U盘存储：闪存如何避免数据丢失

所有存储设备都比许多人意识到的要复杂得多。NAND 设备（包括 SSD、USB 拇指驱动器等）都容易出现故障，这与存储的 One Job™ 背道而驰：把我要求你为我保留的正确位还给我。

术语的几个定义，首先是：

SSD：代表固态驱动器（或磁盘），不需要任何移动部件。SSD 更像是一种外形而非内存技术，但这些术语经常（错误地）互换使用。

闪存：是一种不需要电源的存储器。也就是说，您不会在电源关闭时丢失数据。DRAM、sRAM 等是易失性存储器（它们在电源关闭时会丢失数据），因此这些类型的存储器不被视为闪存。

NAND：是闪存设备中常用的实际非易失性存储器类型，恰好被构建到 SSD 外形中。它还用于计算机的 BIOS 芯片 CompactFlash（用于数码相机、USB 记忆棒、视频游戏机的存储卡等。

阅读更多：SSD(固态硬盘)和HHD的区别，哪个更好？

现在，我们都知道 Flash 技术非常快。事实上，它们是如此之快，我们为什么要使用其他东西呢？

问题在于 NAND 技术并不完美。事实上，就像其他任何事情一样，存在权衡取舍，当回答这样一个问题时，了解这些权衡是什么会对事情可能出错的地方产生巨大影响。

一方面，重要的是要知道 NAND 技术实际上非常脆弱。事实上，它比用于旋转磁盘的介质更脆弱。要记住的事情包括数据的擦除、使用和保留。

让我们依次看一下。

您可能听说过单层电池 (SLC)、多层电池 (MLC)、三层电池 (TLC) 或四层电池 (QLC) 技术。这些与您可以将多少位填充到一个单元格（分别为 1、2、3 和 4）有关。早期闪存设备（例如 Violin Memory）中使用的 NAND 技术是 SLC。事实上，它们中的许多仍然存在，尽管由于成本原因，它们如今已远不那么受欢迎。

冒着过度简化的风险，每单元的位数越多，设备就越便宜，但设备也越慢、越脆弱、越容易出现故障。这就是为什么用于数据中心和消费类电子产品的许多不同类型的 SSD 都是 MLC 类型或修改后的 TLC 类型。稍后将详细介绍这些修改。

“好吧，如果我想擦除我写到一个页面上的东西，但块中还有我不想擦除的其他页面怎么办？” 是的，我们到了棘手的部分。您必须将数据移动到新位置。这种在磁盘上移动数据以“清理”区域的过程称为垃圾收集。

它一直在发生。

更糟糕的是，这必须在整个设备上统一完成。为了保持磨损和撕裂的某种可预测性，整个设备需要在闪存设备的所有块/页面上以相同的速率写入和擦除。

即使您的程序/应用程序不需要移动数据，NAND 设备也需要这样做。事实上，您的数据并不是简单地“坐着”等待使用；NAND 材料必须持续更新，因此无论您是否愿意，数据每 90 天、60 天或 30 天或更短时间就会移动一次！

每次移动数据时，无论是通过网络还是在同一存储设备上，您都面临丢失数据的风险。这意味着必须进行检查和重新检查，以确保数据在移动过程中没有损坏。

每个闪存设备都有所谓的闪存转换层(FTL)。这是确保您不会丢失数据的真正重要的拼图。如果这被冲洗干净，那你就完蛋了。它是设备的一部分，它知道一切都在哪里，一切都被移动到哪里，以及哪些部分准备好被覆盖。

显然，该设备会尽其所能保护 FTL。根据设备的不同，这意味着可能非常健壮（冗余内存缓冲区），也可能非常弱（如 U 盘，它应该是一次性的）。

不同的设备也有不同程度的缓存和缓冲区。这些是用于高速存储的临时存放位置。（对于真正的极客来说，缓存和缓冲区之间的主要区别在于缓存是有索引的，可以为 READ 请求提供服务，而 Buffer 没有索引，不能为 READ 请求提供服务）。

可能发生并可能损坏系统的大问题之一是，当您尝试写入设备时是否出现电源中断/波动。例如，突然断电会导致易失性写入缓冲区中的主机数据丢失，并可能导致 SSD 上的数据损坏。

所以，你需要准备和管理它。好吧，无论如何，该设备确实如此。

写入设备有多个阶段，设备将向主机（例如执行写入的应用程序或操作系统）确认它在进程中的位置。

即使在基于 PCIe 的系统上，主机和存储设备也充当独立的实体（因为它们是不同的、物理上独立的实体）。当您有一个需要将数据写入设备的应用程序时，它需要将数据从易失性内存（例如，RAM）移动到 SSD 上的缓冲区（称为写缓冲区）。当 SSD 收到数据时，它需要向主机确认数据已收到。此时，由主机决定在获得此确认之前不要从易失性内存中释放数据）。

这种来回是恒定的。“你有吗？” “还没有。” “现在怎么样？” “是的，我知道了。”

现在，在这个阶段，当 SSD 有数据时，它会告诉主机它已获得信息。这是不同类别的 SSD/USB 记忆棒等处理事情的不同之处。

企业 SSD（存在于数据中心的 SSD 类型）保护主缓冲区中的这些数据。请记住，这个缓冲区是易变的，这意味着此时如果突然断电，它就消失了。

让我换一种稍微不同的方式说。宿主认为SSD有，SSD有说有。主机从其主内存中转储数据并认为它是安全的。然后停电了。

SSD 上的写入缓冲区（易失性）突然变空了。但是它还没有写入Flash。随之而来的是欢闹。

正如我所说，企业级 SSD 具有此缓冲区的保护机制，但其他类型的闪存设备（包括您从本地电子商店购买的消费级 SSD、USB 记忆棒等）则没有。

事实上，“消费类”固态硬盘在数据处于最后休眠阶段之前根本无法保护您的数据。数据在从主机传输期间不受保护，即使在它被确认回主机之后，或者当它从写缓冲区迁移回 NAND 页时也是如此。（看看所有这些东西是如何组合在一起的？在这里你认为关于页面和块的讨论是多余的。）

另一方面，企业级 SSD 会在传输过程中的每个阶段保护数据（主机的初始传输除外——任何设备都无法保护尚未收到的数据）。

有一种称为数据路径保护的东西，旨在保护数据在数据传输过程中免受位错误的影响。假设您对我所写的内容没有感到不知所措，美光发布了一个很棒的 PDF（直接链接），介绍了消费者和企业 SSD 之间的差异。

此外，还有一种叫做异步断电保护的东西，其目标是在断电事件期间保护静态数据。可以想象，消费级和企业级 SSD 之间存在差异。

正如您可能已经猜到的那样，这种额外的保护解释了企业级和消费级 SSD 之间的成本差异。设计为一次性的闪存设备（例如相机 SD 卡、USB 记忆棒等）没有很多（如果有）这些额外保护。保护得越多，成本就越高。

当然，这些是设备的数据保护机制。我们预计设备最终会屈服于故障（不是如果，而是何时），因此除了良好的备份和恢复机制外，我们还使用RAID 系统、纠删码和其他系统的数据保护方法。

这可能超出您的预期，但希望它足够易用且平易近人，足以获得您正在寻找的答案（然后是一些）。

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