前瞻：NVMe 2.0框架下的端到端数据保护功能

在此前NVMe 2.0协议规范介绍文章中，我们提到，NVMe 2.0不仅仅是功能的增加与完善，更多的是对整个NVMe协议家族的重新梳理，从技术到架构，全面应对存储技术持续发展带来的挑战。端到端数据保护（End-to-end Data Protection）作为企业级SSD的重要功能，在新的协议中也得到了一定加强，以实现对大规模存储系统的更强数据保护能力，也是NVMe 2.0“迎战未来”的举措之一。

端到端数据保护将数据的完整性保护范围从SSD内部延伸到外部链路，以防止静默错误产生——通过对逻辑块数据（Logical Block Data，通常指用户数据）添加额外的PI（Protection Information，保护信息，如CRC），使其作为数据的元数据被一同传输，主机端和NVM控制器都可以在接收到数据后，根据PI的内容对数据完整性进行校验，以确定这些数据是否真的可用。

命名空间在格式化并开启端到端数据保护功能时需要指定PI在元数据中的存放位置，要么位于元数据的开头，要么位于元数据的结尾。根据协议规定，PI需要提供逻辑块数据以及位于PI前面的元数据（如果有）的完整性保护，即：

● 如果元数据和PI大小相等，则只需要提供逻辑块数据的保护即可；
● 如果元数据大于PI，
a) PI位于元数据开头，只需要提供逻辑块数据的保护；
b) PI位于元数据结尾，需要提供逻辑块数据，以及PI前面所有元数据的保护。

DIF与DIX是我们非常熟悉的两种元数据传输与存放方式，在DIF中，元数据与逻辑块数据毗邻，如下图所示：

在DIX中，元数据会被存放在一个单独的缓冲区中，如下图所示：

NVMe支持的端到端数据保护类型和SBC-3（SCSI Block Commands - 3）中SCSI保护信息模型中的定义保持一致，即同为Type 1、Type 2和Type 3，在命名空间格式化时指定。

上面说完了端到端数据保护的基本概念，接下来我们看看NVMe 2.0增加了哪些内容。

我们知道，16位保护信息可以提供512B和4KiB逻辑块数据的完整性保护。NVMe 2.0协议规范在16位的基础上增加了32位和64位保护信息的定义，对超过4KiB的逻辑块数据提供保护能力。同时，新规范还提出，PI可以携带Storage Tag信息，用于替换部分或全部的Reference Tag，以应对更加复杂的NVM存储架构，并防止数据被误用等情况发生。

16位保护信息

在NVMe 1.x Spec时代，PI由2字节的Guard字段、2字节的Application Tag字段和4个字节的Reference Tag字段组成，共8个字节：

• Guard字段是基于逻辑块数据计算得出的CRC-16校验信息，计算方法在SBC-3中定义；
• Application Tag由上层应用指定，无需NVM控制器处理，也可用于禁用PI的检查；
• Reference Tag用于将逻