没错，这是李连杰在《中南海保镖》中的一张剧照。剧情已经很模糊，准备晚上回去怀旧一下。今天用这张图开始，是因为接下来，我们要说的话题就是NVMe中端到端数据保护功能，看看NVMe中的保镖是怎样为我们的数据保驾护航的。
我们需要保护的是数据。Host与SSD之间，数据传输的最小单元是逻辑块（Logical Block,LB），每个逻辑块大小可以是512/520/1024/2048/4096字节等，Host在格式化SSD的时候，逻辑块大小就确定了，以后两者就按这个逻辑块大小进行数据交互。
数据从Host到NVM（Non-Volatile Memory，目前一般是闪存，后面我就用闪存来代表NVM），首先要经过PCIe传输到SSD的Controller，然后Controller把数据写入到闪存；反过来，Host想从闪存上读取数据，首先SSD Controller从闪存上获得数据，然后经过PCIe把数据传送给Host。
Host与SSD之间，数据在PCIe上传输的时候，由于信道噪声的存在（说白了就是存在干扰），可能导致数据出错；另外，在SSD内部，Controller与闪存之间，数据也可能发生错误。路途凶险。为确保Host与闪存之间数据的完整性，即Host写入到闪存的数据与最初Host写的数据一致，以及Host读到的数据与最初从闪存上读上来的数据一致，NVMe提供了一个端到端数据保护功能。
除了逻辑块数据本身，NVMe还允许每个逻辑块带个助理，叫做元数据（Meta Data）。这个助理的职责，NVMe虽然没有明确的要求，但如果数据需要保护，NVMe要求这个助理必须能充当保镖的角色。
元数据有两种存在方式，一种是作为逻辑块数据的扩展，和逻辑块数据放一起存放，这是贴身保镖：
另外一种方式就是逻辑块数据放在一起，元数据单独放在别处。虽不是贴身保护，但保镖在附近时刻注意着主人的安全，属非贴身保镖：
贴身保护与否，我们不关心形式，我们只关心元数据是如何保护逻辑块数据的。NVMe要求每个逻辑块数据的保镖配备下面这把武器:
其中的”Guard”是16比特的CRC （Cyclic Redundancy Check），它是逻辑块数据算出来的；”Application Tag”和”Reference Tag”包含该数据块的逻辑地址（LBA）等信息。CRC校验能够检测出数据是否有错，后者则是保证数据不会出现张冠李戴的问题，比如我LBA X使用了LBA Y的数据，这种情况往往是SSD固件Bug导致的。Anyway，NVMe能帮你发现这个问题。
佩了保镖的数据看起来就是下面这个样子（以512字节的数据块为例）：
在Host与SSD数据传输过程中，NVMe可以让每个逻辑块数据都带上保镖，也可以让他们不带保镖，也可以在某个治安差的地方把保镖带上，然后在治安环境好的地方不用保镖。
Host往SSD写入数据，不带保镖：
什么情况下可以不带保镖？
如果你普通人一个，完全没有必要配保镖，原因有：1. 你请不起保镖；2. 谁有空来伤害你呢？3. 太平盛世。
如果是无关紧要的数据（如小电影），完全没有必要进行端到端的保护，毕竟数据保护需要传输额外的数据 （每个逻辑数据块需要至少额外8字节的数据保护信息，有效带宽减少），还需要SSD做额外的数据完整性校验（耗时，性能变差），最关键的是PCIe通道上，其数据天然就能受到保护。怎么说？
对每个TLP来说，其中有个Digest域，就是对HDR和Data进行数据保护的，本质就是CRC。这个Digest是可选的。如果使能了Digest，数据在PCIe上传输是毫无风险的，因为有便衣警察保护，在NVMe层完全没有必要进行额外的数据保护。
当然，它不能发现数据张冠李戴的问题。
Host往SSD写入数据，全程带上保镖的情况：
红色PI，Protection Information，就是传说中的保镖。NVMe居然给数据配这么一个大红显眼的保镖，我也算是服了。
Host数据通过PCIe传输到SSD Controller之间，按理来说数据已经受到PCIe的保护，但PCIe保镖也有可能不在情况，那就是TLP中Digest域可能不存在，这是PCIe允许的。这个时候，如果要保证在PCIe上数据传输的可靠性，就需要NVMe自带保镖。数据到达SSD Controller时，SSD Controller会重新计算逻辑块数据的CRC，与保镖的CRC比较，如果两者匹配，说明数据传输是没有问题的；否则，数据就是有问题的，这个时候，SSD Controller就会给Host报错。
除了CRC校验，还要检测有没有张冠李戴的问题，通过检测Reference Tag 和Application Tag，看看这个没有CRC问题的数据是不是该笔Host写命令对应的数据，如果不匹配，同样需要向Host报错。
如果数据检测没有问题，SSD Controller会把逻辑块数据和PI一同写入闪存中。这个PI一同写入到闪存中有什么意义呢？在读的时候有意义。
SSD Controller读闪存的时候，会对读上来的数据进行CRC校验，如果写入的时候带有PI，这个时候就能检测出读上来的数据是否正确，从而决定这个数据要不要传给Host。有人要说，对闪存来说，数据不是受ECC保护吗？为什么还要额外进行数据校验？没错，写入到闪存中的数据是受ECC保护，这个没有问题，但在SSD内部，数据从Controller到闪存之间，一般都要经过DRAM或者SRAM，在之前SSD Controller写入到闪存，或者这个时候从闪存读数据到SSD Controller，可能就会发生比特翻转之类的小概率事件，从而导致数据不正确。如果在NVMe层再做个CRC保护，这类数据错误就能被发现了。
除了数据在SSD内发生反转，由于固件问题，或者别的原因，还是会出现数据张冠李戴的问题：数据虽然没有CRC错误，但是它不是我们想要的数据。因此，还需要做Reference Tag和Application Tag检测。
SSD Controller通过PCIe把数据传给Host，Host端也会对数据进行校验，看SSD返回过来的数据是否有错。
Host往SSD写入数据，半程带保镖的情况：
这种情况，Host与Controller端之间是没有数据保护，因为PCIe已经能提供数据完整性保证了（TLP中的Digest使能）。但在SSD内部，Controller到闪存之间，由于乱七八糟的原因（数据反转，LBA数据不匹配），存在数据错误的可能，NVMe要求SSD Controller在把数据写入到闪存前，计算好数据的PI，然后把数据和PI一同写入到闪存。
SSD Controller读闪存的时候，会对读上来的数据进行PI校验，如果没有问题，剥除PI，然后把逻辑块数据返回给Host；如果校验失败，说明数据存在问题，SSD需要向Host报错。如下图所示：
数据端到端保护是NVMe的一个特色，其本质就是在数据块当中加入CRC和数据块对应的LBA等冗余信息，SSD Controller或者Host端利用这个这些信息进行数据校验，然后根据校验结果执行相应的操作。加入这些检错信息的好处是能让Host与SSD Controller及时发现数据错误，副作用就是：
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每个数据块需要额外的至少8字节的数据保护信息，有效带宽减少：数据块大小越小，带宽影响越大。
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SSD Controller需要做数据校验，影响性能。
但是，我觉得这二个副作用的影响是微乎其微的，跟数据安全性相比，这又算得了什么呢？
