Ceph performance
Quick insight into SSD and flash memory organization
Although flash memory allows fast random writes in small (usually 512 byte) blocks, its distinctive feature is that every block must be erased before being written to. But erasing is slow compared to reading and writing, so manufacturers design memory chips so that they always erase a large group of blocks at once (which takes the same time as erasing one block could take). This group of blocks is called «erase unit» is typically 2-4 megabytes in size. Another distinctive features is that the total number of erase/program cycles is physically limited — after several thousands cycles (a usual number for MLC memory) the block becomes faulty and either just stops accepting new writes or loses the data previously written to it. Denser and cheaper (MLC/TLC/QLC, 2/3/4 bits per cell) memory chips have smaller erase limits, while sparser and more expensive ones (SLC, 1 bit per cell) limits can be as large as 100000 rewrites. However, all limits are still finite, so stupidly overwriting the same block would be very slow and would break SSD very rapidly.
But that’s not the case with modern SSDs, they are very fast and last very long. Even cheap models are usually rather strong. But why? The credit goes to SSD controllers: SSDs contain very smart and powerful controllers, they usually have at least 4 cores and frequency of 1-2 GHz, which means they’re as powerful as mobile phones' processors. All that power is required to make FTL firmware run smoothly. FTL stands for «Flash Translation Layer» and it is the firmware responsible for translating addresses of small blocks into physical addresses on flash memory chips. Every write request is always put into the space freed in advance, and FTL just remembers the new physical location of the data. This make writes very fast. FTL also defragments free space and moves blocks around to achieve uniform wear across all memory cells. This feature is called Wear Leveling. SSDs also usually have some extra physical space reserved to add even more endurance and to make wear leveling easier; this is called overprovisioning. Pricier server SSDs have a lot of space overprovisioned, for example, Micron 5100 Max has extra 60 % of the user capacity on top of it.
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…
