SSD寿命和写放大测试

一、简述

SSD寿命规格，业界标准为TBW，TBW指的是Terabyte Writteb写入的兆兆字节，也有定义为Total Bytes Written，SSD使用寿命结束之前指定工作量可以写入SSD的总数据量，用来表达固态硬盘的寿命指标。
因为 SSD 使用 NAND 做为存储介质，SSD 的寿命本质上受限于 NAND 的寿命。NAND 寿命的量化指标叫 P/E Cycles，也就是写入/擦除（program / erase）次数，因为 NAND 是以页（page）为单位写入数据，以块（block）为单位擦除，对于已经写入数据的 block，必须将原有数据进行搬移，SSD 是通过“垃圾回收”（Garbage Collection，GC）的机制来回收被无效数据占用的空闲空间，GC 额外搬移的数据需要用到 SSD 的 OP（Over-provisioning）预留空间。对整个 block 的数据擦除后才能允许新数据写入。一写一擦就会消耗 NAND 一个 P/E。
在 NAND 还是 2D 平面时代，TLC NAND PE 只有 500-1000，但在 NAND 进入 3D 堆叠时代后，用于企业级 SSD 的 3D eTLC 可以达到 5000~10,000 PE。

1.1 SSD寿命单位

SSD 寿命的单位有两种，PBW（或 TBW）和 DWPD。
 PBW/TBW：全称是 Petabytes/Terabytes Written，也就是在 SSD 的生命周期内允许的主机端数据写入量。1PBW = 1000TBW
TBW与业务模型强相关，因此，需要固定业务模型，并计算出在此种业务模型下，实际的TBW：
TBW=host_bytes_written差值321024*1024/1024/1000/1000/1000/1000/timed_workload_media_wear
 DWPD：全称是 Drive Writes Per Day。也就是在生命周期内（一般为 5 年），SSD 每天允许全盘写入的次数。DWPD 和 PBW/TBW 可以相互换算，公式如下：

DWDP意味着每天可以对SSD整体擦写几次，可以根据业务大小选定合适DWDP的SSD。

1.2 写放大

不同工作负载因为数据分布的不同触发“垃圾回收”（GC）的粒度不同。GC 在进行无效数据的搬移时会引入额外的系统数据写入，带来写放大 WA（Write Amplification），也就是实际用户写一笔数据，真正写入到 SSD 的可能需要 2-3 笔。写放大因子（Write Amplification Factor，简称 WAF）是 NAND 总写量除以用户预期的数据写入量的比率，通过 WAF 可以对 WA 引入的多余写入量进行量化。

二、查看数据

2.1 查看nvme寿命

smartctl -a /dev/nvme5n1（或者smartctl -x /dev/nvme5n1）
Data Units Written是指软件写入硬盘的数据量，单位是1000 * 512bytes，换算GB为6,081,467,848*1000*512bytes /1000/1000/1000/1000/1000 = 3.11PB

2.2 查看nvme精确磨损度

计算DWPD需要得到测试期间磁盘磨损度数据以计算TBW，可以通过Solidigm盘测试方法：
1.sst工具查询NVMe盘对应的ID：sst show -ssd；
2.测试之前用sst工具先reset硬盘sst reset -ssd 3 -enduranceanalyzer；
3.测试业务结束后nvme intel smart-log-add /dev/nvme2n1查看smart信息；
timed_workload_media_wear表示从sst命令重置后，写入的数据，增加的磨损度63.999%

2.3 查看由RAID卡管理的SSD

/opt/MegaRAID/storcli/storcli64 /call show

smartctl -a -d megaraid,8 /dev/sda（35是PD LIST里的DID）
DID和盘符的对应关系可以根据lsscsi中地址和/opt/MegaRAID/storcli/storcli64 /call show的JBOD LIST中的ID对应起来

观察参数：
Host_writes_32MB(软件写入硬盘数据量)
media_wearout_indicator（磨损率）
单位换算：host_bytes_written 321024*1024/1000/1000/1000/1000 T
nand_bytes_written =盘所有的写入（包含盘自身的gc搬移等写入）
host_bytes_written = 盘接受到的软件的写入

SSD寿命是否下降过快其实就是SSD写入数据量与用户数据写入量的比值是否过大，也就是写放大是否过大，由于分布式存储或者说软件定义的存储，影响最终写放大（WAF）的因素特别多（冗余策略、GC、压缩等），且目前行业内没有一个固定标准，按照目前测试经验来说全流程写放大超过10，基本上已经可以判定存在较大问题。

2.4 获取客户端写入数据量

可以根据下发io工具的回显计算
例如：vdbench可以通过平均IO带宽*写入时间计算

三、写放大测试

3.1 写放大的测定和业务模型关联

常用的测试模型有4k，8k，1M.
一般采用读写比例3：7，全随机覆盖写，需要事先1M顺序写预埋数据，预埋比例设计触发GC力度，也会影响写放大的大小。

影响写放大测定的因素有：
1、业务模型IO大小
2、业务模型读写比例
3、业务模型顺序随机
4、预埋数据占容量比例
5、测试时长
6、冗余策略

影响因素的原因为：
1、下发写入到硬盘的块大小通常是固定的，比如4MiB，如果写4k占用一个4MiB的块，写放大就与8K，1M不通，不过通常小IO会通过cache聚合一部分，但是还会有一定差异。
2、写放大和写的关系比较大，读存在搬移读可能也有一部分但是没有写影响大
3、通常随机产生的写放大要比顺序大，和1中的原因相似，随机更容易存在小的碎片的写占用很多大的块
4、预埋数据容量和GC力度有关，GC力度越大越可能产生写放大
5、测试时长，稍微复杂一点，和GC标记垃圾，回收，以及写放大的波动有关。
6、三副本或者EC4+2容量有效率不同，写放大也不同。

3.2 写放大计算

$WA{F}_{总}=\frac{\Delta NandWrit{e}_{总}}{\Delta HostWrite}$
其中WAF为总写放大，$NandWrit{e}_{总}$为所有盘写入数据量，$\Delta HostWrite$为软件总写入数据量。

$TBW=\frac{\Delta NandWrit{e}_{总}}{\Delta Wear}$
其中TBW为盘总共可以擦写的数据量，Wear为磨损率。

$DWPD=\frac{TBW}{Space\ast Year\ast 365}$
其中DWPD为盘寿命中每天可以擦写的次数，Space为盘容量，Year为寿命数。

$WA{F}_{盘}=\frac{\Delta NandWrit{e}_{盘}}{\Delta HostWrite/Nu{m}_{盘}/Uasge}$
其中$\Delta NandWrit{e}_{盘}$为盘写入数据量，$Nu{m}_{盘}$为盘数目，$Uasge$为存储利用率。