CN109902033B

CN109902033B - 应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法

Info

Publication number: CN109902033B
Application number: CN201910115695.0A
Authority: CN
Inventors: 刘忞斋; 高美洲; 孙大朋; 郭泰�; 裴永航
Original assignee: Shandong Sinochip Semiconductors Co Ltd
Current assignee: Shandong Sinochip Semiconductors Co Ltd
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: WO2020164216A1; CN109902033A

Abstract

本发明公开一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法，基于LMU的方式对SSD控制器中的controller进行组织管理管理，同时基于变体B+树结构对namespace进行LMU分配。在创建namespace时执行controller LBA的分配。在controller LBA分配方法时，将所有controller LBA划分为若干个LBA管理单元LMU，每个LMU包含相同数量的controller LBA，SSD控制器会以LMU为单位为namespace分配controller LBA。为了有效利用分配后的controller LBA，本方法创建度为M的变体B+树数据结构，将可用的LMU ID分配给变体B+树叶子结点中的关键字，即完成了本实施例所述的分配方法。本发明可以提升controller LBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度。

Description

应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法

技术领域

本发明涉及基于NVMe(Non-Volatile Memory express)协议的SSD(solid statedisk，固态硬盘)控制器领域，尤其涉及NVMe协议中多namespace(命名空间)的LBA(logicblock address，逻辑块地址)分配方法和LBA映射方法。

背景技术

一个NVMe SSD主要由SSD控制器、闪存空间和PCIe接口组成。NVMe协议支持主机使用若干独立的逻辑空间经由SSD控制器来管理闪存空间，这样划分出来的每一个逻辑空间称为namespace。每个namespace由若干LBA组成，LBA范围是0到N-1(N是namespace包含的LBA个数)，一个LBA大小则通常指定为4KB，这里将这类LBA称之为namespace LBA。每个namespace都有其特定ID，主机在发送读写SSD命令时，通过指定namespace ID和namespaceLBA对闪存相关位置进行操作。在企业级SSD中，客户可以根据不同需求创建不同特征的namespace，即在一个SSD上创建出若干个不同特征的磁盘供不同客户使用。Namespace的另外一个重要使用场合为SR-IOV(Single Root-IO Virtualization)。SR-IOV技术允许在虚拟机之间高效共享PCIe设备，并且它是在硬件中实现的，可以获得能够与本机性能媲美的IO性能。单个SSD可由许多虚拟机共享，共享SSD不仅要为每个虚拟机提供专用资源(专用namespace)，并且还要提供通用资源(公有namespace)。因此，在NVMe SSD设备中实现多namespace支持符合企业级SSD的发展趋势。

主机在对SSD设备执行读写操作时，SSD控制器会根据所接收的namespace ID将namespace LBA转换为controller LBA。Controller LBA是SSD管理闪存空间的基本单元，大小通常也为4K。在主机申请创建namespace时，SSD控制器会将指定数目的可用controller LBA分配到新的namespace中，这些被分配的controller LBA通常情况下不会从0开始，有时甚至不会彼此连续。主机对于此类情况无法感知，因为controller LBA对于主机是透明的，主机只知道新创建的namespace所包含的namespace LBA是连续的。因此，设计并实现合理高效的controller LBA分配方案和namespace LBA到controller LBA的映射方案，对于提升controller LBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度是非常具有现实意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法和映射方法，提升controller LBA利用率、提高SSD控制器前端读写处理速度。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，namespace指NVMe协议主机中划分的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，所述方法包括以下步骤：S01)、SSD控制器将所有controller LBA等分为N_L个LBA管理单元LMU，除最后一个LMU外，每个LMU包括N_CL个controller LBA，controller LBA指SSD控制器内部的LBA；S02)、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controller LBA，起始controller LBA记为CLBA_LMUID-start，；S03)、SSD控制器控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数N_LBA；S04)、通过N_LBA和N_CL计算需要分配的LMU个数N_NL，

代表向上取整；S05)、以集合S＝{N_CL,2N_CL,3N_CL,…,N_NL*N_CL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，创建流程为：S51)、新建结点，并将其作为当前结点；S52)、将集合S中的首个元素作为关键字插入当前接点中，并从S中删除该元素；S53)、判断当前结点包含的关键字个数，如果关键字个数小于或者等于M-1，则执行步骤S54，否则执行步骤S55；S54)、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；S55)、以当前结点中第

个关键字为中心，

代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；S56)、将第

个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤c；S06)、为变体B+树的叶子节点中的每个关键字分配可用的LMU ID，变体B+树数据结构创建完成，对namespace的LBA的分配也完成。

进一步的，步骤S55中，第

个关键字包含在右边结点内。

进一步的，步骤S56中，将关键字插入父结点时，若无父结点则新建父结点。

进一步的，新创建的度为M的变体B+树具有以下特性：任意非叶子结点最多只有M个儿子，且M>2；根结点的儿子数为[2，M]；除根结点以外的非叶子结点的儿子数为[M/2，M]；每个结点存放至少

至多M-1个关键字，且关键字为LMU所包含controller LBA数目的整数倍；非叶子结点的关键字个数比指向儿子的指针个数小1；非叶子结点的关键字为K[1],K[2],…,K[M-1]，且K[i]<K[i+1]；非叶子结点的指针为P[1],P[2],…,P[M]，其中P[1]指向关键字小于K[1]的子树，P[M]指向关键字大于等于K[M-1]的子树，其它P[i]指向关键字属于[K[i-1],K[i])的子树；所有叶子结点位于同一层，叶子结点中每个关键字关联一个LMU，所有关键字有序排列。

本发明还公开了一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA映射方法，namespace指NVMe协议主机中划分的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，本映射方法实现namespace LBA到controller LBA的转换，所述namespace LBA经过权利要求1分配产生，包括以下步骤：S01)、SSD控制器解析主机下发的读写请求，获得namespace ID和namespaceLBA，namespace ID记为NLBA_namespaceID；S02)、以namespace ID对应的变体B+树根结点作为当前结点；S03)、在当前结点中遍历其关键字，找到关键字K_i-1，若满足K_i-1≤NLBA_namespaceID，将大于K_i-1的子结点作为当前结点；S04)、判断当前结点是否为叶子结点，是则继续，否则返回步骤S03；S05)、在当前叶子结点遍历其关键字，找到关键字K_j，如果满足NLBA_namespaceID≤K_j，找到K_j所关联的LMU；S06)、计算namespaceLBA对应的controllerLBA，计算方式为：

CLBA_{namespaceID_NLBA}＝NLBA_namespaceID-K_j-1+CLBA_{LMUID_start}，CLBA_{namespaceID_NLBA}就是namespaceLBA对应的controllerLBA，至此，映射流程结束。

进一步的，步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字K_i，并且满足K_i-1≤NLBA_namespaceID≤K_i时，将K_i-1和K_i之间的子节点作为当前结点。

进一步的，步骤步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字K_j-1，并且满足K_j-1≤NLBA_namespaceID≤K_j时，找到K_j所关联的LMU。

有益效果：本发明提出的一种应用于NVMe SSD控制器中的LBA分配方法和映射方法，针对SSD设备multi-namespace特性进行了controller LBA的分配优化和存储优化。基于B+树变体数据结构对namespace所包含的controller LBA进行管理，减少了SSD设备对controller LBA的管理成本，同时提高了namespace LBA的映射效率，进而完成了SSD设备读写操作的速度优化。

附图说明

图1为将controller LBA等分成多个LMU的示意图；

图2为本发明创建的变体B+树数据结构图；

图3为LBA分配方法的流程图；

图4为LBA映射方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种应用于NVMe SSD控制器的针对namespace的LBA分配方法，基于LMU的方式对SSD控制器中的controller进行组织管理管理，同时基于变体B+树结构对namespace进行LMU分配。在创建namespace时执行controller LBA的分配。

在设计针对namespace创建的controller LBA分配方法时，需要考虑controllerLBA的组织管理方式。这里的组织管理方式指的是，将所有controller LBA划分为若干个LBA管理单元(LBA management unit，LMU)，每个LMU包含相同数量的controller LBA(最后一个LMU可以不符合此要求)，SSD控制器会以LMU为单位为namespace分配controller LBA。这种设计方案可以避免整段controller LBA在执行多次namespace创建和删除操作后造成的LBA碎片化，提高了SSD设备中数据的可维护性。该方案的不足在于会造成controllerLBA的浪费，考虑到主机创建namespace时，申请的namespace LBA数量一般不会是LMU的整数倍，SSD控制器会用LMU除namespace LBA数量并向上取整，得到需要分配的LMU数量，此时分配的controller LBA对于主机来说是不可见的，因此无法有效利用。适当的对LMU进行细化操作可以提高controller LBA利用率，即增加LMU数量，减少每个LMU所包含的controller LBA个数。

上述分配的controller LBA对于主机来说是不可见的，为了有效利用分配后的controller LBA，本方法创建度为M的变体B+树数据结构，将可用的LMU ID分配给变体B+树叶子结点中的关键字，即完成了本实施例所述的分配方法。

具体如图3所示，本实施例所述分配方法包括以下步骤：

S01)、SSD控制器将所有controller LBA等分为N_L个LBA管理单元LMU，除最后一个LMU外，每个LMU包括N_CL个controller LBA，controller LBA指SSD控制器内部的LBA；

S02)、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controller LBA，起始controllerLBA记为CLBA_LMUID-start；

S03)、SSD控制器控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数N_LBA；

S04)、通过N_LBA和N_CL计算需要分配的LMU个数N_NL，

代表向上取整；

S05)、以集合S＝{N_CL,2N_CL,3N_CL,…,N_NL*N_CL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，

创建流程为：

S51)、新建结点，并将其作为当前结点；

S52)、将集合S中的首个元素作为关键字插入当前接点中，并从S中删除该元素；

S53)、判断当前结点包含的关键字个数，如果关键字个数小于或者等于M-1，则执行步骤S54，否则执行步骤S55；

S54)、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；

S55)、以当前结点中第

个关键字为中心，

代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；

S56)、将第

个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤c；

S06)、为变体B+树的叶子节点中的每个关键字分配可用的LMU ID，变体B+树数据结构创建完成，对namespace的LBA的分配也完成。

具体的，步骤S55中，第

个关键字包含在右边结点内。步骤S56中，将关键字插入父结点时，若无父结点则新建父结点。

本实施例新创建的度为M的变体B+树具有以下特性：任意非叶子结点最多只有M个儿子，且M>2；根结点的儿子数为[2，M]；除根结点以外的非叶子结点的儿子数为[M/2，M]；每个结点存放至少

如图1所示，为本实施例中对controller LBA进行等分的示意图，其中N_C表示SSD控制器中controller LBA总个数，N_L表示SSD控制器中LMU总个数，N_CL表示每个LMU所包含的controller LBA个数，LMU从0开始计数。由图可知，每个LMU都有其特定的起始controllerLBA和终止controller LBA。除最后一个LMU之外，所有LMU所包含的controller LBA个数均为N_CL，最后一个LMU则包含N_C-(N_L-1)*N_CL个controller LBA。主机下发namespace创建请求时，SSD控制器会根据请求指定的空间大小为新的namespace分配可用的LMU。如果指定空间大小(指定的LBA个数)N_LBA不是N_CL的整数倍，则为其分配

个LMU。在主机对namespace执行读写操作时，SSD设备通过解析namespace ID和namespace LBA来对LMU ID进行定位，进而计算出实际要操作的controller LBA。

如图2所示，为本实施例创建的度为M的变体B+树数据结构的示意图，图中所示的叶子结点共分配了9个LMU，该树就是LBA分配的结果。

实施例2

本实施例公开一种应用于NVMe SSD控制器的针对namespace的LBA映射方法，本映射方法实现namespace LBA到controller LBA的转换，所述namespace LBA经过实施例1分配产生，如图4所示，包括以下步骤：

S01)、SSD控制器解析主机下发的读写请求，获得namespace ID和namespace LBA，namespace ID记为NLBA_namespaceID；

S02)、以namespace ID对应的变体B+树根结点作为当前结点；

S03)、在当前结点中遍历其关键字，找到关键字K_i-1，若满足K_i-1≤NLBA_namespaceID，将大于K_i-1的子结点作为当前结点；

S04)、判断当前结点是否为叶子结点，是则继续，否则返回步骤S03；

S05)、在当前叶子结点遍历其关键字，找到关键字K_j，如果满足NLBA_namespaceID≤K_j，找到K_j所关联的LMU；

S06)、计算namespaceLBA对应的controllerLBA，计算方式为：CLBA_{namespaceID_NLBA}＝NLBA_namespaceID-K_j-1+CLBA_{LMUID_start}，CLBA_{namespaceID_NLBA}就是namespaceLBA对应的controllerLBA，至此，映射流程结束。

本实施例中，步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字K_i，并且满足K_i-1≤NLBA_namespaceID≤K_i时，将K_i-1和K_i之间的子节点作为当前结点。

本实施例中，步骤步骤S03中遍历当前结点关键字时，同时寻找关键字K_j-1，并且满足K_j-1≤NLBA_namespaceID≤K_j时，找到K_j所关联的LMU。

如图2所述，namespace共分配了9个LMU，这些LMU并不连续，即namespace中所包含的controller LBA无法保证完全连续。在主机对某个namespace执行读写操作时，namespace LBA的值可能会跨越多个LMU，此时需要计算namespace LBA在namespace中所对应的LMU索引，再根据LMU索引找到controller LBA。在不采取任何优化方案的情况下，通过除法运算(namespace LBA)/LMU可以计算出namespace LBA在namespace中所对应的LMU索引，然而这种方式在随机读写操作中严重影响执行效率。由于无法保证每个LMU所包含的controller LBA数目为2的幂次方，因此无法使用位运算代替除法运算。基于此，本实施例所述的LBA映射方法采用度为4的变体B+树数据结构来存储和管理namespace中的LMU，其中关键字K_i用于索引namespace LBA范围，N_CL仍表示每个LMU所包含的controller LBA个数。根结点和非叶子结点中，K_i左边的子结点所包含的namespace LBA均小于K_i，K_i右边的子结点所包含的namespace LBA则大于等于K_i。叶子结点中，每个K_i指向所对应的LMU ID，该K_i描述了namespace LBA的范围，范围为[K_i-N_CL,K_i-1]；LMU ID描述了namespace LBA对应的controller LBA的范围，该范围为[LMU_ID＊N_CL,(LMU_ID+1)＊N_CL-1]。例如，如果叶子结点中的关键字为5N_CL，那么当一个namespace LBA通过树结构进行查找并定位找到叶子结点中的该关键字时，即表示该namespace LBA值的范围是[4N_CL,5N_CL-1]，它所对应的controllerLBA位于LMU21中，controller LBA的范围是[21N_CL,22N_CL-1].基于该变体B+树索引结构，在输入namespace LBA后最多执行log_M-1*N～log_M/2*N次查找即可定位namespace LBA所对应的LMU，相较于除法运算更为高效。

本发明提出的一种应用于NVMe SSD控制器中的LBA分配方法和映射方法，针对SSD设备multi-namespace特性进行了controller LBA的分配优化和存储优化。基于B+树变体数据结构对namespace所包含的controller LBA进行管理，减少了SSD设备对controllerLBA的管理成本，同时提高了namespace LBA的映射效率，进而完成了SSD设备读写操作的速度优化。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，namespace指NVMe协议内主机所使用的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S02)、使用数组结构记录每个LMU的ID和起始controller LBA，起始controller LBA记为CLBA_LMUID-start；

S03)、SSD控制器接收并解析NVMe协议主机下发的namespace创建请求，获得创建所需要的LBA个数N_LBA；

S04)、通过N_LBA和N_CL计算需要分配的LMU个数N_NL，

代表向上取整；

S05)、以集合S＝{N_CL,2N_CL,3N_CL,…,N_NL*N_CL}中的所有元素为关键字创建度为M的变体B+树数据结构，创建流程为：

S51)、新建结点，并将其作为当前结点；

S54)、判断S中元素是否为空，是则结束，否则返回步骤S52；

S55)、以当前结点中第

个关键字为中心，

代表向下取整，将当前结点分裂为两个结点；

S56)、将第

个关键字按从大到小的顺序插入父结点，该关键字的左边指针指向当前结点分裂后的左边结点，右边指针指向分裂后的右边结点，并将父结点作为当前结点；返回步骤S53；

2.根据权利要求1所述的NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于：步骤S55中，第

个关键字包含在右边结点内。

3.根据权利要求1所述的NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于：步骤S56中，将关键字插入父结点时，若无父结点则新建父结点。

4.根据权利要求1所述的NVMe SSD控制器的namespace的LBA分配方法，其特征在于，新创建的度为M的变体B+树相比一般B+树具有以下特性：

结点中关键字K[i]的值应为LMU所包含controller LBA数目的整数倍；

非叶子结点的指针为P[1],P[2],…,P[M]，其中P[1]指向关键字小于K[1]的子树，P[M]指向关键字大于等于K[M-1]的子树，其它P[i]指向关键字属于[K[i-1],K[i])的子树；

叶子结点中每个关键字关联一个LMU ID。

5.一种应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA映射方法，namespace指NVMe协议主机中划分的逻辑空间，LBA指逻辑块地址，其特征在于，本映射方法实现namespace LBA到controller LBA的转换，所述namespace LBA经过如权利要求1所述方法分配产生，包括以下步骤：

S02)、以namespace ID对应的变体B+树根结点作为当前结点；

S03)、在当前结点中遍历其关键字，找到关键字K_i-1和K_i，若满足K_i-1≤NLBA_namespaceID≤K_i，将K_i-1和K_i间的子结点作为当前结点；

S05)、在当前叶子结点遍历其关键字，找到关键字K_j-1和K_j，如果满足K_j-1≤NLBA_namespaceID≤K_j，找到K_j所关联的LMU；

S06)、计算namespaceLBA对应的controllerLBA，计算方式为：

CLBA_{namespaceID_NLBA}＝NLBA_namespaceID-K_j-1+CLBA_{LMUID_start}，CLBA_{namespaceID_NLBA}

就是namespaceLBA对应的controllerLBA，至此，映射流程结束。

6.根据权利要求5所述的应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA映射方法，其特征在于：步骤S03中遍历当前结点关键字时，如果不存在NLBA_namespaceID≤K_i，仅满足K_i-1≤NLBA_namespaceID，则将大于K_i-1的子节点作为当前结点。

7.根据权利要求5所述的应用于NVMe SSD控制器的namespace的LBA映射方法，其特征在于：步骤S05中遍历当前结点关键字时，如果不存在K_j-1≤NLBA_namespaceID，仅满足NLBA_namespaceID≤K_j时，找到K_j所关联的LMU。