浅析闪存盘（Flash Drive）内部架构与应用考虑

 Flash Drive闪存盘，作为代替使用了几十年的机械硬盘，它与机械硬盘相比有着绝对的性能优势，架构上也与机械硬盘有着很大的区别。本文以摘要的形式梳理了闪存盘的内部结构Page、Block、Channel的作用以及使用闪存盘上的一些性能考虑和使用范围。

闪存盘就像一个小型的存储系统，它包括一下的组件：

•缓存区（Buffer）： 缓存里存着所有区域的索引信息，正在写入的数据、并且使用专用的电容器（Power capacitors）在系统掉电的时候为缓存供电，然后把数据写入到持久存储NAND单元。

•页面（Pages）：闪存盘内部的芯片通过页面为单位来寻址，73GB和200GB的闪存盘页面大小为4KB，400GB的闪存盘页面大小16KB。页面内容组成连续的寻址空间，就像存储系统中的缓存一样。写入过程中，对于两个2KB的IO在闪存页面中必须写入两个连续的LBA（Logical Block Address），也就是占用两个页面。

•扇区（Blocks）：NAND类型的闪存盘的映射关系和文件系统类似，多个Pages组成为Block，但是区域中的页面并不是连续的，这个block和SCSI以及文件系统中的block还是有所区别。NAND类型的闪存盘写入都是在Block级别。Block的镜像存储在闪存盘的缓存中，知道一个区域写满了，然后再写入到闪存盘存储单元的Block内。

•通道（Channels）：闪存盘中芯片处理数据的通路，闪存盘拥有多个通道，保证存储单元可以同时进行读和写的操作，对于大IO，会在多个通道上分段处理。

闪存盘中的页面通过几种状态来管理数据状态：

•Valid State：包含可用数据

•Invalid State: 包含过期数据

•Erased State：没有被使用区域

页面状态会受到负载的影响，页面状态也会影响到可用的区域。可用的区域（已经释放的区域）会决定写入的性能。由于随机写入页面变得随机分布，闪存盘使用元数据来定位Valid和Invalid的数据，比如一个占两个Block文件更新写入，第一个block写入到缓存，那么它所对应的NAND上的两个block都会变成invalid。

闪存盘中还有一部预留空间，存储通常意义上的元数据，预留空间会为写入数据提供可用的block位置。

持续的数据写入会使闪存盘饱和，然后闪存盘会在空闲的时间进行擦除（Erase）操作。在擦除之前，为了保证Block中的页面必须都是invalid状态，会将每个block中的valid页面写入到其他block，这个过程类似于硬盘碎片整理，主要分为几个步骤：

•将Valid的页面读取到缓存中

•擦除NAND中旧的区域

•将Valid页面写入NAND的到其他Block中

使用闪存盘时的一些性能考虑与应用场景:

是否闪存盘在使用久了以后会变慢？答案是，的确会有一些影响。闪存盘的剩余空间会是主要因素之一，因为剩余空间的减少会导致碎片的增加，影响到闪存盘对于持续写入的相应时间，较高的空间利用率会导致在每个block中有更多的valid页面。随着时间增加，这种valid页面的分布会变得更加随机分布而且空间利用率增加。如果block中包含比较高的比例的valid页面，擦除的过程中就需要调整更多的页面。闪存盘就需要更多的时间进行碎片整理。

闪存盘的大小是否影响性能？这里需要描述一个概念，叫做小IO和写入页面填充的概念，因为在闪存盘处理写入IO的情况中，如果写入的IO小于一个页面的大小，则闪存盘需要进行Read-Modify-Write操作。因此对于闪存盘来说的负载加倍。所以就闪存盘性能来说，73GB和200GB使用的4KB页面大小会好于400GB的16KB页面大小。

最后还要简要提一下闪存盘的应用场景。其实处于成本效益的考虑，闪存盘的使用还是需要有的放矢。根据适合的应用选择，而且结合存储阵列的情况进行综合考虑，作者认为可以从以下几个方面考虑：

•闪存盘通常还适用于高比例的随机读取和小IO的应用。

•如果随机写入的比例大于20%，则是闪存盘最好发挥作用的情况。

•闪存盘和存储阵列的缓存相结合。闪存盘很多情况下会加速存储阵列的数据刷新效率，比较典型的就是高负债写入的应用，存储阵列的缓存可以提供更短的前端响应时间，减少从存储阵列缓存中载入和写入后端磁盘速度。但当某些极大的数据库情况下也有可能相反，存储阵列缓存对于大量的写入可能会响应不及，而这种情况，根据使用存储阵列实际情况，可以选择性的跳过存储阵列的写缓存，而直接在后端使用大量（超过30个闪存盘）提供高带宽，当然也要考虑存储阵列是否支持关闭写缓存。

•对于数据库应用，闪存盘适用于存放索引、比较繁忙的表、临时空间，而Redo Log和Archive log之类则不适合于存储在闪存盘。

•对于消息系统（Exchange、Notes），闪存盘适用于存放用户数据库。

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