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在主機(jī)和SSD之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)從主機(jī)生成到寫入SSD閃存中，以及數(shù)據(jù)從SSD閃存中讀出到寫回主機(jī)，這個(gè)過程中會(huì)經(jīng)過多個(gè)部件、多種傳輸和復(fù)雜的軟件處理，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

但是這種錯(cuò)誤一般無法被立即檢測(cè)出來，而是后續(xù)通過應(yīng)用在訪問數(shù)據(jù)過程中，才發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)出錯(cuò)，在應(yīng)用層體現(xiàn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致，這類錯(cuò)誤我們稱為靜默數(shù)據(jù)破壞，即Silent Data Corruption。

為確保主機(jī)和SSD之間的數(shù)據(jù)完整性，NVMe提供了端到端數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，它可以有效降低靜默錯(cuò)誤的發(fā)生，保護(hù)主機(jī)寫入閃存和從閃存讀出到寫入主機(jī)的全部流程，使數(shù)據(jù)的一致性得到保證。

NVMe端到端數(shù)據(jù)保護(hù)的關(guān)鍵在于PI（Protection Information）的使用。完整的端到端數(shù)據(jù)保護(hù)支持由Host端生成PI，提供從Host直至SSD內(nèi)部的完整端到端數(shù)據(jù)路徑保護(hù)。在數(shù)據(jù)生成時(shí)，通過對(duì)數(shù)據(jù)添加PI，并將其作為元數(shù)據(jù)始終伴隨用戶數(shù)據(jù)一同傳輸和校驗(yàn)，借此降低靜默錯(cuò)誤的發(fā)生；同時(shí)，借助ECC（如BCH、LDPC）、Die間RAID5等手段，對(duì)檢測(cè)到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)加以修正，提升整個(gè)端到端數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性。PI也可以通過SSD Controller生成，提供SSD盤內(nèi)的數(shù)據(jù)保護(hù)，通常，我們將后者稱為“數(shù)據(jù)路徑保護(hù)”技術(shù)。

NVMe協(xié)議規(guī)定（后續(xù)介紹均參照NVMe2.0協(xié)議），Host與SSD之間的數(shù)據(jù)交互，除了邏輯塊(用戶數(shù)據(jù))，還可以攜帶一些額外的元數(shù)據(jù)(MetaData)，大小為0~N Bytes。Metadata一個(gè)最重要的角色就是傳遞端對(duì)端(E2E, End to End)數(shù)據(jù)保護(hù)信息(PI, Protection Information)。

PI相當(dāng)于邏輯塊數(shù)據(jù)的保鏢，有DIF(Data Integrity Field）和DIX(Data Integrity Extension）兩種數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，兩者的主要區(qū)別是PI信息的位置不同。 

(1)DIF: 是data buffer和Metadata buffer連接在一起傳輸?shù)哪Ｊ?。如下圖所示：

(2)DIX: 是data buffer和Metadata buffer分離的一種模式，最后會(huì)在SSD端把它們拼接在一起。如下圖所示:

PI內(nèi)容主要由Guard、Application Tag、Reference Tag和Storage Tag組成。

• Guard Tag: 用戶數(shù)據(jù)的 CRC 校驗(yàn)信息,支持CRC16/CRC32/CRC64

• Application Tag: 應(yīng)用指定Tag，固定為16bit

• Reference Tag: Reference Tag 把邏輯塊數(shù)據(jù)與一個(gè)地址關(guān)聯(lián)起來，防止被誤用或者亂序邏輯塊傳輸，用來檢測(cè)數(shù)據(jù)是否寫入錯(cuò)誤的 LBA 地址;

• Storage Tag: 應(yīng)用指定Tag

根據(jù)配置不同，PI 主要有四種組成格式：

1）16bit Guard Tag（Storage Tag size is zero）

2) 16bit Guard Tag（Storage Tag size is non-zero）

3) 32bit Guard Tag 

4) 64bit Guard Tag

按照NVMe協(xié)議，根據(jù)對(duì)SSD命名空間的格式化（512B or 4KB Sector），PI可以放置在元數(shù)據(jù)的前8或后8字節(jié)。

如果Metadata元數(shù)據(jù)超過8字節(jié)（如支持64B元數(shù)據(jù)），則CRC處理原則如下：

• PI在Metadata前8字節(jié)，PI中CRC tag的生成不包括Metadata字節(jié)。

• PI在Metadata后8字節(jié)，PI中CRC tag的生成包含Metadata字節(jié)，但不包括后8字節(jié)PI。

Host通過NVMe format命令DWord10中的PIL字段指定PI在Metadata中的位置：為1則是Metadata的首8B，為0則是Metadata 的尾8B。

根據(jù)不同的Tag設(shè)置和PI 檢查方式，PI 可分為Type0、Type1、Type2、Type3四種類型。

Host通過NVMe format命令DWord10中的PI字段指定了PI的類型。

NVMe IO命令主要通過PRINFO (Protection Information Field) 和ILBRT/EILBRT命令字來控制PI的生成機(jī)制和Check范圍。

PRINFO控制PI主要包括PRACT（Protection Information Action）和PRCHK（Protection Information Check）。

PRACT指明了PI信息生成的機(jī)制。

• PRACT=0

當(dāng)WRITE命令時(shí)：

(1)如果namespace在format的時(shí)候沒有啟動(dòng)PI 使能，針對(duì)Host過來的Logical User Data和Meta，NVMe模塊不會(huì)做任何處理，直接交給后端的Flash Controller模塊處理。

(2)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI 使能且PRACT=0，SSD接收到Host傳來的數(shù)據(jù)后根據(jù)PRCHK檢查PI，如果檢查失敗，SSD會(huì)向Host返回命令失敗，并置上相應(yīng)的錯(cuò)誤位（Guard check, App Tag Check 和 Ref Tag Check）。

當(dāng)READ命令時(shí)：

(1)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI使能且PRACT=0，SSD讀取到FLASH的數(shù)據(jù)以后會(huì)根據(jù)PRCHK檢查PI，如果檢查失敗，SSD會(huì)向Host返回命令失敗，并置上相應(yīng)的錯(cuò)誤位（Guard check, App Tag Check 和 Ref Tag Check）。

• PRACT=1

當(dāng)WRITE命令時(shí)：

(1)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI 使能且PRACT=1，并且Metadata size= 8Byte，SSD會(huì)生成PI信息并跟User Data一起寫入Flash。

(2)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI 使能且PRACT=1，并且Metadata size > 8Byte (比如16 Byte)，SSD會(huì)生成并覆蓋原有的PI信息，跟User Data一起寫入Flash。

當(dāng)READ命令時(shí)：

(1)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI使能且PRACT=1，并且Metadata size= 8Byte，SSD從Flash讀出數(shù)據(jù)以后會(huì)檢查PI信息，如果失敗，向Host返回命令失敗，如果通過，去掉PI（也就是Meta data）僅將User Data返回給Host。

(2)如果namespace在format的時(shí)候啟動(dòng)了PI使能且PRACT=1，并且Metadata size > 8Byte (比如16 Byte)，SSD從Flash讀出數(shù)據(jù)以后會(huì)檢查PI信息，如果失敗，向Host返回命令失敗，如果通過，將包含PI的Meta data連同User Data一起返回給Host。

PRCHK控制PI具體檢查的內(nèi)容。

• 如果PRCHK bit2=1，檢查Guard Tag。SSD比較PI中的Guard與User Data的CRC

  
  

• 如果 PRCHK bit1=1，檢查Application Tag。SSD比較PI中的App Tag與讀寫命令里的LBAT （Logical Block Application Tag）位的內(nèi)容

  
  

• 如果PRCHK bit0=1，檢查Reference Tag
  

ILBRT/EILBRT命令字主要用于SSD計(jì)算Ref Tag，計(jì)算方法前文介紹中已有描述。具體內(nèi)容在NVMe CMD的DWord3和DWord14中。