如何实现SSD系统级的可靠性？

也许你有个疑问：SSD中存放数据的部分不就是NAND闪存吗？直接优化NAND闪存就可以提高SSD的可靠性了啊，那为什么还要优化SSD系统级的可靠性？
如果只是针对我们个人电脑的应用，只有一个块SSD，而且对数据安全的要求也不是太苛刻，也就没有了系统级优化的概念了。
但是在企业级数据中心，不单单是一块SSD，而是一个庞大的SSD阵列，并且对数据安全性要求很严格，这个时候系统级可靠性的优化显得灰常重要。
目前SSD系统级可靠性的优化主要手段：RAID系统、高速缓存（Caching)、新型SSD。
其中，RAID=Redundant Arrays of independent Disks，中文含义为“独立磁盘冗余数组”，简称“磁盘数组”。
1. RAID系统
RAID技术在基于HDD机械硬盘发展起来的，RAID技术主要实现把数据分散存储在不同的硬盘，增加磁盘数组对失效信息的容忍度。把RAID技术移植到SSD阵列中同样适用。
虽然SSD内部的Wear-leveling和ECC技术已经可以解决大部分的失效信息，但是只能局限于属于NAND相关的失效信息。如果是系统造成的失效信息呢？这就需要RAID这个大神出场了。
根据对数据安全性能不同要求，RAID也可以分为不同的级别：
(1) RAID0级别
RAID 0 是速度最快的一种 RAID 模式。它需要至少两个驱动器，并且会将数据分条到每个磁盘。所有磁盘的可用容量合在一起，成为计算机上的一个逻辑卷。

一旦阵列中有一个物理磁盘发生故障，所有磁盘的数据都将不可访问，因为有部分数据已被写入所有磁盘。

RAID 0 是要求最高速度和最大容量的用户的理想选择。要处理超大型文件的视频编缉人员可以使用 RAID 0 来编辑视频的多个流，以达到最佳播放效果。RAID 0 阵列更适于在频繁的文件处理（例如视频编辑）中使用，不宜用作唯一的存储备份解决方案，也不宜在关键任务系统中使用。

(2) RAID1级别
RAID 1 是一种安全的 RAID 模式，它至少需要两个驱动器，并且驱动器成对工作。计算机上将安装一个逻辑卷，两个驱动器合并后的可用容量限制为不超过最小磁盘的容量。如果其中一个物理磁盘出现故障，可以立即从第二个磁盘上获取数据。即使一个磁盘出现故障，也不会丢失任何数据。

在一个磁盘出现故障时，RAID 1 可提供最高的数据安全性，但由于数据需写入两次，因此在写入时性能会略有下降。在更注重安全性而非速度的情况下，RAID 1 是理想选择。

(3) RAID2级别
与RAID3相似，都是将数据条块化分布于不同硬盘上，条块单位为位或字节。使用一定的编码技术提供错误检索及恢复。由于海明码的特点，它可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。数据传送速率相当高。

天下没有免费的午餐，要利用海明码，必须要付出数据冗余的代价。输出数据的速率与驱动器组中速度最慢的相等。

RAID2还有个致命的缺点就是需要多个磁盘存放检查及恢复信息，使得RAID2技术实施更复杂。因此在商业环境中很少使用。

(4) RAID3级别
RAID 3 使用字节级别的条带化技术，并采用专用的奇偶校验磁盘（下图中的磁盘 4），因此计算机上会安装一个卷。RAID 3 阵列能在一个磁盘出现故障的情况下确保数据不丢失。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。如果数据尚未重建到更换驱动器上，而此时又有一个磁盘出现故障，那么阵列中的所有数据都将丢失。

RAID 3 在要读取连续的长文件（如视频文件）的环境中可提供良好的数据安全性。由于数据是从奇偶校验块中读取，因此磁盘故障不会导致服务中断。

RAID 3 适用于那些追求性能并要求持续访问数据的用户（如视频编辑人员）。对于密集使用不连续文件的用户来说，RAID 3 并非理想之选，因为专用的奇偶校验磁盘会影响随机读取性能。

(5) RAID4级别
RAID4与RAID3类似，不同的是，它对数据的访问是按数据块进行的，也就是按磁盘进行的，每次是一个盘。

缺点就是在失败恢复时，它的难度比RAID3大得多，控制器的设计难度也要大许多，而且访问数据的效率不怎么好。

(6) RAID5级别
RAID 5 综合了 RAID 0 的条带化技术以及阵列数据冗余技术（阵列最少包括三个磁盘）。

RAID 3 和 RAID 5 之间的区别在于，RAID 3 配置提供的性能更高，但总容量略低。数据会在所有磁盘之间分条，并且每个数据块的奇偶校验块 (P) 写入到同一条带上。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。单个磁盘出现故障时，数据不会丢失，但如果数据尚未重建到更换驱动器上，而此时又有一个磁盘出现故障，那么阵列中的所有数据都将丢失。

RAID 5 综合考虑了数据安全和磁盘空间充分利用这两方面的因素。由于数据是从奇偶校验块中读取，因此磁盘故障不会导致服务中断。RAID 5 适用于归档，且适合那些追求性能并要求持续访问数据的用户（如视频编辑人员）使用。

(7) RAID6级别
在 RAID 6 中，数据会在所有磁盘（最少四个）间进行分条，并且每个数据块的两个奇偶校验块（如下图中的 p 和 q）写入到同一条带上。如果一个物理磁盘出现故障，该磁盘上的数据可以重建到更换磁盘上。这种 RAID 模式最多允许两个磁盘出故障而不丢失数据，而且它能更快地重建故障磁盘上的数据。

在驱动器出现故障时，RAID 6 能进行有效的重建，确保了数据的可靠性。为此，安全性要求较高，而性能要求不高的用户可以选择 RAID 6。
2. 高速缓存（Caching)
这个部分的高速缓存与SSD中的DRAM作用是一样的，在Host发送一小笔数据时，不会马上写到NAND闪存，尽量减少对NAND的操作，增加NAND的寿命。

3.新型SSD形态

目前在企业级SSD市场，为了加强SSD寿命和可靠性，当前最火的就是ZNS SSD(Zoned Namespace SSD,即分区命名空间固态硬盘)

ZNS的概念也是WD从SMR叠瓦式机械硬盘的基础上提出，并在多个大厂联合推动加入到NVME协议规范中，目前已是行业潮流。

ZNS SSD的核心理念是SSD分区管理，每个zone区域只允许顺序写，不允许随机写，尽可能减少写放大，增加SSD的寿命可靠性。