ZNS: Avoiding the Block Interface Tax for Flash-based SSDs
1.背景
现有的存储软件于block interface之上。block interface 特点：
存储设备可以表示为一个大数组，数组的元素是固定大小的block 块；
访问每个block的方式： 读，写，覆盖写；
HDD和SSD都采用这种接口方式；
而现有的基于Flash 介质的SSD，其与生俱来的特性与当前的块设备接口不能很好的适配：
SSD 以append 方式写page 到erased block，每次覆盖写整个block前需要擦除整个block；
数据放置开销：over-provision（%7-28%），这样意味着更高的成本开销和更低的性能
2.方案- ZNS
ZNS（Zoned namespace SSD), 摆脱block interface 的开销，采用zone接口：
将存储空间划分为以zone 操作单位的区间；
每个zone 以append-only 方式写数据，覆盖写zone中的block 需要先擦除整个zone
采用zone interface：
SSD 内部就不需要微粒度的数据放置，这样就可以省掉7%-28%的Op 容量空间，降低成本，提供可预测的高性能。
性能测试结果比较：
传统block SSD擦盘后，性能依次划分为三种状态：FOB state，transition state（“write cliff“ 写性能断崖式下降），steady state。FOB state下，显示的是无GC 下SSD host write的性能； 跟随其后的是1 filled drive，开始trigger GC；steady state 下 后host与GC 以特定速度比例工作。OP 越大，steady state 性能越好。
3.ZNS 实现方案
要达到上面ZNS SSD 的性能，需要依赖SSD 固件和存储软件生态的架构的修改。
-
ZNS SSD
放弃GC功能，将GC 功能上交给host；
暴露给host 软件以zone interface，只允许sequential zone write，这样消除interface- media 的mismatch；
由于不允许random write，并且zone reset交由host 发起，ZNS SSD只负责粗粒度的数据放置，这样细粒度的数据放置功能交由host；
存储介质的可靠性依旧是ZNS 的权责。
image.png host software 使能 ZNS SSD 的三种方法
host side FTL
host side FTL 作为ZNS SSD与随机写和Application 之间的中介，只实现地址映射和GC 功能；
对Application 隐藏 ZNS SSD zone顺序写，呈现传统SSD block interface；
有很高的CPU 和DRAM 开销；
随机写的workload 下，能有很好的性能收益；File system support zone operation(f2fs with zone support)
采用类似的文件系统zone数据布局策略；
文件系统简单的数据布局更高效；
但与Application之间有indirection，这样数据放置的不高效，会导致host GCApplication support zone operation(Rocksdb w/ Zenfs）
采用类似application zone数据布局策略；
没有host side FTL 和file system support zone operation的indirection的开销；
更高的性能和最小的写放大；
4. 实现
增加Linux 生态对ZNS SSD的支持：Zoned Block device；
NVMe driver对zone 特性的支持；
API支持：report zone，zone 管理（zone reset），active zone最大个数
Linux filesystem 支持：扩充F2FS
ZenFS 对zone的支持
5. 性能比较效果
Raw IO 特征-提升write throughput & read latency
总结：
1.通过移交FTL的管理数据放置的功能到host software，ZNS 能消除内部的微粒度的间接映射表，GC和OP；
2.ZNS SSD 能提升性能和降低SSD 的成本；
