SSD固态硬盘存储系统优化研究与测试

陆 淼，张沛琪

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

在硬件快速发展的今天，CPU、内存、显卡等性能不断飙升，存储系统的瓶颈越来越明显。使用传统机械硬盘已无法达到要求，因此固态存储器（SSD）应运而生。传统磁盘（HDD）受限于磁头移动和盘磁旋转等机械运动，响应时间和吞吐率远落后于内存和CPU。SSD摒弃了传统磁介质，使用电子存储介质进行数据的存储和读取，以此突破传统的机械硬盘所存在的性能瓶颈，被认为是存储技术发展的新星。

2 SSD存储系统性能优化的意义

和HDD相比，基于Flash的SSD有很多明显的优点：很小的读延迟、快速随机读写访问、低功耗、抗震性能好、可靠性高等。所以SSD比HDD的应用前景更加广阔，随着固态存储制造工艺会越来越成熟，性能会越来越高的，这些都会促使SSD逐步取代目前的HDD磁盘。当前SSD的应用范围比较小，但是随着其制造成本以及价格的逐步降低和容量的不断增大，以前限制SSD广泛应用的两个因素越来越弱化。基于Flash存储的SSD 被称为计算机存储系统革命的关键技术。不仅在企业级用户上SSD广泛应用，现在的个人移动PC和移动多媒体设备上都有SSD的应用。

用固态存储SSD取代HDD作为新的存储，就必须考虑传统的操作系统在基于Flash的SSD存储系统上做的优化是否合适，而且有必要针对Flash存储重新考虑操作系统的策略和机制。过去几年已经有出色的研究和实现满足了Flash存储系统的性能要求。SSD的性能在当前应用环境下并未得到完全体现，如今的应用程序和操作系统大多针对HDD开发，尽管减少90%的存储时间是那么的完美，但是这种好处却受到应用程序和操作系统的制约。所以应用程序和操作系统的改变将允许存储系统充分利用SSD不断提升的性能。所以综合考虑SSD的发展前景，SSD存储系统优化技术研究和实现有很实际的意义。

3 SSD应用时存在的问题

虽然固态存储SSD与传统硬盘相比有诸多优势，但是由于SSD的自身结构原因，在实际应用中，也会产生相关性能问题。

在固态存储SSD中，数据存储以页（page）为最小存储单位（典型的为4 kB）。128个页组成了一个块（block），块大小一般为512 kB。数据可以以4 kB大小的页来进行读取和写入，但却只能以512 kB的块大小来删除。当读取或写入数据到一个没有使用过的页上时，SSD的速度非常快，但如果写入的页有数据时则较复杂，要覆写页数据就要将整个块数据放入缓存中进行写操作，然后再将整个块重新写回去。因此当SSD使用一段时间后，每个块都被写入了数据，每次写数据之前都要先擦除，SSD的性能就会变得非常慢。也由于这个原因，造成了SSD的性能与其现有剩余空间的大小有关这一现象。SSD性能衰减的主要原因是操作系统和存储系统不能和SSD主控进行删除信息方面的交流造成的，假如存储系统内每次删除后都将相关的删除页通知SSD主控，让主控提前将无效页进行处理，下次写入时就会减少由于擦除造成的写延迟问题，有效解决使用一段时间后性能衰减的问题。

4 解决方法——Trim技术

Trim就是为了解决这个问题而产生的技术。Trim技术允许操作系统通知存储子系统中的SSD固态硬盘，哪一个块上存储的数据不再需要时可以被清除，以备将来重新写入数据时使用。这一技术可以有效提升SSD固态硬盘作为PC系统级存储设备使用时的性能。Trim技术的原理就是当数据被删除时，让系统通知SSD固态硬盘数据已经被删除，使SSD在垃圾回收阶段不再对这些数据进行搬移。在这个过程中，SSD固态硬盘同样会复制整个块到缓存，清空块并写入有效数据的页回去，区别是这样等于把这个延迟时间从覆写数据的那个时间提前到了删除数据的时候，而此时执行该过程对整体性能的影响远远小于在重新写入数据前清空块。这就是Trim技术的工作原理——预清理被占用的块，提升SSD固态硬盘的写入速度。目前绝大多数操作系统都已经支持Trim技术，比如时下主流的Windows 7/8、Mac OS X Leopard、Windows Server 2008、Linux 2.6.33、FreeBSD 8.2等，都可以直接使用带有Trim技术的SSD固态硬盘。

5 SSD 的系统优化测试

5.1 Trim的三要素

系统： Win7，2008R2，Linux核心2.6.33以上。固件： SSD的厂商在固件里要支持Trim算法。驱动： MS的驱动，Intel的AHCI驱动目前支持。

5.2 性能测试

根据这些要素搭建一个支持Trim的系统，正确安装了硬盘，并将SATA控制器的控制模式更换为AHCI就能逐步完成系统的组建，不需要额外设置。测试时有两个指标值得关注。

5.2.1 每秒钟所处理的 I/O 数量（IOPS）

IOPS的定义是每秒进行的读写操作的次数，该指标可以体现出硬件的I/O性能指标。由于Trim指令无法传递主要造成的就是随机写性能严重下降，而为了表现随机写性能，本文提出了可以代表随机写性能能力的一个指标，就是 IOPS。

图1 文件块为4 kB和8 kB大小的IOPS测试结果

5.2.2 平均响应时延（Average Response Time）

图2 文件块为16 kB和32 kB大小的IOPS测试结果

平均响应时延也是针对I/O性能的一个指标。平均响应时延代表着系统针对每一个I/O操作的响应时间，在测试随机写性能时，平均响应时延就代表着每一个写操作的完成时间。通过平均响应时延也可以体现出系统的I/O性能。

图3 文件块为4 kB和8 kB大小的平均响应时延测试结果

基于上述两个重要指标，本文设计了相应的测试。针对不同文件块大小用IOmeter软件进行了测试。从IOPS及平均响应时延两方面进行比较，说明使用Trim技术的重要性。从多次的测试结果中可以看出，针对不同的块大小的测试，在使用了Trim技术后，SSD的随机写性能普遍都提升了20%左右。从图1～图4中可以看出使用了Trim技术的SSD相较于未使用Trim的SSD来说，在使用一段时间后，随机写性能没有一直动态降低，反而与真正使用时性能的大小持平，一方面保证了SSD的底层Trim指令实时触发，另一方面保证了SSD的随机写性能。

图4 文件块为16 kB和32 kB大小的平均响应时延测试结果

图5 IOPS与平均响应时延的平均测试结果

最后将所有结果求平均值并使用图表的方式进行展示，如图 5 所示。从图中可以看出当文件块越小时，SSD的IOPS就越大，平均响应时延也越小。由以上的结论可知，Trim指令实时传递给SSD后，对随机写性能的提升有着显著效果。

6 总结

虽然Trim是一项诞生不久的新技术，但它是一项SSD系统必不可缺的高级技术。随着人们对SSD的数据存储要求越来越高，将Trim技术融入应用程序和操作系统，成为适合SSD的操作系统，能有效地优化SSD固态硬盘的性能，并且具有一定的应用价值和应用前景。

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