[發明專利]一種存儲器、存儲系統、主機及數據操作、垃圾回收方法

在審

• 申請號: 201810020423.8
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN110018966A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 吳忠杰
• 申請（專利權）人: 阿里巴巴集團控股有限公司
• 主分類號: G06F12/02
• 分類號: G06F12/02
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 龍洪;栗若木

一種存儲器、存儲系統、主機及數據操作、垃圾回收方法，所述存儲系統包括存儲器和主機，所述存儲器包括：管理單元，用于實現與存儲介質相關的處理邏輯；基于對象的訪問接口，供主機通過所述訪問接口對所述存儲器執行對象操作；所述主機包括：存儲控制單元，用于實現與數據布局相關的存儲邏輯，通過所述基于對象的訪問接口執行對象操作。本申請還提供了相應的數據操作和垃圾回收方法，本申請可以達到降低成本，保證性能的一致性，隔離IO資源等效果，適合于在數據中心等應用場景使用。

技術領域

本申請涉及但不限于存儲技術，更具體地，涉及一種存儲器、存儲系統、主機及數據操作、垃圾回收方法。

背景技術

固態硬盤(SSD：Solid State Drives)是用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，主要由控制器和閃存(Flash)芯片組成，控制器運行固件(Firmware)實現各種處理邏輯。NVMe SSD是一種標準SSD產品形態，NVMe(Non-volatile Memory Express)是一種為非易失介質定義的接口技術。Flash分NAND Flash和NOR Flash，NOR Flash的存儲內容以編碼為主，NAND Flash主要功能是存儲資料。在大容量存儲領域，SSD一般選擇NAND Flash。NANDFlash以物理頁(page)為單位寫入，以擦除塊(erase Block)為單位擦除。

NVMe SSD對外體現邏輯塊設備接口，NVMe SSD內部維護大量的內存數據，以實現復雜的映射操作邏輯，該邏輯稱之為閃存映射表(FTL)。FTL用于將NAND Flash的物理頁地址(PPA：Pphysical Page Address)轉換成存儲系統使用的邏輯區塊地址(LBA，LogicalBlock Address)，以與傳統的磁盤接口兼容。所有數據在SSD內部采用追加寫(AppendWrite)的方式在NAND Flash中進行記錄，不能在Page內部實現原地寫(overwrite)，因此NVMe SSD內部通過log-structured的方式對數據進行組織。

追加寫帶來了垃圾回收(Garbage Collection)問題，該垃圾回收機制由SSD內部控制器上運行的固件控制，對上層應用透明。另外，Flash具有一定的擦寫次數限制，因此通過內部的磨損平衡(Wear leveling)方式均衡使用壽命，最大化Flash的使用年限。除了上述NVMe SSD要實現的處理邏輯還包括壞塊管理(Bad block mgnr)、命令處理(Commander)、日志管理(Journal)、非易失性內存(NVRAM：Non-Volatile RAM)管理、閃存通道控制器(FCC：Flash Channel Controller)、獨立磁盤冗余陣列(RAIN：Redundant Array ofIndependent NAND)、IO調度(IO Scheduler)、資源分配(Allocator)、磨損均衡、低密度奇偶校驗碼(LDPC：Low Density Parity Check Code)編解碼等等，而與數據布局相關的存儲邏輯包括地址映射和垃圾回收。NVMe SSD的內部邏輯如圖1所示，存儲系統采用LBA的接口方式對SSD進行訪問。

SSD內部的復雜處理邏輯導致其至少存在如下幾個方面的問題：

成本高：SSD內部采用大量內存存放映射表，增加了成本。另外，垃圾回收的前提是要提供空閑區域來拷貝，很多SSD內部有大量的預留存儲空間(OP，Over Provisioning)，通常OP在20％以上。OP越大，垃圾回收就會越快，相應寫放大會變小。但OP過大浪費成本。

性能一致性差：由于SSD內部存在復雜的垃圾回收機制，在內部形成了IO背景噪聲，對正常的業務IO流造成影響，導致性能抖動，一致性變差。