The Life Journey of an I/O Request
The Life Journey of an I/O Request
Alex Chi
这篇文章主要介绍了 SSD 的基本知识，I/O 请求从 SSD 到 CPU 的整个处理过程，以及基准测试中需要关注的数据。总的来说，一个用户态 I/O 请求从应用程序发出后，会经过 (Linux 内核) I/O 引擎，(Linux 内核) 文件系统，(Linux 内核) 块层，(Linux 内核) 驱动，总线传输协议和 SSD 主控。SPDK 是另外一套流程。在虚拟化环境中访问存储设备也有所不同。这篇文章可以带你了解整个流程大概发生了什么事情，对之后的实验内容有更好的理解。
SSD 的内部结构
机械硬盘由多片 platter 组成。每片 platter 中从内到外的同心圆称为一条 track。每个 track 被分成多份，被称为 sector。sector 是机械硬盘读写的最小单位。在盘片旋转的过程中，磁头读写数据，完成数据的持久化。HDD 向操作系统暴露的接口是一个巨大的线性数组。
SSD 的结构和 HDD 完全不同。借用一张 OSTEP 的图 [来源]。SSD 内部由许多闪存芯片组成。通常来说，这些芯片都是 NAND Flash，后文用 NAND 来称呼这些芯片。NAND 有一个特性：它只能顺序追加写。如果需要修改其中的数据，则需要将某个块完全擦除后才能重新写里面的内容。你可以阅读 OSTEP 的 Flash-based SSDs 章节来了解更多关于 SSD 的信息。
由于硬件的限制，SSD 要向操作系统提供类似 HDD 的“线性数组”接口，就需要内部的 Flash Controller 做一层逻辑地址 (LBA) 到 NAND 块的转换。这个主控就叫做 FTL。
FTL 不仅负责 LBA 到块的转换，还会回收 SSD 中的垃圾。当你在 SSD 上修改（覆写）内容时，新的内容会被追加到 NAND 之后，旧的内容并不会直接从 SSD 上擦除，这就成为了垃圾。
消费级 SSD 通常来说都会提供一些额外的空间 (over provision, aka. OP)，这个额外的空间在盘容量的 7% 到 28% 之间，比如 1T 的盘实际可能有 1.07T 容量的 NAND。由于 SSD 的 NAND 只能按块擦除，FTL 在内部空间告急时会将每个块中的碎片搬移到这些 OP 空间中，而后擦除整个块，从而保证盘的正常运行。
通过这层 SSD 的硬件主控 FTL，SSD 向操作系统暴露了和 HDD 相同的接口：一个可以任意修改的巨大线性数组。
小插曲：如何让 SSD 达到稳态
SSD 的 FTL 会维护块地址到 NAND 的映射关系。在经过一系列写操作后，这一层映射关系会有所变化。为了能公平地对比不同盘（或不同情况下盘）的性能，在进行任何测试前，我们都应该让盘达到稳态。
一些 SSD 盘提供特殊的 NVMe 指令进行盘数据的擦除和恢复。对于大部分盘来说，用 128K block size 顺序写两遍盘即可让盘达到稳定状态。
一些厂商也提供了 Evaluation Guide。比如：
SSD 的硬件接口