IO Determinism功能的引入
NVMe Spec 1.3有一個新功能：多流寫技術。具體操作是在每個I/O指令上加上一個標籤，SSD則根據寫入I/O的標籤，把不同標籤的資料放到不同的區域，藉此讓多流寫入作業能有序的進行，進而實現冷熱資料的分區存放，從而大幅改善垃圾回收的效率，讓SSD能提供更好的性能，不受傳統的垃圾回收作業的困擾。
除了用於多流寫入外，NVMe 1.3這種I/O標籤的功能，未來還可望擴展到其他應用，如用於服務等級（QoS）管理，利用附加在每筆I/O上的QoS等級標籤，讓SSD控制器優先處理高QoS等級的I/O。NVMe未來預定在2019年提供的IO Determinism（IO確定性）功能，應該就是基於這種方式來運作。
NVMe協議爲什麼增加IO Determinism功能呢？因爲用戶需要高速、可靠、穩定的IO性能。在平時我們訪問一些APP或者網站的時候遇到卡頓，很大一部分原因是因爲IO延遲造成的波動。
NVMe SSD已經取代傳統的SSD稱爲數據中心佈局的重要存儲介質。解決IO穩定的問題是刻不容緩的任務。真正落實到標準落實到產品中如何解決這個問題，大家想到的一點是如何做並行化。NVMe協議中引入的IO Determinism功能也是基於IO並行化。NVMe協議提供將整塊SSD分爲多個邏輯單元(叫做Set)，不同的邏輯單元之間相互獨立，在不同邏輯單元並行的讀和寫，做並行的操作，減少串行的工作避免時延的出現。在每個邏輯單元中，可能包含一個或者多個Namespace。
擴展：每個NS都有一個名稱與ID，如同每個人都有名字和身份證號碼，ID是獨一無二的，系統就是通過 NS的ID來區分不同的NS。如下圖例子，整個閃存空間劃分成2個NS，名字分別是NS A和NS B，對應的NS ID分別是1和2。如果NS A大小是M （以邏輯塊大小爲單位），NS B大小是N，則他們的邏輯地址空間分別是0到M-1和0到N-1。
SSD數據佈局結構的影響
以4 Namespace, 8 Channels的SSD系統爲例，傳統的data佈局如下圖：最簡單的結構配置，數據均勻分佈在所有的die。但是這個佈局的缺點就是會有IO衝突造成的延遲。
基於IO determinism功能, 引入三種邏輯單元結構的數據佈局：
1. 垂直邏輯單元((Vertical Sets)：
2. 水平邏輯單元(Horizontal Sets):
3. 混合型邏輯單元(Mixed Sets):
測試干擾條件：在NS1進行32K順序寫操作(QD=4)，在NS2進行4K隨機讀操作(QD=8)。
測試結果：
(1)平均讀延遲
在垂直邏輯單元的數據佈局結構條件下，平均讀延遲提升了7倍；在水平邏輯單元的數據佈局結構條件下，平均讀延遲提升了9.5倍；
(2)最大讀延遲
在垂直邏輯單元的數據佈局結構條件下，最大讀延遲提升了16倍；在水平邏輯單元的數據佈局結構條件下，最大讀延遲提升了11倍；
(3)4K隨機讀IOPS與隊列深度的關係
在三種數據佈局條件下，IOPS隨着隊列深度的增加均有上升的趨勢。不過，水平邏輯單元數據佈局結構(HS)的IOPS在QD=6時達到最大。最重要的是，水平邏輯單元數據佈局結構(HS)和垂直邏輯單元數據佈局結構(VS)的IOPS均是傳統數據佈局結構IOPS的2倍之多。
IO Determinism中的時間窗
上面的測試結果是主要是針對SSD邏輯單元(Set)對IO延遲的影響。在NVMe推廣的信息中，我們發現關於IO determinism還有兩個重要的概念：Deterministic Window和Non-Determinism Window.
我們先想象一下平時的汽車，當你的汽車在5千公里行駛以內的時候，你這個時延是穩定的，性能跟說明書上一樣，當汽車開到4S店做保養換機油的時候，它沒有穩定的時延，它的性能指標和說明書上說的完全沒有關係。
NVMe在完全借鑑了汽車保養的特性，在SSD裏面設置了一個時間窗，這個時間窗是穩定時延的模式，即Determinism Window。當SSD盤需要垃圾回收、Wear-leveling維持操作時切換到非穩定模式，這個階段IO性能是不穩定的，即Non-Determinism Window, 也可以稱作Maintainance Window。如果用兩塊SSD合作，則在任何一個時間點，至少會有一個SSD處在Determinism Window，爲系統提供穩定的IO性能，如下圖：
寫在最後
不管是之前介紹的Multi-Stream還是本篇介紹的IO Determinism基本都是NVME協議針對數據中心提供的新功能。隨着大數據時代的來臨，我相信，在企業級SSD存儲領域會有更多更強大的功能被引入，讓我們拭目以待吧~
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