CN106095329A - 一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法 - Google Patents

一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光纤通信方法，涉及NVME接口标准技术领域，本发明主要包括三个方面:首先安装设备驱动；其次基于maintainer Keith Busch主持开发的NVMe SSD用户空间管理工具Nvme‑cli进行设备管理；最后对设备进行压力测试检测设备性能并通过Nvme‑cli查看smart信息以查看设备状态。本发明提供了从设备驱动安装到设备检测的一系列管理方法，填补了技术空白。

Description

一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法
技术领域
本发明涉及NVME接口标准技术领域，尤其涉及一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法。
背景技术
NVME接口简介：
传统的存储架构里，由于硬盘访问速度的局限，以往通用的SATA和SAS接口完全能够满足硬盘的带宽需求，而面对闪存速度上百倍的提升，接口的带宽就成为了I/O的最大瓶颈。可以说，闪存的优异性能一举将存储的瓶颈从介质转移到了接口。针对PCIe接口制定的NVMe标准由此应运而生。该标准由包括IDT、Dell、Intel、EMC、NetApp、Oracle以及Cisco在内的13家发起企业主导，并由80余家业界领军公司合作开发。NVM Express是一个针对使用PCI Express SSD的企业和普通客户端***开发的可扩展的主机控制芯片接口标准。NVMe1.0标准已于三年前发布，并不断推陈出新。该标准针对PCIe SSD定义了最优化的寄存器接口、指令集和功能集，并提供可扩展接口以实现SSD技术现在和将来的性能潜力。这让原始设备制造商无需标准化多个SSD驱动器，从而加速PCIe SSD的推广使用。该组织的工作不仅确保了整个NVMe生态圈的全面协同发展，NVMe开放标准还打破了以往PCIe闪存厂家采用垄断私有接口造成的产业局限，使客户可从开放的产业生态链中选购所需，对产业规模的提升和用户成本优化具有划时代意义。
相比传统的SCSI标准，NVMe控制器能够释放闪存全部潜力，带来了显着的性能提升，并大大降低功耗。具体优势包括：
·性能：相比现有的NAND闪存，吞吐量上有数倍的提升。
·延迟：与现有的SCSI/SAS架构相比，NVMe SSD可降低延迟超过50％。
·IOPs：NVMe PCIe SSD可提供的IOPs十倍于高端企业级SATA SSD。
·功耗：PMC的NVMe技术中加入了自动功耗状态切换的功能，无需软件干预，NVMe控制器在特定空闲时期后即自动切换为较低功耗状态。此外，PMC的NVMe控制器还提供了动态能耗管理接口，允许通过固件来有效管理功耗及性能。
·可扩展性：NVMe支持未来的NVM技术发展至将延迟开销降低到低于一微秒的水平，因此具备支持未来十年技术的可扩展能力。
NVME作为新兴的SSD硬盘接口形式未来会越来越多的应用到实际生产过程，目前针采用此接口的Intel SSD缺乏有效的管理手段。
发明内容
基于以上问题，本发明提出了一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法。提供了从设备驱动安装到设备检测的一系列管理方法，填补了技术空白。
本发明主要从三个方面进行SSD管理及维护:首先安装设备驱动。其次基于maintainer Keith Busch主持开发的NVMe SSD用户空间管理工具Nvme-cli进行设备管理；最后对设备进行压力测试检测设备性能并通过Nvme-cli查看smart信息以查看设备状态。
安装设备驱动
从Intel官方网站下载SSD专用的硬盘驱动并安装。安装Nvme-cli软件，解压缩之后make会生成对应的nvme工具。
使用Nvme-cli设备管理
1)遵照NVMe协议，NVMe设备分为控制器和命名空间(namespace)两级，控制器一级主要进行设备管理，在linux下的命名规则为nvmeX，定义为字符设备；命名空间一级提供一段LBA地址空间，支持存储功能，在linux下的命名规则为nvmeXnY，定义为块设备。一个NVMe设备可以有多个控制器，并且支持多个命名空间。在使用中，可以像操作普通块设备一样操作nvmeXnY设备。nvme-cli已经支持的sub命令，使用时以help命令输出为准。
前nvme-cli支持查询控制器、命名空间信息的命令(list,id-ctrl,id-ns,list-ctrl)，对命名空间进行查询管理的命令(list-ns,create-ns,delete-ns,attach-ns,get-ns-id)，查询各类日志信息的命令(get-log,fw-log,smart-log,smart-log-add,err-log)，获取、设置设备特性的命令(get-feature,set-feature,format)，更新固件的命令(fw-activate,fw-download)和其他的一些设备管理和设备IO命令。
其中常用的命令包括查询设备信息的id-ctrl，id-ns，查询日志信息获取设备当前状态的各种命令，以及更高级的，根据业务需求和设备手册进行的特性修改，格式化和固件升级的命令。
由于目前的NVMe设备都仅支持一个命名空间，所以与namespace相关的命令这里不做详细说明。
2)查询设备信息
查询设备信息的命令包括查询控制器信息的id-ctrl命令和查询namespace信息的id-ns命令。这两个命令的实现都是遵照NVMe协议向设备发送NVMe Admin命令中的identify命令。
这两个命令都支持三种输出格式：
无参数：标准的NVMe协议字段和十六进制数值对应的输出，与nvme-user中的nvme_id_{ctrl|ns}输出结果一致；
{--raw-binary,-b}：输出设备寄存器中的原始二进制数据；
{--human-readable,-H}：是nvme-user原始十六进制输出的扩展，除了打印协议中各字段的值，还会根据该数值进行解析，告知用户设备支持的实际特性，省去依照输出结果查询协议获取输出结果意义的过程。推荐使用该模式。
另外这两个命令还支持{--vendor-specific,-v}，该参数输出NVMe协议中定义的，各厂商自行指定的字段。对这些数据的解析需要用户依照对应设备手册。id-ctrl命令
id-ctrl是获取控制器信息的命令，命令格式是：
[nvme]id-ctrl[参数][控制器名，nvmeX]
常用字段含义：
vid PCI Vendor ID
ssvid PCI Subsystem Vendor ID
sn Serial Number
mn Model Number
fr Firmware Revision
rab Recommended Arbitration Burst(建议的仲裁最大值)
ieee IEEE OUI Identifier(IEEE的编号)
mic Controller Multi-path IO or Namespace sharing capabilities(nvme多路径,可用来备份)
mdts Maximum Data Transfer Size
oacs Optional Admin Command Support
acl Abort Command Limit
aerl Asynchronous Event Request Limit
frmw Firmware Updates(共支持7个slot的firmware)
lpa Log Page Attributes(Get Log page命令的附带参数)
elpe Error Log Page Entries(出错命令的记录)
npss Number of Power States Support(电源状态,省电相关的)
sqes Submission Queue Entry Size
cqes Completion Queue Entry SIZE
nn Number of Namespace
oncs Optional NVM command Suuport
fuses Fused Operation Suuport(是否支持fuse)
vwc Volatile Write Cache
awun Atomic Write Unit Normal
awupf Atomic Write Unit Power Fail
ps Power State
id-ns命令
id-ns是获取命名空间(namespace)信息的命令，命令格式是：
[nvme]id-ns[输出格式参数][-n命名空间编号][控制器名，nvmeX]
或[nvme]id-ns[输出格式参数][块设备名，nvmeXnY]
常用字段含义:
nsze Namespace Size 命名空间支持的逻辑blocks总量
ncap Namespace Capacity 命名空间支持的物理blocks总量
nuse Namespace Utilization 逻辑blocks使用量
nsfeat Namespace Features
Bits 7:1are reserved
Bits 0if set to'1'indicates supports thin provisioning
nlbaf Number of LBA Formats 可选Data和Metadata大小组合数量
flbas Formatted LBA Size 使用中的LBA大小模式
mc Metadata Capabilities
dpc End-to-end Data Protection Capabilities
dps End-to-end Data Protection Type Settings
nmic Namespace Multi-path I/O and Namespace Sharing Capabilities
rescap Reservation Capabilities
eui64IEEE Extended Unique Identifier
4)查询日志信息
查询日志信息的命令包含可以查询用户指定log页的get-log命令，以及分别查询Error，Firmware，Smart等特定log页的命令。执行这些命令时均可以添加参数{--raw-binary,-b}来获取二进制形式的原始数据。这些查询功能的实现都 是通过向设备发送NVMe Admin命令中的Get Log Page命令。
NVMe协议(v1.2)定义了一系列存储设备信息的log页，它们通过Log Identifier来标记。其中Error-log(01h)，Smart-log(02h)和Firmware-log(03h)是强制硬件厂商必须支持的。其他字段或保留(Reserved)，或允许厂商实现自己产品特定的log页(VendorSpecific)。
可以通过查询对应产品的手册来了解Vendor specific的log页编号和各字段含义。如Intel的P3600就额外支持CAh，C5h和DDh三个log页(Product Specification,Revision 004,October 2014)。
get-log命令
get-log查询一个指定命令空间(Namespace)的用户指定log页，并返回用户指定长度的log内容。
由于get-log的命令格式复杂，且输出易读性差，在查询Error，Smart和Firmware日志页时，不推荐使用该命令。命令格式如下：
[nvme]get-log[-b][-n命名空间][-l长度][-i日志编号][控制器名，nvmeX]
注意，在使用get-log获取指定命令空间的Smart信息时，可能返回InvalidField错误。根据NVMe协议，控制器可以不支持用户查询特定的命名空间的Smart信息，用户可以通过将Namepace ID设置为FFFFFFFFh来查询整个设备的Smart信息。详见NVMe协议id-ctrl结构中的lpa(Log Page Attributes)字段。
fw-log命令
fw-log查询当前设备的Firmware Slots信息和当前正在使用和将要使用的Firmware所在的Slots。命令格式如下：
[nvme]fw-log[-b][控制器名，nvmeX]
smart-log命令
smart-log可以查询整个设备的Smart日志，也可以通过指定Namespace ID来查询某个特定命名空间的Smart信息。命令格式如下：
[nvme]smart-log[-b][-n命名空间][控制器名，nvmeX]
Critical Warning 设备告警
Composite Temperature 控制器和命名空间的混合温度
Available Spare 剩余的备用空间百分比(即OP)
Available Spare Threshold 剩余备用空间的阈值
Percentage Used 使用寿命
Data Units Read 主机端读的数据量，以512bytes为单位
Data Units Write 主机端写的数据量，以512bytes为单位
Host Read Commands 控制器完成的读操作总数
Host Write Commands 控制器完成的写操作总数
Controllor Busy Time 控制器忙于处理IO命令的次数
Power Cycles 重启次数
Power On Hours 运行时间，不包含low power state时间
Unsafe Shutdowns 设备下电前未设置CC.SHN的次数
Media and Data Intehrity Erorrs 出现无法修复的数据一致性错误的次数
Number of Error Information Log Entries 控制器记录的Error Informationlog项的总数
smart-log-add命令
smart-log-add查询CAh页，获取附加的Smart信息。注意，这个log页属于VendorSpecific，不是所有设备都支持，请以设备手册为准。命令格式如下：
[nvme]smart-log-add[-b][-n命名空间][控制器名，nvmeX]
Program Fail Count 写失败次数
Erase Fail Count 擦失败次数
Wear Leveling Count 介质的擦写次数
End to End Error Detection Count 数据有效性保护错误次数
CRC Error Count CRC错误次数
Timed Workload,Media Wear
Timed Workload,Host Reads％
Timed Workload,Timer
Thermal Throttle Status
error-log命令
error-log查询指定数目的错误日志。一个控制器能同时存储的最近的错误日志数目取决于id-ctrl中的elpe字段(Error Log Page Entries)。指定Namespace时，返回特定命名空间的错误日志项，否则返回所有命令空间的错误日志项。命令格式如下：
[nvme]smart-log-add[-b][-n命名空间][-e错误项][控制器名，nvmeX]ErrorCount错误编号，64-bit incrementing
Submission Queue ID 错误关联的SQ编号
Command ID 命令编号
Status Field 状态位
Parameter Error Location 错误位置
LBA 错误所在LBA
Namespace 命名空间编号
Vendor Specific Information Available Vendor Specific 的错误页编号
硬盘加压
对NVME接口的SSD进行压力测试，选用Linux自带DD命令对硬盘进行加压，测试一段时间后查看硬盘状态。
本发明提供了NVME接口的SSD设备状态查看方法，并提供了相关的测试方法。填补了测试空白。
具体实施方式
下面对本发明的内容进行更加详细的阐述：
1)安装设备驱动后重启***查看设备信息：
fdisk–l命令查看所有的硬盘信息本例SSD硬盘编号是nvme0nvme0n1
2)查看硬盘信息
查看版本信息./nvme fw-log/dev/nvme0
查看smart信息./nvme smart-log/dev/nvme0
./nvme smart-log-add/dev/nvme0
Power On Hours运行时间可以判断SSD使用时间
3)硬盘加压
dd if＝/dev/nvme0n1of＝/dev/null
运行一段时间以后查看smart日志重点查看报错信息主要有：
Critical Warning 设备告警
Composite Temperature 控制器和命名空间的混合温度
Data Units Read 主机端读的数据量，以512bytes为单位
Data Units Write 主机端写的数据量，以512bytes为单位
Host Read Commands 控制器完成的读操作总数
Host Write Commands 控制器完成的写操作总数
Controllor Busy Time 控制器忙于处理IO命令的次数
Power Cycles 重启次数
Power On Hours 运行时间，不包含low power state时间
Media and Data Intehrity Erorrs 出现无法修复的数据一致性错误的次数
Program Fail Count 写失败次数
Erase Fail Count 擦失败次数
Wear Leveling Count 介质的擦写次数
End to End Error Detection Count 数据有效性保护错误次数
CRC Error Count CRC错误次数
尤其是CRC Error Count报错次数，可以作为判断设备状态的标准。

Claims (3)

1.一种基于NVME接口的Intel SSD硬盘的管理方法，其特征在于，
主要包括三个方面:
首先安装设备驱动；
其次基于maintainer Keith Busch主持开发的NVMe SSD用户空间管理工具Nvme-cli进行设备管理；
最后对设备进行压力测试检测设备性能并通过Nvme-cli查看smart信息以查看设备状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
1)安装设备驱动
从Intel官方网站下载SSD专用的硬盘驱动并安装；安装Nvme-cli软件，解压缩之后make会生成对应的nvme工具；
2)使用Nvme-cli设备管理
2.1)遵照NVMe协议，NVMe设备分为控制器和命名空间两级，控制器一级主要进行设备管理，在linux下的命名规则为nvmeX，定义为字符设备；命名空间一级提供一段LBA地址空间，支持存储功能，在linux下的命名规则为nvmeXnY，定义为块设备。
2.2)查询设备信息
查询设备信息的命令包括查询控制器信息的id-ctrl命令和查询namespace信息的id-ns命令；这两个命令都支持三种输出格式：
无参数：标准的NVMe协议字段和十六进制数值对应的输出，与nvme-user中的nvme_id_{ctrl|ns}输出结果一致。
2.3)查询日志信息
查询日志信息的命令包含可以查询用户指定log页的get-log命令，以及分别查询Error，Firmware，Smart的命令；执行这些命令时均可以添加参数{--raw-binary,-b}来获取二进制形式的原始数据；这些查询功能的实现都是通过向设备发送NVMe Admin命令中的Get Log Page命令。
3)硬盘加压
对NVME接口的SSD进行压力测试，选用Linux自带DD命令对硬盘进行加压，测试一段时间后查看硬盘状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
{--raw-binary,-b}：输出设备寄存器中的原始二进制数据；
{--human-readable,-H}：是nvme-user原始十六进制输出的扩展，除了打印协议中各字段的值，还会根据该数值进行解析，告知用户设备支持的实际特性，省去依照输出结果查询协议获取输出结果意义的过程；
另外这两个命令还支持{--vendor-specific,-v}。
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