1.SMR技術的前世今生當下大數據的爆發式增長使得原有的存儲容量無法滿足用戶需求，SMR（疊瓦式磁記錄）技術由此誕生。由于垂直磁記錄技術（Perpendicular Magnetic Recording）已經逐漸達到存儲密度極限，單位存儲密度受限，已經嚴重制約云存儲的應用范圍與應用效果。同樣的磁記錄技術，通過疊加SMR技術，可以提升15%-25%的磁道密度，進一步降低單位GB成本，目前SMR盤單盤容量已經達到14TB，預計2018年下半年硬盤廠商會發布18TB SMR盤，其容量是企業市場主流使用的8TB SATA/NL_SAS盤的2倍左右。

SMR盤利用磁盤讀數據時需要的磁道寬度比寫數據時需要的磁道寬度窄的特點，在寫數據時將磁道像疊瓦片一樣，一層一層的重疊起來。SMR技術通過重疊磁道，縮小了磁道間距離，提高了單位面積存儲密度，增加了磁盤容量（如圖1）。

2. 天翼云OOS KVDisker成功突破SMR技術瓶頸目前SMR技術已成功應用在中國電信天翼云OOS（對象存儲）產品系列中，并在天翼云OOS第五代存儲產品中進行了規模商用，其成熟度得到了實踐證明。同時，天翼云計劃在OOS第六代（國家級存儲網絡）中更大規模的使用。據業內磁盤廠商了解，天翼云或是國內第一家商用SMR技術的公司，成為存儲領域創新應用的標桿案例。

1)SMR技術存在的局限與面臨的挑戰SMR技術增加了容量，降低了成本，但這種技術應用也帶來了問題與挑戰。磁道重疊后必須順序寫入，否則會對相鄰磁道的數據造成損壞。正因為如此，目前業內常用的磁盤文件系統，例如EXT/XFS等，由于需要隨機的修改數據從而無法運行在SMR磁盤上，這對SMR的應用帶來了不小的困難。據業內人士表示，目前僅有微軟Azure等極個別國際云計算巨頭有足夠的技術規模商用SMR磁盤。

應用SMR磁盤主要存在以下幾個方面的問題：

1、若采用Drive Managed SMR模式，在磁盤內部實現順序寫入，應用不需做任何修改。由于上層業務寫請求是隨機的，磁盤固件資源有限，性能無法保證，幾乎無法滿足業務需求，只適用于寫入后不再修改的歸檔數據，無法用于OOS標準存儲。據業內人士透露，曾有公司為了降低成本但又不想投入研發使用此類磁盤，導致性能過低，最終放棄使用。

2、若采用Host Managed SMR模式，將磁盤分為若干個Zone，Zone之間可以隨機寫，Zone內部必須順序寫。Host Managed SMR將Zone管理接口提供給主機，由主機保證數據的順序寫入。由于引入了新的磁盤類型、新的管理命令，所以沒有現成的文件系統可以支持，需要對文件系統進行修改或重新開發新的文件系統。目前還沒有成熟的文件系統實現了對Host Managed SMR磁盤的兼容。

3、在操作系統內核和HBA卡的兼容上需要進行嚴格的測試。不兼容的系統可能無法識別SMR磁盤，不兼容的HBA可能導致磁盤收到的SCSI命令亂序，進而導致寫入失敗。

4、垃圾回收（Garbage Collection，以下簡稱GC）：SMR磁盤要求順序寫入帶來的問題是刪除的空間不能直接重新利用，必須把有效數據移動到其他位置才能回收空間。GC會帶來寫放大，影響性能。如何合理的設計空間分配及回收算法以減少不必要的數據移動是SMR最終是否可用的一大挑戰。

5、數據重構時間久：超大容量硬盤，一旦出現故障，其數據重構時間將非常漫長，如果數據重構期間又有磁盤損壞，對于副本數較少的對象來說可能會造成數據丟失。

2）天翼云OOS如何突破SMR技術瓶頸？雖然SMR磁盤的應用存在諸多技術挑戰，但通過行業領先廠商的產品趨勢，我們能看到未來硬盤的發展方向，SMR技術將成為主流，即使未來會有諸如HAMR等進一步提升磁密度的技術出現，只要寫數據寬度大于讀數據寬度，SMR技術就會一直存在。同時，與SMR所對應的“順序寫”或許是未來的一種趨勢，因為固態盤也需要類似的機制對閃存顆粒的磨損進行平滑處理。因此天翼云OOS的研發團隊從2015年起就堅定不移的對Host Managed SMR進行自主研發。

KVDisker在OOS系統中的位置如圖2所示。其中，(1)Object層負責協議的解析及對象屬性的保存；(2)Ostor層負責對象的冗余保證；(3)KVDisker負責讀寫磁盤：對上層業務，KVDisker直接提供Key-Value API，可以很容易的接入到OOS現有系統中；對下層磁盤，KVDisker直接管理PMR和SMR磁盤，不需要文件系統。

綜上所述，KVDisker針對SMR磁盤應用中可能遇到的兼容性問題、性能問題、垃圾回收效率問題、下盤速度問題進行了針對性優化。

2.1?兼容性

天翼云聯合廠商對主流的HBA卡進行了嚴格的測試。針對可能存在的SCSI命令亂序問題，通過在應用層順序分配空間來保證指令的順序發送。

2.2?性能

在性能方面，天翼云從元數據、數據、空間分配三個維度，全面的提升了讀取、寫入、遍歷、檢索的效率。

1、元數據：對比文件系統大而全的元數據結構，KVDisker的元數據僅保存了時間戳、數據位置、校驗值等必要的數據，這樣KVDisker的元數據很小，大大的提高了檢索效率。

2、元數據保存：文件系統的元數據保存在磁盤的各個位置，導致遍歷文件慢。KVDisker的元數據有序的保存在磁盤的傳統區域，在特定測試環境下，遍歷效率比文件系統提升10倍。

3、元數據讀取：KVDisker讀取元數據只需要一次請求，不需要查找目錄，提高了讀取效率。

4、空間分配：KVDisker順序的分配空間，充分利用了磁盤順序寫入快的特性，提升寫入速度。

5、數據讀取：KVDisker直接發送SCSI指令讀取數據，對超長的數據并行發送多條SCSI指令，充分利用磁盤請求隊列，優化讀取速度。