对TRIM SCSI命令的一些分析

前一段时间做了一些对SSD方面进行优化的工作，SSD最大的问题在于长时间使用之后，IO性能会急剧下降。其主要问题在于为了防止“写放大”问题的产生，SSD的firmware采用了类似于log方式的算法，当存储资源基本基本耗尽时，在每次写操作时firmware只能进行garbage collection（垃圾回收，GC）操作，从而引入了很多费时操作，例如Nand Flash块的擦除，从而导致IO性能急剧下降。



为了缓解这个问题 ，大家想到可以将垃圾回收操作提前，不能等到资源耗尽的时候再做，这样可以在一定程度上避免IO性能的急剧下降。但是，不管怎么样，资源回收会影响到系统的IO性能，通过引入TRIM命令可以将这种影响离散化，平均化，起到非常不错的效果。



TRIM命令是SCSI层新加入的一个命令，因此SCSI Middle Level会对这个命令进行支持，另外SSD的Firmware会对这个命令进行响应。从表面上看，这仅仅是一条垃圾回收命令，但是，会影响到存储系统IO路径的方方面面，下面分析一下TRIM命令对IO路径的影响：



1， 垃圾回收是应用层的行为，这条命令不能在块设备或者SCSI一层进行触发，而只能在数据应用层（通常为文件系统）进行触发，如果在底层进行触发的话，那么上层应用将会看到错误的数据，这种行为非常危险。因此，为了支持TRIM命令，文件系统需要做出修改，例如，EXT3需要判断那些数据块可以被释放？并且需要知道何时可以释放？因为，TRIM命令将会对IO性能产生影响，所以，文件系统尽量不要频繁调用TRIM command。在这里，文件系统等应用层是TRIM命令的触发者，其熟悉应用的行为，可以在合适的时机触发SSD资源回收命令。



2， IO Schedule层需要进行修改。传统的IO Schedule层只关注读写请求，而TRIM命令是一个特殊的BIO，如果把TRIM命令当成传统的请求进行处理，那么将会带来很多不必要的麻烦，例如TRIM命令的BIO也许没有分配Page页，很多传统的驱动将会panic。为了实现兼容，在IO Schedule层不能将TRIM BIO和普通的读写BIO进行合并，应该将TRIM命令过滤出来。



3， 对于软RAID，TRIM命令存在很多问题，会导致RAID工作不正常，数据正确性存在问题。当RAID小写时，RAID需要从磁盘上获取整个条带的数据，如果RAID中一个条带中的局部数据块被回收，那么SSD返回的数据将和原来的数据不同，RAID条带的校验和就会失效，在系统故障的情况下，RAID将无法正确恢复数据。所以，TRIM命令将会导致Linux中的软RAID无法采用局部条带写操作，而只能采用整条带写的方式。



4， SSD对于TRIM之后的块会返回什么样的数据？不同SSD厂商可能会采用不同的策略。由于SSD Firmware在接收到TRIM命令之后，不一定会立即执行TRIM操作，因为，如果小数据块释放的话，可以进行聚合，直到聚合成一个Nand Flash块之后，才真正将其释放掉，否则会引入数据迁移问题。基于上述考虑，访问一个TRIM之后的块，该返回什么数据将和设计相关，我认为最简单的是返回原始数据或者是0，并且存在一定的随机性，和访问数据块属性相关。这种返回数据的随机性将会影响IO通路的数据正确性，需要引起注意。



在此列举了一些对TRIM命令的考虑，Linux开源社区也在做这方面的开发，大家可以在此一起讨论，畅所欲言！



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