字节跳动ZNS SSD应用案例解析

一、ZNS SSD基本原理

ZNS SSD的原理是把namespace空间划分多个zone空间，zone空间内部执行顺序写。这样做的优势：

降低SSD内部的写放大，提升SSD的寿命
降低OP空间，host可以获得更大的使用空间
降低SSD内部DRAM的容量，降低整体的SSD成本
降低SSD写延迟
ZNS写入了标准NVME协议，更易于打造软件生态，利于普及

与SMR架构类似，ZNS SSD的zone空间内部，也是追加写。每次顺序写完成后，有一个标记位“Write Pointer”来记录已经写过数据所在的LBA位置。

Zone的状态有以下几个：

Full：zone写满的状态
Empty：zone数据空的状态
Explicitly Opened：对zone执行open zone命令成功后的状态
Implicitly Opened：对处于Empty或者Closed状态的zone完成写数据后的状态
Closed：还未写满的zone，在close zone命令成功后的状态
Read Only：处于只读状态的zone
Offline：zone处于异常状态，可能是介质异常或者其他的问题

在Linux内核适配方面，针对zoned设备，之前针对SMR已经有ZAC/ZBC命令规范，并在4.10内核已经支持。针对ZNS SSD，在内核5.10以后也支持了ZNS SSD，软件生态已经基本完善。

在传统的SSD中，SSD控制器会搭配10-100个NAND Die存储介质，管理这些NAND介质就需要一个强大的算法，这里就有一个FTL管理层。

在这个过程中，ZNS SSD最大的优势是取消了块接口税（Block Inteface Tax）。

与传统Block SSD相比，性能更加稳定，不受OP的影响。

如果在文件系统层删除一个文件，比如下图文件C，在没有GC搬迁的情况下，会在无效数据C会占用大量的存储空间。

GC搬迁有效数据到空的block后，之前无效文件C所在数据块block就可以被整个block擦除了。

整个GC的过程最终导致写放大WAF的增加。写放大的增加相应对SSD带来的负面效应就是写带宽下降、读延迟升高、使用寿命下降等问题。

在ZNS的场景下，不同应用按照Zone配置信息，相应存放业务数据。主要集中在顺序读写的workload场景。由于是Host管理数据的摆放和存取位置，会最大程度减少GC垃圾回收。

减少SSD的DRAM空间和去掉OP冗余空间，提升用户可用的容量。

二者具体的优劣对比：

扩展阅读：NVMe SSD：ZNS与FDP对决，你选谁？

二、字节跳动ZNS SSD应用案例分析

字节给出未来数据中心的发展趋势，包括计算、网络、存储三大组件。

字节目前遇到云存储的痛点主要包括：性能、成本、稳定性、定制化。性能方面，SSD的垃圾回收在传统SSD并不可控。成本方面，传统SSD需要预留一定的OP预留空间。稳定性方面，出现异常后，传统SSD的定位周期很大程度依赖SSD厂商。定制化方面，目前主要有SGL、CMB、PMR、ZNS等。

在使用ZNS SSD的场景中，字节采用了软硬结合的方式整体优化。软件方面，负责GC，WL，NAND数据存放位置优化以及QoS优化。硬件方面，主要负责是底层NAND异常和NAND管理，以及CMB、PMR特性。

软件架构如下：NAND相关等盘体异常可以通过AER进行错误上报。

软件针对数据管理的架构：

利用分布式存储chunk管理，与Zone SSD映射关系如下：

通过分布式存储完成Host侧的垃圾回收GC：

Host在对ZNS SSD写数据过程中，有一个很重要的特性就是要支持写入数据最后一个LBA overwrite覆盖写，优化NAND存储空间，最终降低写放大。LBA覆盖写在ZNS标准协议是不支持的，需要定制化设计。

同时，对于有硬件，有两个重要的定制功能，是需要支持CMB和PMR。

CMB（Controller Memory Buffer），即控制器内存缓冲区，是SSD控制器内部用于缓存数据的动态随机访问存储器（DRAM）。它的主要目的是加速数据处理，减少读写操作的延迟。通过使用CMB，SSD可以预先将一部分数据缓存在高速的DRAM中，然后根据需要快速地从CMB中提供数据给主机系统，或者临时存储等待写入闪存的数据。

CMB的工作原理包括：

预取（Prefetching）：当控制器预测到即将需要的数据时，会提前将其加载到CMB中，从而减少了实际从闪存读取数据的时间。
写回（Write-back）：如果主机发出一个写入请求，而目标地址已经存在于CMB中，那么控制器可以选择先更新CMB中的数据，稍后再将修改后的数据写入闪存。这允许更快地响应写入操作，并且有助于提高整体性能。

在 NVME 1.4 SPEC引入了类似CMB的PMR（Persistent Memory Region），PMR的作用是提供一种内存级读写速度、断电后数据不会丢失的存储区域。它使用此功能创建并控制一个称为持久性内存区域（PMR）的存储区域，该存储区可以映射到PCI Express总线上的地址空间上面，并且可被主机和其他设备访问。PMR的主要特点是，在电源断电（power cycle），控制器复位以及PMR启用/禁用切换之后，写入PMR的数据也会保留。此功能使SSD除了提供通过逻辑块地址（LBA）访问的存储区域外，还提供了另一个非易失性存储区域，并且这块存储区域假定的访问方法是内存访问而不是块访问。

Zero Copy通过消除这些不必要的数据复制来提高效率。它允许数据直接从源缓冲区传输到目标设备，而不需要经过中间缓冲区。这样可以减少CPU的参与，释放更多的计算资源，并加快数据传输的速度。

SGL（Scatter-Gather List）是实现Zero Copy的一种方法。在这种机制下，应用将一系列分散的数据块（称为scatter-gather list）提交给设备驱动程序，而不是一个连续的内存区域。驱动程序则可以直接将这些分散的数据块传输到目标设备上，从而避免了在传输过程中对数据进行复制。

结合Zero Copy技术和SGL，可以显著提升存储系统的性能，尤其是对于需要处理大量小规模I/O操作的应用场景，如数据库、虚拟化环境和大数据分析等。

针对云数据中心对ZNS SSD的特别定制需求，字节跳动总结如下：