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讲解SS是如何固态硬盘数据库优化

时间:2012-06-26 07:44:13   编辑:王连龙   文章来源:php教学网 已阅读:211 次

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  讲解SS是如何固态硬盘数据库优化

 

        NOR和NAND都是闪存技术的一种,NOR是Intel公司开发的,它有点类似于内存,允许通过地址直 接访问任何一个内存单元,缺点是:密度低(容量小),写入和擦除的速度很慢。NAND是东芝公司开发的,它密度高(容量大),写入和擦除的速度都很快,但 是必须通过特定的IO接口经过地址转换之后才可以访问,有些类似于磁盘。

  我们现在广泛使用的U盘,SD卡,SSD都属于NAND类型,厂商将flash memory封装成为不同的接口,比如Intel的SSD就是采用了SATA的接口,访问与普通SATA磁盘一样,还有一些企业级的闪存卡,比如FusionIO,则封装为PCIe接口。

  SLC和MLC

  SLC是单极单元,MLC是多级单元,两者的差异在于每单元存储的数据量(密度),SLC每单元只存储一位,只包含0和1两个电压符,MLC每 单元可以存储两位,包含四个电压符(00,01,10,11)。显然,MLC的存储容量比SLC大,但是SLC更简单可靠,SLC读取和写入的速度都比 MLC更快,而且SLC比MLC更耐用,MLC每单元可擦除1w次,而SLC可擦除10w次,所以,企业级的闪存产品一般都选用SLC,这也是为什么企业 级产品比家用产品贵很多的原因。

 

  SSD的技术特点

 

  SSD与传统磁盘相比,第一是没有机械装置,第二是由磁介质改为了电介质。在SSD内部有一个FTL(Flash Transalation Layer),它相当于磁盘中的控制器,主要功能就是作地址映射,将flash memory的物理地址映射为磁盘的LBA逻辑地址,并提供给OS作透明访问。

  SSD没有传统磁盘的寻道时间和延迟时间,所以SSD可以提供非常高的随机读取能力,这是它的最大优势,SLC类型的SSD通常可以提供超过 35000的IOPS,传统15k的SAS磁盘,最多也只能达到160个IOPS,这对于传统磁盘来说几乎就是个天文数字。SSD连续读的能力相比普通磁 盘优势并不明显,因为连续读对于传统磁盘来说,并不需要寻道时间,15k的SAS磁盘,连续读的吞吐能力可以达到130MB,而SLC类型的SSD可以达 到170-200MB,我们看到在吞吐量方面,SSD虽然比传统磁盘高一些,但优势虽然并不明显。

 

  SSD的写操作比较特殊,SSD的最小写入单元为4KB,称为页(page),当写入空白位置时可以按照4KB的单位写入,但是如果需要改写某 个单元时,则需要一个额外的擦除(erase)动作,擦除的单位一般是128个page(512KB),每个擦除单元称为块(block)。如果向一个空 白的page写入信息时,可以直接写入而无需擦除,但是如果需要改写某个存储单元(page)的数据,必须首先将整个block读入缓存,然后修改数据, 并擦除整个block的数据,最后将整个block写入,很显然,SSD改写数据的代价很高,SSD的这个特性,我们称之为erase-before- write。

  经过测试,SLC SSD的随即写性能可以达到3000个左右的IOPS,连续写的吞吐量可以达到170MB,这个数据还是比传统磁盘高出不少。但是,随着SSD的不断写 入,当越来越多的数据需要被改写时,写的性能就会逐步下降。经过我们的测试,SLC在这个方面要明显好于MLC,在长时间写入后,MLC随机写IO下降得 非常厉害,而SLC表现则比较稳定。为了解决这个问题,各个厂商都有很多策略来防止写性能下降的问题。

 

  wear leveling

 

  因为SSD存在“写磨损”的问题,当某个单元长时间被反复擦写时(比如Oracle redo),不仅会造成写入的性能问题,而且会大大缩短SSD的使用寿命,所以必须设计一个均衡负载的算法来保证SSD的每个单元能够被均衡的使用,这就 是wear leveling,称为损耗均衡算法。

  Wear leveling也是SSD内部的FTL实现的,它通过数据迁移来达到均衡损耗的目的。Wear leveling依赖于SSD中的一部分保留空间,基本原理是在SSD中设置了两个block pool,一个是free block pool(空闲池),一个是数据池(data block pool),当需要改写某个page时(如果写入原有位置,必须先擦除整个block,然后才能写入数据),并不写入原有位置(不需要擦除的动作),而是 从空闲池中取出新的block,将现有的数据和需要改写的数据合并为新的block,一起写入新的空白block,原有的block被标识为 invalid状态(等待被擦除回收),新的block则进入数据池。后台任务会定时从data block中取出无效数据的block,擦除后回收到空闲池中。这样做的好处在于,一是不会反复擦写同一个block,二是写入的速度会比较快(省略了擦 除的动作)。

  Wear leveling分为两种:动态损耗均衡和静态损耗均衡两者的原理一致,区别在于动态算法只会处理动态数据,比如数据改写时才会触发数据迁移的动作,对 静态数据不起作用,而静态算法可以均衡静态数据,当后台任务发现损耗很低的静态数据块时,将其迁移到其他数据库块上,将这些块放入空闲池中使用。从均衡的 效果来看,静态算法要好于动态算法,因为几乎所有的block都可以被均衡的使用,SSD的寿命会大大延长,但是静态算法的缺点是当数据迁移时,可能会导 致写性能下降。

 

  写入放大

 

  因为SSD的erase-before-write的特性,所以就出现了一个写入放大的概念,比如你想改写4K的数据,必须首先将整个擦除块 (512KB)中的数据读出到缓存中,改写后,将整个块一起写入,这时你实际写入了512KB的数据,写入放大系数是128。写入放大最好的情况是1,就 是不存在放大的情况。

  Wear leveling算法可以有效缓解写入放大的问题,但是不合理的算法依然会导致写入放大,比如用户需要写入4k数据时,发现free block pool中没有空白的block,这时就必须在data block pool中选择一个包含无效数据的block,先读入缓存中,改写后,将整个块一起写入,采用wear leveling算法依然会存在写入放大的问题。

  通过为SSD预留更多空间,可以显著缓解写入放大导致的性能问题。根据我们的测试结果,MLC SSD在长时间的随机写入后,性能下降很明显(随机写IOPS甚至降低到300)。如果为wear leveling预留更多空间,就可以显著改善MLC SSD在长时间写操作之后的性能下降问题,而且保留的空间越多,性能提升就越明显。相比较而言,SLC SSD的性能要稳定很多(IOPS在长时间随机写后,随机写可以稳定在3000 IOPS),我想应该是SLC SSD的容量通常比较小(32G和64G),而用于wear leveling的空间又比较大的原因。

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4楼 liujian 2015-04-21 17:34发表
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