編者按：數字經濟時代，隨著數據中心規(guī)模的不斷擴大和數據量的爆發(fā)式增長，存儲技術的重要性日益顯著，?直接關系到數據中心的運行性能、效率和安全可靠。?基于平頭哥在存儲主控芯片領域的創(chuàng)新實踐，策劃推出存儲技術專欄系列——【存儲技談】，共同探討存儲發(fā)展趨勢。

在上一篇存儲技談中，我們重點闡述了平頭哥技術團隊通過軟硬件的合理分工和流程優(yōu)化等創(chuàng)新，在鎮(zhèn)岳510存儲主控芯片上實現了4μs的超低4K IO Write Latency，而在SSD（固態(tài)硬盤）主控芯片中，還有一個關于時延的重要性能指標是E2E（End-to-End，端到端）時延，也能直接影響到SSD的響應速度。

E2E時延統計一般用于測量數據從應用程序發(fā)送請求，經過SSD的處理，直到數據最終返回給應用程序所需的時間。這一過程涉及多個階段，包括命令的接收、數據的讀取/寫入、以及結果的返回等，直接反映了用戶應用在與存儲設備交互時所經歷的實際延遲，幫助開發(fā)者和用戶直觀了解SSD在實際應用中的表現。

不同階段的時延統計，能很好的幫助定位系統QoS時延問題，從而進行針對性優(yōu)化提升。從主機Host抓取E2E時延，可以界定主機側發(fā)現的長尾時延是否在盤內產生。從SSD盤內抓取E2E在IO處理路徑不同階段的分解時延，可以輔助性能調優(yōu)進行問題定位。E2E時延統計是SSD開發(fā)必不可少的一項功能。

01傳統E2E時延統計造成額外開銷和測量誤差

傳統方案中，E2E時延統計往往依賴于固件中的軟件實現。

當一個I/O命令被提交給SSD時，控制器會記錄一個時間戳；隨后，在各個處理階段，如命令解析、地址映射、實際讀寫操作等，可能會再次記錄時間戳以跟蹤進度，以計算各個分段時延；最后，當命令完成并發(fā)送CQE（Completion Queue Entry）回主機時，再進行總時延的計算。

這種統計方法不僅增加了額外的軟件開銷，并可能導致一定的測量誤差。軟件進行時間戳抓取與硬件數據處理并不同步，如果硬件的數據處理和控制信息狀態(tài)更新異步，軟件統計的I/O命令完成時間就會存在較大誤差。

02基于硬件輔助的E2E時延統計更精準高效

為了更精確且高效地進行E2E時延統計，平頭哥技術團隊在鎮(zhèn)岳510主控芯片的設計中，引入了硬件級別支持來提升效能，也即利用專用硬件模塊來自動捕獲和管理時間戳，從而避免了軟件干預帶來的額外延遲和資源消耗。

具體的系統方案包括以下四個步驟：

時間戳捕捉：

硬件可以在接收到來自主機的SQE（Submission Queue Entry）時立即記錄時間戳，并在最終將CQE送回主機之前再次記錄時間戳。

全局時間同步：

確保所有內部處理單元使用同一基準時間源，以便能夠準確地比較不同階段的時間差。

分段時延測量：

除了整體E2E時延外，還可以針對SSD內部的不同處理步驟（例如前端命令解析、FTL映射查詢、BE后端命令執(zhí)行等）硬件支持單獨進行時延統計，幫助識別性能瓶頸。

異常檢測與報告：

如果某個I/O命令的處理超過了預設的時延閾值，硬件可以觸發(fā)報警機制，將相關信息傳遞給固件進行進一步分析。

平頭哥鎮(zhèn)岳510時延統計方案示意圖

通過如上的硬件輔助方法，不僅可以獲得更加精確的E2E時延統計數據，還能有效減少因頻繁時間戳記錄而造成的系統負擔，同時提供足夠的靈活性用于后續(xù)的數據分析和性能調優(yōu)，在精確性和時效性上實現了雙重提升。

03精準的E2E時延統計可發(fā)揮重要價值

E2E時延統計的精確性和時效性，不僅影響著應用程序的響應速度，還可能對整體系統吞吐量產生重大影響。

在云計算環(huán)境中，大量用戶同時訪問存儲資源，E2E時延統計可以幫助監(jiān)測數據傳輸的效率，對于平衡負載和保證響應時間至關重要；在科學計算或模擬等高性能計算應用中，E2E時延統計能夠確保數據交換的高效性，減少計算等待時間，從而加速整體計算效率；而在金融交易、視頻流處理和在線游戲等實時數據分析和處理的場景中，實時監(jiān)測E2E時延有助于確保系統的高可用性和快速響應。

隨著應用場景的不斷擴展，通過優(yōu)化SSD主控產品中的E2E時延統計，能夠顯著提升性能，同時，基于這些數據的深入分析與應用也可以為終端用戶帶來更優(yōu)質的體驗。因此，關注和優(yōu)化E2E時延統計不僅是提升系統性能的必要舉措，也是增強用戶體驗的重要手段。

平頭哥鎮(zhèn)岳510通過創(chuàng)新的E2E時延統計方案，有效地提升了SSD在實際應用中的響應速度和性能表現，從而為云計算、數據庫、人工智能等場景提供領先的存儲服務支持。

更多技術亮點和創(chuàng)新方案，后續(xù)我們將持續(xù)展開闡釋，敬請關注。