摘要　ZNS固态硬盘（zoned namespaces solid-state drive，ZNS SSD）通过将闪存地址空间划分为多个区域（zone），在每个区域内实施顺序写入，并将传统固态硬盘中由闪存转换层（flash translation layer，FTL）管理的地址映射、垃圾回收等操作上移至主机端，有效消除了因地址映射、随机写入和过度空间预留（over-provisioning，OP）所带来的“块接口税”，为构建高性能存储系统提供了新的机遇。然而，ZNS SSD的存储范式变革也引入了新的挑战：主机端需自行管理数据放置与垃圾回收，区域划分与顺序写入约束改变了传统的I/O模型，使得基于ZNS SSD的存储系统在写入放大、并行性及数据一致性与可靠性等方面面临严峻考验。本文首先系统归纳了基于ZNS SSD的存储系统所面临的3个核心挑战，然后详细阐述了针对上述挑战的存储优化技术、研究进展及典型方案，并介绍了面向ZNS SSD的模拟仿真器与性能优化辅助工具。最后，展望了该领域的未来研究方向，包括跨层协同设计、多层次异构集成、软件堆栈优化及系统全局优化。

关键词：ZNS固态硬盘；新型存储硬件；写入放大；并行性；数据一致与可靠性

1　引言

ZNS固态硬盘（zoned namespaces solid-state drive，ZNS SSD）将闪存地址空间划分为若干区域（zone），在每个区域内仅允许顺序写入操作，并将传统固态硬盘中由闪存转换层（flash translation layer，FTL）所管理的地址映射、垃圾回收等操作上移至主机端。这一设计有效减少了传统固态硬盘因地址映射、随机写入和过度空间预留（over-provisioning，OP）而产生的“块接口税”（block interface tax）[1]。目前，ZNS规范已被正式纳入非易失性存储器高速互连（non-volatile memory express，NVMe）体系，并已出现多款遵循ZNS规范的企业级固态硬盘产品。在云计算、数据中心、高性能数据库等密集型工作负载场景中，ZNS SSD展现出良好的性能与应用潜力，受到学术界与工业界的广泛关注[2-3]。

然而，ZNS SSD在存储结构与管理方式上的革新也对基于其构建的存储系统带来了新的挑战。首先，主机端的数据放置和垃圾回收加剧了写入放大：当不同生命周期的数据混写于同一区域时，触发垃圾回收（garbage collection，GC）将产生较大的写入放大；现有后台数据处理机制（如压缩（compaction））与GC之间缺乏协同，导致数据重复迁移；不恰当的区域重置策略（过频、过早或选区不当）亦会增加数据迁移量与写入放大。其次，资源映射机制和顺序写约束限制了系统的并行性：固定区域大小与静态资源映射难以适应动态负载下的并行需求；在顺序写入约束下，区域内的并行写入将引发锁争用与多线程串行化；区域间操作的相互干扰与阻塞会导致系统性能波动。最后，现有的数据放置、同步与校验规则增大了维护数据一致性和可靠性的开销：主机端的数据放置策略可能造成介质磨损不均，缩短设备使用寿命；频繁的元数据同步导致系统崩溃恢复开销增大；在由多个ZNS SSD组成的独立硬盘冗余阵列（redundant array of independent disks，RAID）中，顺序写操作与跨盘一致性要求使校验块频繁更新，产生“部分奇偶校验税”（partial parity tax），显著增加了一致性维护开销。

针对上述写入放大、系统并行性及数据一致性与可靠性等问题，国内外研究者从多个角度对基于ZNS SSD的存储系统优化技术进行了大量探索，为构建高性能ZNS存储系统奠定了基础。本文对近年来基于ZNS SSD的存储系统优化技术的前沿研究进行了系统调研与归纳分析，主要贡献如下：

1. 挑战分析：立足于ZNS SSD的存储范式与硬件特性，系统分析了基于ZNS SSD的存储系统所面临的3个核心挑战——写入放大、并行性及数据一致与可靠性。

2. 技术综述：详细介绍了针对上述挑战的存储优化技术、研究进展与典型方案，并对现有面向ZNS SSD的模拟仿真器和性能优化辅助工具进行了归纳总结。

3. 趋势展望：对基于ZNS SSD的存储系统优化技术的未来研究方向进行了展望，指出跨层协同设计、多层次异构集成、软件堆栈优化及系统全局优化是后续亟待深入探索的重要方向。

2　核心挑战

2.1　写入放大问题

ZNS SSD将GC职责从设备端转移至主机端，虽然赋予了主机更灵活的数据管理能力，但也带来了写入放大的隐患。具体而言：①数据生命周期异构：当具有不同更新频率的数据被写入同一区域时，有效数据在GC过程中需被反复迁移，导致写入放大系数升高。②后台处理机制缺乏协同：现有的数据压缩（compaction）操作与GC过程相互独立，二者均可能对同一数据进行迁移，造成冗余的数据搬迁。③区域重置策略不当：过于频繁或过早地重置区域，以及选择非最优区域进行重置，均会增加额外的数据迁移开销，进一步加剧写入放大。

2.2　并行性受限

ZNS SSD的区域模型与顺序写入约束对系统的并行性提出了新的限制：①固定区域大小与静态映射：预设的区域尺寸和静态的资源分配策略难以匹配动态变化的工作负载，导致部分区域成为性能瓶颈，而其他区域处于空闲状态。②区域内串行化：顺序写入要求使得同一区域内的多线程并发写入必须串行化执行，引发锁竞争，限制了I/O吞吐量的提升。③区域间干扰：不同区域上的操作可能相互阻塞（例如，一个区域的GC操作占用通道带宽，影响其他区域的正常写入），导致系统性能出现波动。

2.3　数据一致性与可靠性开销

在ZNS SSD存储系统中，维护数据一致性与设备可靠性的开销显著增加：①磨损均衡挑战：主机端的数据放置策略若未考虑物理介质的磨损特性，可能导致某些闪存块被过度擦除，而其他块利用率不足，从而缩短设备整体寿命。②元数据同步开销：ZNS SSD要求主机端维护地址映射等元数据，频繁的元数据持久化同步操作在系统崩溃恢复时会带来较大的时间开销。③RAID环境下的部分奇偶校验税：在基于多块ZNS SSD构建的RAID系统中，由于顺序写入约束和跨盘一致性要求，校验块的更新无法像传统RAID那样进行覆盖写，而必须追加写入，导致校验信息频繁更新，产生额外的写入开销，即“部分奇偶校验税”。

3　存储优化技术

3.1　写入放大优化

针对写入放大问题，现有研究主要从数据放置策略、GC协同机制及区域重置优化3个方面展开。

• 数据生命周期感知的放置：通过识别数据的冷热属性，将生命周期相近的数据分配至同一区域，减少GC时的有效数据迁移量。例如，采用机器学习方法预测数据更新频率，动态调整数据布局[4]。

• GC与后台任务协同：设计统一的后台处理框架，使压缩、GC等操作共享数据迁移决策，避免重复搬迁。部分研究提出将压缩操作融入GC流程，在垃圾回收的同时完成数据整理[5]。

• 自适应区域重置：根据区域利用率、剩余空间及数据温度等指标，智能选择重置时机与目标区域，最小化数据迁移开销。

3.2　并行性优化

为突破并行性瓶颈，研究者提出了多种优化方案：

• 动态区域映射：根据实时负载特征，动态调整区域大小或重新映射逻辑区域到物理资源，以平衡各并行单元的工作负载[6]。

• 无锁写入机制：利用ZNS SSD支持的zone append原子操作，允许多个线程无需加锁即可向同一区域追加数据，消除锁争用[7]。

• I/O调度与隔离：在主机端引入精细化的I/O调度器，对区域间操作进行优先级划分与带宽隔离，减少相互干扰。例如，为GC操作预留专用区域或限制其资源占用比例[8]。

3.3　数据一致性与可靠性优化

针对一致性与可靠性挑战，现有优化技术包括：

• 磨损感知的数据放置：在主机端维护闪存块的擦除次数信息，将数据写入磨损程度较低的块，实现全局磨损均衡[9]。

• 轻量级元数据管理：采用日志结构或增量检查点技术，减少元数据同步频率；利用ZNS SSD的写序保证，简化崩溃恢复流程[10]。

• ZNS-aware RAID优化：重新设计RAID校验更新策略，如采用多阶段校验更新或校验日志技术，降低“部分奇偶校验税”；部分研究提出将校验块集中存储在专用区域，减少随机更新[11]。

3.4　模拟仿真器与辅助工具

由于ZNS SSD硬件成本较高且早期可用设备有限，模拟仿真器在研究中发挥了重要作用。典型工具包括：

• ZNS Simulator：基于离散事件模拟，支持不同区域配置、GC策略和磨损模型的性能评估[12]。

• FEMU-ZNS：在FEMU虚拟化平台上扩展ZNS指令集，提供接近真实的ZNS SSD行为模拟[13]。

• 性能优化辅助工具：如zoned-bench用于区域性能剖析，ZNS-lib提供用户态编程接口，简化ZNS应用开发[14]。

4　未来研究方向

4.1　跨层协同设计

ZNS SSD将地址映射、GC等存储管理操作从设备端上移至主机端，为系统优化提供了更大的空间。然而，仅在单一层面进行优化难以充分发挥其性能优势。未来研究应探索应用层、操作系统层与硬件层的联合优化，打破传统存储系统中各层隔离、“各自为战”的壁垒。例如，应用层可向系统暴露数据生命周期提示，操作系统据此制定区域分配策略，硬件层则提供执行反馈，形成闭环优化。

4.2　多层次异构集成

随着非易失性存储介质（如3D XPoint、CXL扩展内存）和硬件架构的持续发展，存储硬件呈现多元化趋势。单一类型的存储设备难以兼顾性能、容量和成本等多方面需求。未来研究需关注如何将ZNS SSD的优势融入异构存储体系，例如，将ZNS SSD作为高性能持久层，与DRAM或SCM构成分层存储，兼顾高速访问与大容量持久化需求。

4.3　软件堆栈优化

传统操作系统以块设备接口作为默认抽象模型，缺乏对ZNS SSD特性（顺序写入约束、区域管理）的原生支持，不仅无法充分释放硬件潜力，还可能引入额外开销与兼容性问题。未来研究应致力于改造传统存储软件堆栈，将ZNS新原语（如zone append、区域写缓冲（zone random write area，ZRWA）等）引入文件系统、设备驱动及上层应用，构建ZNS-native的软件生态。

4.4　系统全局优化

在基于ZNS SSD构建的存储系统中，主机端需同时执行GC、磨损均衡、顺序写入等多种存储管理操作，这些操作之间可能存在相互干扰（例如，GC引发的写入可能影响磨损均衡效果）。未来研究需要从全局视角探索多目标优化技术，如冷热数据动态分离、自适应数据布局、多目标调度算法等，在降低写入放大的同时兼顾并行性与可靠性。

4.5　可编程存储与开放控制

为了更充分地释放固态硬盘的并行性与介质潜力，并持续降低写入放大与GC引起的性能开销，未来固态硬盘将逐步摆脱传统“黑盒FTL”抽象，以“可编程”的方式向主机端开放数据放置等相关原语。主机端可根据工作负载特点与改造成本，选择不同粒度的设备控制权。例如，通过灵活数据放置（flexible data placement，FDP）向设备提供数据放置提示，或由ZNS同时管理数据放置与GC过程，以进一步提升系统性能。然而，控制权开放程度越高，通常意味着系统改造成本越大；而更强的生态兼容性又往往限制主机端可施加的放置调度空间。因此，“控制权开放程度”与“生态兼容性”之间的权衡将长期存在，并持续影响未来固态硬盘的优化路径与发展方向。

5　结语

本文从ZNS SSD的硬件特性与存储范式出发，系统分析了基于ZNS SSD的存储系统所面临的写入放大、并行性及数据一致与可靠性三大核心挑战。在此基础上，详细综述了针对这些挑战的存储优化技术、研究进展与典型方案，并对现有面向ZNS SSD的模拟仿真器与性能优化辅助工具进行了归纳。尽管ZNS SSD需要在主机端实现较多的存储管理逻辑，带来一定的软件改造成本，但其通过顺序写入和区域管理，在很大程度上消除了传统固态硬盘的“块接口税”，展现出良好的性能优化潜力。结合现有研究进展与发展态势，跨越存储设备、系统软件与应用的多层次协同优化有望成为未来的研究热点。未来工作可围绕跨层协同设计、多层次异构集成、软件堆栈优化及系统全局优化等方向展开，同时关注可编程存储接口带来的新机遇与挑战。