Spezifikation für die NVMe-Schnittstelle Was sind Zoned Namespaces (ZNS)?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Dr. Jürgen Ehneß

Zoned Namespaces sind ein Konzept und eine Spezifikation für die NVMe-Schnittstelle von SSDs. Die Spezifikation stellt die Befehle für die Nutzung eines in Zonen unterteilten Storage auf einer SSD zur Verfügung. Dadurch lassen sich die Performance und die einer Anwendung oder einem Host bereitgestellte Speicherkapazität verbessern. Um ZNS zu nutzen, müssen Betriebssysteme und Anwendungen die Spezifikation unterstützen.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - Fotolia)

Zoned Namespaces ist eine für die Software-Schnittstelle NVM Express (NVMe) entwickelte Spezifikation. Sie ist für Solid State Drives (SSDs) vorgesehen und stellt ein Interface für den Zugriff und die Verwendung eines in Zonen unterteilten Speichers zur Verfügung. Dadurch lassen sich Daten gemäß den besonderen Eigenschaften einer SSD besser abspeichern und abrufen.

Die in Zonen aufgeteilten Namespaces verbessern die Leistung einer SSD, reduzieren das Over-Provisioning und erhöhen die Speicherkapazität. Besonders vorteilhaft ist das Konzept für sequentielle Schreib-Workloads, All-Flash-Arrays und große SSD-basierte Speichersysteme. Die Spezifikation ist vom Zone-Storage-Modell der SMR-Festplatten (Shingled Magnetic Recording) abgeleitet und in einigen Teilen ähnlich. Veröffentlicht wurde die Version 1.0 des ZNS Command Sets im Juni 2020.

Merkmale von Zoned Namespaces und Zoned Storage

Hier kurz zusammengefasst einige Merkmale von Zoned Namespaces und Zoned Storage:

  • der Adressraum des Storage ist in Zonen aufgeteilt,
  • die Zonen lassen sich sequentiell beschreiben,
  • nach Löschen durch einen Zone-Reset ist das Überschreiben der Daten möglich.

Grundsätzliches zu NVMe

NVMe ist die Abkürzung für „NVM Express“. Es handelt sich um einen im Jahr 2011 veröffentlichten Standard für eine SSD-Software-Schnittstelle. Die Schnittstelle erlaubt die Verbindung der SSD über PCI Express, ohne dass proprietäre Treiber dafür notwendig sind. Anfänglich war NVM Express für den Einsatz in Servern vorgesehen, mittlerweile verwenden auch Workstations die Schnittstelle.

Funktionsweise von ZNS

ZNS löst sich von alten Konzepten für SSDs, die versuchen, das von herkömmlichen Festplatten bekannte Block-Modell auf einem Solid State Drive abzubilden. Die Zoned Namespaces sorgen für eine andere Art von Abstraktion des physischen Speichers der SSD. Dadurch wird das Mapping logischer Datenblöcke auf dem physikalischen Speicher optimiert. So muss der Controller sich beispielsweise nicht mehr mit Random Writes beschäftigen.

Vor- und Nachteile durch ZNS

Vorteile einer SSD mit ZNS gegenüber einer herkömmlichen SSD sind beispielsweise:

  • bessere Gesamtperformance der SSD,
  • höherer Datendurchsatz und kürzere Latenzzeiten,
  • Reduktion des Over-Provisionings,
  • Erhöhung der Speicherkapazität.

Als Nachteil lässt sich aufführen, dass Betriebssysteme und Anwendungen die Spezifikation unterstützen müssen, um den zonenbasierten Namespace zu nutzen.

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