EuroSys 2024 Paper 论文阅读笔记整理
问题
云本地磁盘以其实惠的价格和高性能而极具吸引力。在云本地磁盘中，物理存储设备直接连接到计算服务器，并作为块设备虚拟化到虚拟机（VM）。在这种设置下，计算节点受其有限的计算和存储资源的限制，只能提供有限数量的VM（也称为ECS实例）。
随着CPU的性能的快速增长，促使进一步复用资源，为每台服务器提供更多实例。然而，这种想法受到存储设备发展的限制。一方面，硬盘驱动器拥有高密度，但带宽仍在每个驱动器250MB/s左右，从而阻止本地磁盘在实现相同服务级别目标（SLO）的同时增加容量。另一方面，高性能存储类内存（SCM）固态硬盘，提供了有竞争力的性能，但存储容量有限，成本高得多[22]。
一种新方法是采用新兴的QLC SSD[26，32，39，40，50]作为本地磁盘。QLC固态硬盘的高密度（比SLC高4倍）和低成本（不到SLC的1/4）提供了可接受的大容量。
本文方法
本文探讨了利用基于QLC的高容量固态硬盘制作云本地磁盘的可能性。并进行了三次初步的尝试：部署QLC SSD作为替代品，使用高性能SSD（HP-SSD）构建分层系统（即OpenCAS[8]），使用dm分区（内核设备映射器）[4]。但QLC固态硬盘不能简单地作为替代品，原因有两点：
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QLC SSD采用粗粒度的逻辑到物理（L2P）映射（例如，Intel P5316 QLC SSD中的64KB间接单元[21，26，28，51]）。64KB比传统NVMe SSD中的4KB L2P条目大得多，从而导致高设备级写入放大（即，4KB逻辑写入变为64KB NAND写入）。
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使用闪存转换层（FTL）管理QLC内部的地址映射，导致垃圾收集的严重NAND级写入放大，因为具有不同寿命的数据混合在一起[17]。
基于以上经验教训，本文提出了CSAL，即阿里云的下一代云本地磁盘。CSAL需要大约3GB的DRAM用于内存数据结构，管理HP-SSD作为写缓冲区，并使用大容量分区命名空间（ZNS）QLC SSD进行持久性。
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设计了两级L2P表，以实现细粒度（4KB）数据访问，从而减轻设备级写放大。
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周期性执行压缩，将冷数据聚合为对底层ZNS QLC SSD的大顺序写入来回收写入缓冲区空间。压缩是由用户（即VM）进行的，因此可以尽最大努力减少NAND级别的写入放大。
开源代码：https://github.com/spdk/spdk
实验结果表明，CSAL始终以优异的性能占据优势，在微观、应用和部署基准方面，与排名第二的方法相比，CSAL分别可以实现2.22倍、1.82倍和2.03倍的加速。
总结
本文针对云本地磁盘，探讨利用QLC SSD的可能性，通过三次初步实验分析了主要的性能瓶颈：（1）QLC SSD采用粗粒度的逻辑到物理（L2P）映射（64KB），比传统NVMe SSD中的4KB L2P条目大得多，导致高设备级写入放大。（2）使用闪存转换层（FTL）管理QLC内部的地址映射，导致垃圾收集的NAND级写放大，因为不同寿命的数据混合在一起。本文提出CSAL，使用大约3GB的DRAM用于内存数据结构，使用HP-SSD作为写缓冲区，使用大容量分区命名空间（ZNS）QLC SSD进行持久化。包括两个技术：（1）两级L2P表，以实现细粒度（4KB）数据访问，减轻设备级写放大。（2）周期性执行压缩，将冷数据聚合为对底层ZNS QLC SSD的大顺序写入来回收写入缓冲区空间，减少NAND级别的写入放大。
