Ceph performance — различия между версиями

Версия 15:53, 1 апреля 2019

Quick insight into SSD and flash memory organization

The distinctive feature of NAND/NOR flash memory is that although it can be written in small blocks (usually 512 bytes), every block must be erased before being written to, and it can be erased only as a part of a larger group of blocks called "erase unit" (typically 2-4 megabytes in size). Erasing is relatively slow compared to reading and writing. Also, the number of erase/program cycles is physically limited - after several thousands (a usual number for MLC memory) erase cycles the block becomes faulty. Most of the faulty blocks still hold data previously written, but stop accepting new writes. Denser and cheaper (MLC/TLC/QLC, 2/3/4 bits per cell) memory chips have smaller erase limits. Sparser and more expensive ones (SLC, 1 bit per cell) limits are greater. All limits are finite, though, so the SSDs would be very slow and would break very quickly if the memory was written in a simple way.

But what makes SSDs perform so well and last so long then? SSDs have a very clever and powerful processor inside that executes a thing А потому, что внутри SSD на самом деле есть очень мощный и умный контроллер (1-2 гигагерца, типично 4 ядра или больше, примерно как процессоры мобильников), и на нём выполняется нечто, называемое Flash Translation Layer — прошивка, которая переназначает каждый мелкий логический сектор в произвольное место диска. FTL всё время поддерживает некоторое количество свободных стёртых блоков и направляет каждую мелкую случайную запись в новое место диска, в заранее стёртую область. Поэтому запись быстрая. Одновременно FTL делает дефрагментацию свободного места и Wear Leveling (распределение износа), направляя запись и перемещая данные так, чтобы все блоки диска стирались примерно одинаковое количество раз. Кроме того, во всех SSD некоторый % реального места зарезервирован под Wear Leveling («overprovision»), а в хороших серверных SSD этот процент весьма большой — например, в Micron 5100 Max это +60 % ёмкости.

Именно из наличия FTL вытекает и проблема с энергонезависимостью и «power loss protection»-ом. Карты отображения секторов — это метаданные, которые при сбросе кэша тоже нужно сбрасывать в постоянную память, и именно этот сброс и вносит торможение в работу настольных SSD с fsync.

Дополнение: когда я попытался кого-то в списке рассылки полечить на тему, что «все SSD делают fsync», мне в ответ кинули статью: https://www.usenix.org/system/files/conference/fast13/fast13-final80.pdf. В общем, суть статьи в том, что в 2013 году нормой было то, что SSD вообще не сбрасывали метаданные на диск при fsync, и при отключении питания это приводило к разным весёлым вещам вплоть до (!!!) полного отказа SSD.

Есть экземпляры старых SSD без конденсаторов (OCZ Vector/Vertex), которые при этом выдают большие iops на запись с fsync. Как это возможно? Неизвестно, но есть предположение, что суть как раз в небезопасности записи. Принцип работы флеш-памяти за последние годы вроде как не менялся — в SSD как раньше был FTL, так и сейчас FTL. Как достигнуть быстрой записи, если постоянно сбрасывать на диск карты трансляции — хз… наверное, если только сделать некое подобие лог-структурированной ФС внутри — писать всё время вперемешку метаданные и данные. Но при этом, по идее, при старте всё это «добро» придётся сканировать и старт/монтирование станет долгим. А в SSD долгого монтирования вроде как нет.

Ну и, собственно, «power loss protection», видимо, бывает простой, а бывает advanced. Простой означает просто «мы корректно делаем fsync и не сдохнем при отключении питания», а advanced означает наличие конденсаторов и быструю безопасную запись с fsync. Сейчас, в 2018—2019 годах, «обычный» PLP, похоже, всё-таки стал нормой и при отключении питания большая часть SSD терять данные и умирать уже не должна.

Бонус: USB-флешки

А почему тогда USB-флешки такие медленные? Случайная запись на флешку 512-байтными (или 4 Кб) блоками обычно идёт со скоростью 2-3 iops. А флеш-память там ровно та же, что в SSD — ну, может, более дешёвые вариации, но разница же не на порядки. Ответ кроется в том, что на флешках тоже есть FTL (и даже Wear Leveling), но по сравнению с SSD-шным он маленький и тупой. У него слабый процессор и мало памяти. Из-за малого объёма RAM контроллеру флешки, в отличие от контроллера SSD, негде хранить полную таблицу сопоставления виртуальных и реальных секторов — поэтому отображаются не сектора, а крупные блоки где-то по мегабайту или больше, а при записи есть лимит на количество «открытых» блоков. Как это происходит:

• Допустим, вы пишете в сектор X.
• Контроллер отображает блок, которому принадлежит этот сектор, на реальный блок, и «открывает» его — выделяет пустой блок, запоминает, что он «дочерний» для открытого и записывает туда один изменённый вами сектор.
• Таким макаром можно открыть максимум N разных блоков; число N обычно очень маленькое — от 3 до 6.
• Дальше если вы пишете следующий сектор из уже открытого блока — он просто записывается в его дочерний блок (что быстро).
• Если же следующий записываемый сектор принадлежит другому блоку — какой-то из открытых блоков приходится закрывать и «сливать» содержимое дочернего блока с оригинальным.

Для копирования больших файлов на флешку, отформатированную в любую из стандартных файловых систем, двух блоков достаточно: в один открытый блок пишутся данные, во второй — метаданные записываемого файла. Запись последовательная, всё быстро. А вот при случайной записи вы перестаёте попадать в уже «открытые» блоки и каждая операция записи превращается в полное стирание. Тут-то и начинаются тормоза…