可乐学习NVMe之四：粗茶淡饭NameSpace

可乐学习NVMe之一：为什么SSD需要NVMe
可乐学习NVMe之二：三只熊SQ/CQ/DB
可乐学习NVMe之三：解读PRP/SGL

1. 基本概念
　　从前文中我们知道，一个NVMe SSD系统主要分三个部分，SSD Controller、闪存空间、PCIe接口。一个NVMe Subsystem通常被称为SSD。
　　如果把闪存空间划分成若干个独立的逻辑空间，每个空间逻辑块地址（LBA）范围是0到N-1 (N是逻辑空间大小)，这样划分出来的每一个逻辑空间我们就叫做NS。对SATA SSD来说，一个闪存空间只对应着一个逻辑空间，与之不同的是，NVMe SSD可以是一个闪存空间对应多个逻辑空间。
　　每个NS都有一个名称与ID，ID是独一无二的，系统就是通过 NS的ID来区分不同的NS。

２. 举例说明

一个NVMe Controller 多个NS:

图3显示了包含单个NVM Express控制器和单个PCI Express端口的NVM子系统。由于这是一个单一的PCI Express功能设备，NVM Express控制器应该与PCI Function 0相关联。
　　一个控制器可以支持多个命名空间。图3中整个闪存空间划分2个NS, 分别为NS A和NS B两个命名空间。与每个控制器命名空间关联的是一个命名空间ID，标记为NSID 1和NSID 2，控制器使用它来引用特定的命名空间。命名空间ID不同于命名空间本身，它是主机和控制器在命令中指定特定命名空间时使用的句柄。在这个例子中，命名空间ID 1与命名空间A关联，命名空间ID 2与命名空间Ｂ关联。这两个命名空间对控制器来说都是私有的，这个配置既不支持多路径I/O，也不支持命名空间共享。

　　另外，如果NS A大小是M （以逻辑块大小为单位），NS B大小是N，则他们的逻辑地址空间分别是0到M-1和0到N-1。Host读写SSD，都是要在命令中指定读写的是哪个NS中的逻辑块。原因很简单，如果不指定NS，对同一个LBA来说，假设就是LBA 0，SSD根本就不知道去读或者写哪里，因为有两个逻辑空间，每个逻辑空间都有LBA 0。
　　一个NVMe命令一共64字节，其中第4到第7个Byte指定了要访问的NS。

　　对每个NS来说，都有一个4KB大小的数据结构来描述它。

　　该数据结构描述了该NS的大小，整个空间已经写了多少，每个LBA的大小，以及端到端数据保护相关设置，该NS是否属于某个Controller还是几个Controller可以共享，等等。
　　NS由Host创建和管理，每个创建好的NS，从Host操作系统角度看来，就是一个独立的磁盘，用户可在每个NS做分区等操作。
　　每个NS是独立的，逻辑块大小可以不同，端到端数据保护配置也可以不同。
　　NS更多的是应用在企业级，可以根据客户不同需求创建不同特征的NS，也就是在一个SSD上创建出若干个不同功能特征的磁盘（NS）供不同客户使用。
　　
两个NVMe Controller 多个NS:
　　对一个NVMe子系统来说，除了包含若干个NS，还可以由若干个 SSD Controller。注意，这里不是说一个SSD Controller有多个CPU，而是说一个SSD有几个实现了NVMe功能的Controller。
　　
　　如上图例子，一个NVMe子系统包含了两个Controller，分别实现不同功能（也可以是相同功能）。整个闪存空间分成3个NS，其中NS A由Controller 0（左边）独享，NS C由Controller 1（右边）独享，而NS B是两者共享。独享的意思是说只有与之关联的Controller才能访问该NS，别的Controller是不能对之访问的，上图中Controller 0是不能对NS C进行读写操作的，同样，Controller 1也不能访问 NS A；共享的意思是说，该NS（这里是NS B）是可以被两个Controller共同访问的。对共享NS，由于几个Controller都可以对它进行访问，所以要求每个Controller对该NS的访问都是原子操作，从而避免同步问题。
　　
若干NVMe Controller 若干PCIe Port:
　　事实上，一个NVMe子系统，除了可以有若干个NS，除了可以有若干个Controller，还可以有若干个PCIe接口。
　　与前面的架构不一样，下图的架构是每一个Controller有自己的PCIe接口，而不是两者共享一个。Dual Port这两个接口，往上有可能连着同一个主机，也可能连着不同的主机。

NameSpace用于SR-IOV场景
　　什么是SR-IOV？英文全称为 Single Root- I/O 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I/O 性能。单个I/O 资源（单个SSD）可由许多虚拟机共享。共享的设备将提供专用的资源，并且还使用共享的通用资源。这样，每个虚拟机都可访问唯一的资源。
　　如下图所示，该SSD作为PCIe的一个Endpoint，实现了一个物理功能 (Physical Function ,PF)，有4个虚拟功能（Virtual Function，VF）关联该PF。每个VF，都有自己独享的NS，还有公共的NS （NS E)。此功能使得虚拟功能可以共享物理设备，并在没有 CPU 和虚拟机管理程序软件开销的情况下执行 I/O。关于SR-IOV更多知识，请自行搜索。
　　这里我们只需知道NVMe中的NS有用武之地就可以。

3.总结：
　　多NS，多Controller，多PCIe接口，给NVMe SSD开发者，以及存储架构师很大的发挥空间。给不同的NS配置不同的数据保护机制，或者虚拟化，或者使用冗余容错提高系统可靠性，抑或别的设计，NVMe提供了这些基础设施，怎么玩就看你的想象力了。

4.参考文章：

【NVM Express Revision 1.3】
【http://www.ssdfans.com/?p=8157】

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