# Zoned Namespace (ZNS) SSD 的 overview - (1)

## Feature
* 要求單個 zone 內必須順序寫，不同種類的資料可以分配到不同的 zone
* 寫完後只能一次性 reset，不能部分 reset ()
* 單個 ZNS 下面的所有 zone size 必須大小一樣
* Zone Capacity 會小於或等於 Zone Size ， 因為 Zone Size 有含無法使用的 block
* 
* 單個 zone size 必須是 LBA 數量的 2 次方 (`2^N`)
> * ZNS規範中，將 SSD namespace 的整個 LBA 範圍劃分為若干個等長的區間，等長的 LBA 區間成為一個 zone，每個 zone 內必須以順序的方式進行寫入，每個 zone 有其獨立的狀態機進行管理。
<img src =https://i.imgur.com/nvVxSM9.png width = 500>

> LBA 切分
> 

>順序寫
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## Zone 內部 LBA 分佈情況
zone 只支援 LBA 順序寫，所以單個 zone 內 LBA 呈現連續分佈，寫指標(WP)始終指向下一個順序寫的 LBA 位置，**如果單一 zone 內需要重複寫，需要先進行 zone reset**

## Zone Append
>The sequential write constraint imposed by the sequential write required zones of host-managed devices has implications on the host IO stack.
>
這段話的意思是**所有針對 sequential zone 的寫命令在被裝置接收和執行之前不能被重新排序，否則，將無法滿足順序寫入的要求，導致寫入錯誤。**

在更白話一點的說法是 **「順序寫入的資料來說，資料擺放的順序對於資料本身是有意義的，一旦放置的順序被改動或是錯亂的話，那這些資料就與垃圾無異。」**

但因為 **host IO stacks** 和一些指令傳輸缺乏排序的保證，造成可能無法依照 sequential zone 所期待的對 write commands 進行排序。

想要解決這個問題就必須**控制 write commands 數量為一個**，這樣的作法可以有效的避免寫入的錯誤，但無可避面的效能會因為這樣的做法而下降不少，而這個問題會在輕量的寫入操作的 workload 中特別明顯。

---

前面鋪陳那麼多接下來就來介紹我們的主角 Zone Append 吧 ~

由前面所提到的問題進而催生出 Zone Append 這樣的 command 。

> A zone append command is a write operation that specifies the first logical block of a zone as the write position. When executing the command, the device write the data within the zone indicated, but do so at the current zone write pointer position. This change in the write position is automatic and the effective write position for the data is indicated to the host through the command completion information. This mechanism allows a host to simultaneously submit several zone append operations and let the device process these in any order.

這段文字是節錄自 Zoned Storage 官網的 Doc.，他簡單敘述了 Zone Append 的執行方式 ，大致上如下所述 :
Zone Append 作為一種寫入操作，在指令的開始階段，它會**指定一個 Zone 的第一個 block**作為寫入的起始位置，指令執行時，controller 會在當前寫指標 ( WP ) 進行寫入，而寫入的位置是會自行變動的 (我認為是在指令完成時，移動 WP，來達成這個機制)，而資料寫入的位置會透過指令的完成訊息來告訴 host。

以下是 Write / Zone Append 操作情景比較 :
>In the example above, the host must issue to the same zone three different write operations for data A (4KB), B (8KB), and C (16KB).

<img src =https://i.imgur.com/9W0SaDg.png width = 500 >
![]()

* Write cmd :
* 由於被 **sequential write constraint** 所限制，只能在每個 Zone 的 write queue 的 QD (Queue Depth) = 1 時才能安全地完成，也就是說，host 必須等待一個未完成的 write 完成後才能發出下一個 write request 。

* Zone Append :
* **在 Zone Append 中，QD 將不在被限制為 1 ，也就是說 host 可以同時送出多個 request** ，但是會因指令的發送時序不同而有不同的寫入順序。

## Zone Management Commands

>Zoned storage devices also provide zone discovery and management commands as extensions of the device basic command set (which is similar to the set of commands defined for regular block devices).

可以使用下列指令管理 Zone :

* **RESET ZONE WRITE POINTER** 是 host software 用來將 zone write pointer 的位置重置到 zone 的開頭的指令。執行此指令後，所有寫入該 zone 的資料都會遺失，不能被訪問。

* **OPEN ZONE** 一個 zoned block device 可能需要 internal resources （for example, persistent zone resources）來維護每個 zone。OPEN ZONE 指令**允許應用程式明確地打開一個 zone，並向 device 表明，寫入該 zone 所需的資源應保持可用，直到該 zone 被完全寫入或使用 CLOSE ZONE 指令關閉該區為止。**

* **CLOSE ZONE** 允許應用程式明確關閉使用 OPEN ZONE 指令打開的 zone。CLOSE ZONE 向 device 表明，**用於向該 zone 寫入的資源已不再需要，可以釋放。**

* **FINISH ZONE** 允許應用程式將一個 zone write pointer 移到該 zone 的末尾，以防止對該 zone 進行任何進一步的寫操作，直到它被 reset。

## Zone States and State Transitions
> Each sequential zone of a zoned storage device has a state attribute that indicates the usage of the blocks within the zone and the device resources that zone uses. The following states are defined.
> * **Empty** None of the blocks within the zone contain valid data.
>* **Full** All of the blocks within the zone have been written or the zone has been finished by the host using the FINISH ZONE command.
>* **Implicit Open** Some blocks in the zone have recently been written by the host. The zone is using device internal resources.
>* **Closed** The device internal resources used by a zone were freed explicitly by the host through the execution of a CLOSE ZONE command, or the device implicitly freed the internal resources assigned to the zone to serve write operations targetting different zones.
>* **Read Only** The zone can only be read. This state generally corresponds to a defective state of the device, e.g. for a hard-disk, the zone is stored on a platter with a broken write head .
>* **Offline** The zone cannot be read nor written. This state generally corresponds to a defective state of the device, e.g. the storage media for the zone is not operating anymore.

把上面的內容白話翻譯一下，Zone 的狀態有以下幾個：
* **Full**：zone 被寫滿的狀態
* **Empty**：zone 內部沒有資料的狀態
* **Explicitly Opened**：對 zone 執行 open zone 指令成功後的狀態
* **Implicitly Opened**：對處於 Empty 或者 Closed 狀態的 zone 完成寫資料後的狀態
* **Closed**：還未寫滿的 zone，在 close zone 指令成功後的狀態
* **Read Only**：處於唯讀狀態的 zone
* **Offline**：zone 處於異常狀態

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###### tags: `SSD` `Zoned Storage`

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