Documentation/admin-guide/device-mapper/dm-zoned.rst

   1 ========
   2 dm-zoned
   3 ========
   4
   5 The dm-zoned device mapper target exposes a zoned block device (ZBC and
   6 ZAC compliant devices) as a regular block device without any write
   7 pattern constraints. In effect, it implements a drive-managed zoned
   8 block device which hides from the user (a file system or an application
   9 doing raw block device accesses) the sequential write constraints of
  10 host-managed zoned block devices and can mitigate the potential
  11 device-side performance degradation due to excessive random writes on
  12 host-aware zoned block devices.
  13
  14 For a more detailed description of the zoned block device models and
  15 their constraints see (for SCSI devices):
  16
  17 http://www.t10.org/drafts.htm#ZBC_Family
  18
  19 and (for ATA devices):
  20
  21 http://www.t13.org/Documents/UploadedDocuments/docs2015/di537r05-Zoned_Device_ATA_Command_Set_ZAC.pdf
  22
  23 The dm-zoned implementation is simple and minimizes system overhead (CPU
  24 and memory usage as well as storage capacity loss). For a 10TB
  25 host-managed disk with 256 MB zones, dm-zoned memory usage per disk
  26 instance is at most 4.5 MB and as little as 5 zones will be used
  27 internally for storing metadata and performaing reclaim operations.
  28
  29 dm-zoned target devices are formatted and checked using the dmzadm
  30 utility available at:
  31
  32 https://github.com/hgst/dm-zoned-tools
  33
  34 Algorithm
  35 =========
  36
  37 dm-zoned implements an on-disk buffering scheme to handle non-sequential
  38 write accesses to the sequential zones of a zoned block device.
  39 Conventional zones are used for caching as well as for storing internal
  40 metadata.
  41
  42 The zones of the device are separated into 2 types:
  43
  44 1) Metadata zones: these are conventional zones used to store metadata.
  45 Metadata zones are not reported as useable capacity to the user.
  46
  47 2) Data zones: all remaining zones, the vast majority of which will be
  48 sequential zones used exclusively to store user data. The conventional
  49 zones of the device may be used also for buffering user random writes.
  50 Data in these zones may be directly mapped to the conventional zone, but
  51 later moved to a sequential zone so that the conventional zone can be
  52 reused for buffering incoming random writes.
  53
  54 dm-zoned exposes a logical device with a sector size of 4096 bytes,
  55 irrespective of the physical sector size of the backend zoned block
  56 device being used. This allows reducing the amount of metadata needed to
  57 manage valid blocks (blocks written).
  58
  59 The on-disk metadata format is as follows:
  60
  61 1) The first block of the first conventional zone found contains the
  62 super block which describes the on disk amount and position of metadata
  63 blocks.
  64
  65 2) Following the super block, a set of blocks is used to describe the
  66 mapping of the logical device blocks. The mapping is done per chunk of
  67 blocks, with the chunk size equal to the zoned block device size. The
  68 mapping table is indexed by chunk number and each mapping entry
  69 indicates the zone number of the device storing the chunk of data. Each
  70 mapping entry may also indicate if the zone number of a conventional
  71 zone used to buffer random modification to the data zone.
  72
  73 3) A set of blocks used to store bitmaps indicating the validity of
  74 blocks in the data zones follows the mapping table. A valid block is
  75 defined as a block that was written and not discarded. For a buffered
  76 data chunk, a block is always valid only in the data zone mapping the
  77 chunk or in the buffer zone of the chunk.
  78
  79 For a logical chunk mapped to a conventional zone, all write operations
  80 are processed by directly writing to the zone. If the mapping zone is a
  81 sequential zone, the write operation is processed directly only if the
  82 write offset within the logical chunk is equal to the write pointer
  83 offset within of the sequential data zone (i.e. the write operation is
  84 aligned on the zone write pointer). Otherwise, write operations are
  85 processed indirectly using a buffer zone. In that case, an unused
  86 conventional zone is allocated and assigned to the chunk being
  87 accessed. Writing a block to the buffer zone of a chunk will
  88 automatically invalidate the same block in the sequential zone mapping
  89 the chunk. If all blocks of the sequential zone become invalid, the zone
  90 is freed and the chunk buffer zone becomes the primary zone mapping the
  91 chunk, resulting in native random write performance similar to a regular
  92 block device.
  93
  94 Read operations are processed according to the block validity
  95 information provided by the bitmaps. Valid blocks are read either from
  96 the sequential zone mapping a chunk, or if the chunk is buffered, from
  97 the buffer zone assigned. If the accessed chunk has no mapping, or the
  98 accessed blocks are invalid, the read buffer is zeroed and the read
  99 operation terminated.
 100
 101 After some time, the limited number of convnetional zones available may
 102 be exhausted (all used to map chunks or buffer sequential zones) and
 103 unaligned writes to unbuffered chunks become impossible. To avoid this
 104 situation, a reclaim process regularly scans used conventional zones and
 105 tries to reclaim the least recently used zones by copying the valid
 106 blocks of the buffer zone to a free sequential zone. Once the copy
 107 completes, the chunk mapping is updated to point to the sequential zone
 108 and the buffer zone freed for reuse.
 109
 110 Metadata Protection
 111 ===================
 112
 113 To protect metadata against corruption in case of sudden power loss or
 114 system crash, 2 sets of metadata zones are used. One set, the primary
 115 set, is used as the main metadata region, while the secondary set is
 116 used as a staging area. Modified metadata is first written to the
 117 secondary set and validated by updating the super block in the secondary
 118 set, a generation counter is used to indicate that this set contains the
 119 newest metadata. Once this operation completes, in place of metadata
 120 block updates can be done in the primary metadata set. This ensures that
 121 one of the set is always consistent (all modifications committed or none
 122 at all). Flush operations are used as a commit point. Upon reception of
 123 a flush request, metadata modification activity is temporarily blocked
 124 (for both incoming BIO processing and reclaim process) and all dirty
 125 metadata blocks are staged and updated. Normal operation is then
 126 resumed. Flushing metadata thus only temporarily delays write and
 127 discard requests. Read requests can be processed concurrently while
 128 metadata flush is being executed.
 129
 130 Usage
 131 =====
 132
 133 A zoned block device must first be formatted using the dmzadm tool. This
 134 will analyze the device zone configuration, determine where to place the
 135 metadata sets on the device and initialize the metadata sets.
 136
 137 Ex::
 138
 139         dmzadm --format /dev/sdxx
 140
 141 For a formatted device, the target can be created normally with the
 142 dmsetup utility. The only parameter that dm-zoned requires is the
 143 underlying zoned block device name. Ex::
 144
 145         echo "0 `blockdev --getsize ${dev}` zoned ${dev}" | \
 146         dmsetup create dmz-`basename ${dev}`