提升设备性能和优化数据布局。
3. 3. 实现ZNS SSD的大规模部署：为了实现ZNS SSD的大规模部署，需要云计算平台的支持和多源采购策略，以便更易于采用和推广该技术。

引用链接

[1] SSD with ZNS: https://zonedstorage.io/

---【本文完】---