一、ZNS SSD基本原理

ZNS SSD的原理是把namespace空間劃分多個zone空間，zone空間內部執行順序寫。這樣做的優勢：

• 降低SSD內部的寫放大，提升SSD的壽命

• 降低OP空間，host可以獲得更大的使用空間

• 降低SSD內部DRAM的容量，降低整體的SSD成本

• 降低SSD寫延遲

• ZNS寫入了標準NVME協議，更易于打造軟件生態，利于普及

與SMR架構類似，ZNS SSD的zone空間內部，也是追加寫。每次順序寫完成后，有一個標記位“Write Pointer”來記錄已經寫過數據所在的LBA位置。

Zone的狀態有以下幾個：

• Full：zone寫滿的狀態

• Empty：zone數據空的狀態

• Explicitly Opened：對zone執行open zone命令成功后的狀態

• Implicitly Opened：對處于Empty或者Closed狀態的zone完成寫數據后的狀態

• Closed：還未寫滿的zone，在close zone命令成功后的狀態

• Read Only：處于只讀狀態的zone

• Offline：zone處于異常狀態，可能是介質異常或者其他的問題

在Linux內核適配方面，針對zoned設備，之前針對SMR已經有ZAC/ZBC命令規范，并在4.10內核已經支持。針對ZNS SSD，在內核5.10以后也支持了ZNS SSD，軟件生態已經基本完善。

在傳統的SSD中，SSD控制器會搭配10-100個NAND Die存儲介質，管理這些NAND介質就需要一個強大的算法，這里就有一個FTL管理層。

在這個過程中，ZNS SSD最大的優勢是取消了塊接口稅（Block Inteface Tax）。

與傳統Block SSD相比，性能更加穩定，不受OP的影響。

如果在文件系統層刪除一個文件，比如下圖文件C，在沒有GC搬遷的情況下，會在無效數據C會占用大量的存儲空間。

GC搬遷有效數據到空的block后，之前無效文件C所在數據塊block就可以被整個block擦除了。

整個GC的過程最終導致寫放大WAF的增加。寫放大的增加相應對SSD帶來的負面效應就是寫帶寬下降、讀延遲升高、使用壽命下降等問題。

在ZNS的場景下，不同應用按照Zone配置信息，相應存放業務數據。主要集中在順序讀寫的workload場景。由于是Host管理數據的擺放和存取位置，會最大程度減少GC垃圾回收。

減少SSD的DRAM空間和去掉OP冗余空間，提升用戶可用的容量。

二者具體的優劣對比：

擴展閱讀：NVMe SSD：ZNS與FDP對決，你選誰？

二、字節跳動ZNS SSD應用案例分析

字節給出未來數據中心的發展趨勢，包括計算、網絡、存儲三大組件。

字節目前遇到云存儲的痛點主要包括：性能、成本、穩定性、定制化。性能方面，SSD的垃圾回收在傳統SSD并不可控。成本方面，傳統SSD需要預留一定的OP預留空間。穩定性方面，出現異常后，傳統SSD的定位周期很大程度依賴SSD廠商。定制化方面，目前主要有SGL、CMB、PMR、ZNS等。

在使用ZNS SSD的場景中，字節采用了軟硬結合的方式整體優化。軟件方面，負責GC，WL，NAND數據存放位置優化以及QoS優化。硬件方面，主要負責是底層NAND異常和NAND管理，以及CMB、PMR特性。

軟件架構如下：NAND相關等盤體異常可以通過AER進行錯誤上報。

軟件針對數據管理的架構：

利用分布式存儲chunk管理，與Zone SSD映射關系如下：

通過分布式存儲完成Host側的垃圾回收GC：

Host在對ZNS SSD寫數據過程中，有一個很重要的特性就是要支持寫入數據最后一個LBA overwrite覆蓋寫，優化NAND存儲空間，最終降低寫放大。LBA覆蓋寫在ZNS標準協議是不支持的，需要定制化設計。

同時，對于有硬件，有兩個重要的定制功能，是需要支持CMB和PMR。

CMB（Controller Memory Buffer），即控制器內存緩沖區，是SSD控制器內部用于緩存數據的動態隨機訪問存儲器（DRAM）。它的主要目的是加速數據處理，減少讀寫操作的延遲。通過使用CMB，SSD可以預先將一部分數據緩存在高速的DRAM中，然后根據需要快速地從CMB中提供數據給主機系統，或者臨時存儲等待寫入閃存的數據。

CMB的工作原理包括：

• 預取（Prefetching）：當控制器預測到即將需要的數據時，會提前將其加載到CMB中，從而減少了實際從閃存讀取數據的時間。

• 寫回（Write-back）：如果主機發出一個寫入請求，而目標地址已經存在于CMB中，那么控制器可以選擇先更新CMB中的數據，稍后再將修改后的數據寫入閃存。這允許更快地響應寫入操作，并且有助于提高整體性能。

在 NVME 1.4 SPEC引入了類似CMB的PMR（Persistent Memory Region），PMR的作用是提供一種內存級讀寫速度、斷電后數據不會丟失的存儲區域。它使用此功能創建并控制一個稱為持久性內存區域（PMR）的存儲區域，該存儲區可以映射到PCI Express總線上的地址空間上面，并且可被主機和其他設備訪問。PMR的主要特點是，在電源斷電（power cycle），控制器復位以及PMR啟用/禁用切換之后，寫入PMR的數據也會保留。此功能使SSD除了提供通過邏輯塊地址（LBA）訪問的存儲區域外，還提供了另一個非易失性存儲區域，并且這塊存儲區域假定的訪問方法是內存訪問而不是塊訪問。

Zero Copy通過消除這些不必要的數據復制來提高效率。它允許數據直接從源緩沖區傳輸到目標設備，而不需要經過中間緩沖區。這樣可以減少CPU的參與，釋放更多的計算資源，并加快數據傳輸的速度。

SGL（Scatter-Gather List）是實現Zero Copy的一種方法。在這種機制下，應用將一系列分散的數據塊（稱為scatter-gather list）提交給設備驅動程序，而不是一個連續的內存區域。驅動程序則可以直接將這些分散的數據塊傳輸到目標設備上，從而避免了在傳輸過程中對數據進行復制。

結合Zero Copy技術和SGL，可以顯著提升存儲系統的性能，尤其是對于需要處理大量小規模I/O操作的應用場景，如數據庫、虛擬化環境和大數據分析等。

針對云數據中心對ZNS SSD的特別定制需求，字節跳動總結如下：

基于字節跳動公布的ZNS SSD的應用效果顯示：可用容量提升30%，帶寬提升3倍，成本下降20%。