SSD FTL揭秘

名词介绍

• page

SSD 存储芯片内写操做的最小单元。

• block

SSD 存储芯片内擦除操做的最小单元。

• FTL

Flash Transfer Layer的简写。

FTL的功能

实现host地址到nand地址到转换。

FTL mapping的基本机制

• page-level mapping

每个逻辑的page 都是映射到一个物理page, 映射策略和同一个block内到其余page 无关。

• block-level mapping

对应关系相似上面，只是粒读是比page 更大的block 。

• hybrid mapping

部分block 用page-levle mapping机制，部分block 采起block-level
mapping 机制。以下图所示：

常见的FTL算法

好算法的评判标准：

• small memory footprint

• good writing performance

优化思路

• mapping-entry to flash
  对于page level mapping机制：
  优势是性能好，缺点是SSD控制器内部占用的内存大，但能够把部分mappint entry 放到flash中去优化。

• log block FTL
  对于block level mapping 机制：

优势是总的mapping entry少，可是因为block内部不一样page的写须要COW 操做，致使性能低。这能够经过給block 内部添加的额外的page或者block来接受写更新请求来优化，这部分page或block被分别叫作log-page/log-block，而默认的那部分page/block被称为data-page/data-block。后续二者能够一趟合并，无需COW。

• partitioned-flash
  思路和依赖体如今下面几点：

1. SSD 能被切分
   SSD存储介质可以被切分红多个区域；

2. IO流有高、低频之分
   部分数据被频繁更新；部分数据不多跟新；

3. 内部支持hybrid mapping scheme
   内部部分NAND的FTL是page-level mapping; 部分是block-level mapping;

4. 独立映射
   高频（热数据）使用 page-level FTL；
   低频（冷数据）使用 block-level FTL;

log block FTL

Mitsubishi

这种机制在每一个log page里面包括额外的log page, 这些log page应用程序不可见，只在block里的data page更新的时候才会当即更新。特色是：后续对block的写，会基于log page；若是log page用完了，会进行copy and merge。以下图所示：

M-systems

M-systems能够理解成block RAID1, 一个logical block 对应两个physical block，： data block和log block 。M-systems有两种管理映射的机制：

• ANAND

相同偏移的page 才能相互映射。第一次覆盖写会落到log block，第二次覆盖写才会触发merge操做。举例以下：

这种方法的优势是 不须要维护data block和log block的映射关系。

• FMAX

对某个page的覆盖写的更新会写到log block的第一个空闲page，以前的page number(在较早的data block里面的）会被拷贝到带外空间（OOB）。data block和log block的merge操做只会发生在log block里空闲空间不足的状况下。

BAST (Block Associative Sector Translation FTL)

BAST能够理解为log block 数量受到限制的FMAX， FTL mapping table 而非OOB region被用来管理log-block和data-block的1:1映射关系。 当出现下面的状况下会触发merge:

• log block 被用完了；

• 覆盖写的时候free log block  不足。

  这个方法的不足在于：当有超过log block 数量的更新同时进行的时候，会触发多个merge 操做，即使此时有的log-block里有效数据不多。

FAST (Fully Associative Sector Translation FTL)

FAST经过全相关解决了上面 的问题。一个log block 能够映射到多dat block 。在这种策略中， log blocks被分红两个区域。每一个区域都包含一个专门給顺序更新的block，由于顺序写若是落到不一样block会致使merge 操做效率低下，因此把落在同一个逻辑block 的page 顺序更新都映射到同一个block。此外，每一个区域还包括对随机写友好的log block ，这些block 能够在随机更新的时候被最大程度地并行使用，同时最小化了merge 开销。下面这个图很直观地说明了这个过程：

LAST (Locality Aware Sector Translation FTL)

FAST merge操做的次数少，可是每次merge操做的代价大。由于FAST 中log-block 和page-block是1:N映射的，一个log-page里可能映射到多个data block，这样merge一个log block可能就须要更新多个data block。特别地 有的data block 可能更新比较少，而有的data block 可能比较频繁地更新，若是都混在同一个log block里可能形成实际数据更新比较少的block也频繁merge，显然这样效率不高。为此，天然想到了一种把不一样频次的IO 分流到不一样的log-block 的方法。

1. 为顺序写分配更多的log-block；

2. 把属于随机写的log-block 分红两个区域：一部分log page 用来接收热数据；一部分用来接收冷数据。

K-Associative Sector mapping FTL

log-block 和data-block K路组相连的映射方式，来减小FFTL merge操做的开销。

Hybrid FTL

主要的思路以下：

• 为冷热数据分配不一样的log block/log pages;
• 热数据采起 page-levle mapping
• 冷数据采起block-level mapping

Page-level mapping FTL

传统的page-level mapping 因为使用数量巨大的mapping table entry 占用不少内存，一般不是一个最好的选择。业界提出了几种方法。

DFTL (Demand-based FTL)

主要思路以下：

• 高频访问的mapping table entry 存在控制器RAM里；
• 其余的mappieng table entry 存在flash memory里；

示例图以下：

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SFTL (Spatial Locality Aware FTL)

主要思路是利用顺序IO的特性来减小mapping table 的大小。对于顺序IO，不须要加载对mapping table 的多个不一样的引用，只须要加载一个引用以及表示还有多少顺序访问的数量就够了。

CFTL (Convertible FTL)

一种充分利用了程序时间和空间局本性的 FTL。

• 利用空间局部性

使用了cache来存取部分mapping table

• 利用时间局部性
  对于密集的读请求使用block-level mapping，而对很频繁的更新请求使用page-level mapping机制。

FTL with partitioned flash memory

WAFTL (Workload Aware FTL)

WAFTL根据IO pattern 来存放数据。在这种FTL实现里：

1. flash memory 被物理分红两个区域：

• 基于page映射的区域

managed page-wise called Page Mapped Blocks (PMB), 用来存放：

• 基于block映射的区域

managed block-wise called Block Mapped Blocks (BMB)

2. 根据IO pattern分区存放数据：

• 随机访问的数据以及block 部分更新的数据存放到PMB 区域；
• 顺序访问的数据以及mapping table 存放在 BPM区域；
• WAFTL 内部 把flash memroy 部分空间用做了buffer，在这些数据被copy到BPM区域以前，会被临时、顺序写入到buffer 里面去。

CACHE-FTL (Cache Aware Configurable Hybrid FTL)

相似上面的WAFTL, flash memroy也划分了分区。考虑到SSD控制器内部也有cache,
其最终目的就是为了加快对flash memory 对访问，同时考虑尽可能减少最终落到block内部的 cache上的有效数据和flash memory上的无效数据的merge开销。所以，CACHE-FTL 提出了一种经过统计内部flush.操做下刷单page数量来决定写到 page-mapping 区域仍是block mapping 区域：若是这个数量低于某个阈值，就写到page-level mapping 区域，不然写到block-level mapping区域。

此外，CACHE-FTL的GC机制在回收空间的时候，容许数据从page-level mapping区域搬到block-level mapping 区域。