Documentation/device-mapper/cache.txt

   1 Introduction
   2 ============
   3
   4 dm-cache is a device mapper target written by Joe Thornber, Heinz
   5 Mauelshagen, and Mike Snitzer.
   6
   7 It aims to improve performance of a block device (eg, a spindle) by
   8 dynamically migrating some of its data to a faster, smaller device
   9 (eg, an SSD).
  10
  11 This device-mapper solution allows us to insert this caching at
  12 different levels of the dm stack, for instance above the data device for
  13 a thin-provisioning pool.  Caching solutions that are integrated more
  14 closely with the virtual memory system should give better performance.
  15
  16 The target reuses the metadata library used in the thin-provisioning
  17 library.
  18
  19 The decision as to what data to migrate and when is left to a plug-in
  20 policy module.  Several of these have been written as we experiment,
  21 and we hope other people will contribute others for specific io
  22 scenarios (eg. a vm image server).
  23
  24 Glossary
  25 ========
  26
  27   Migration -  Movement of the primary copy of a logical block from one
  28                device to the other.
  29   Promotion -  Migration from slow device to fast device.
  30   Demotion  -  Migration from fast device to slow device.
  31
  32 The origin device always contains a copy of the logical block, which
  33 may be out of date or kept in sync with the copy on the cache device
  34 (depending on policy).
  35
  36 Design
  37 ======
  38
  39 Sub-devices
  40 -----------
  41
  42 The target is constructed by passing three devices to it (along with
  43 other parameters detailed later):
  44
  45 1. An origin device - the big, slow one.
  46
  47 2. A cache device - the small, fast one.
  48
  49 3. A small metadata device - records which blocks are in the cache,
  50    which are dirty, and extra hints for use by the policy object.
  51    This information could be put on the cache device, but having it
  52    separate allows the volume manager to configure it differently,
  53    e.g. as a mirror for extra robustness.  This metadata device may only
  54    be used by a single cache device.
  55
  56 Fixed block size
  57 ----------------
  58
  59 The origin is divided up into blocks of a fixed size.  This block size
  60 is configurable when you first create the cache.  Typically we've been
  61 using block sizes of 256KB - 1024KB.  The block size must be between 64
  62 sectors (32KB) and 2097152 sectors (1GB) and a multiple of 64 sectors (32KB).
  63
  64 Having a fixed block size simplifies the target a lot.  But it is
  65 something of a compromise.  For instance, a small part of a block may be
  66 getting hit a lot, yet the whole block will be promoted to the cache.
  67 So large block sizes are bad because they waste cache space.  And small
  68 block sizes are bad because they increase the amount of metadata (both
  69 in core and on disk).
  70
  71 Cache operating modes
  72 ---------------------
  73
  74 The cache has three operating modes: writeback, writethrough and
  75 passthrough.
  76
  77 If writeback, the default, is selected then a write to a block that is
  78 cached will go only to the cache and the block will be marked dirty in
  79 the metadata.
  80
  81 If writethrough is selected then a write to a cached block will not
  82 complete until it has hit both the origin and cache devices.  Clean
  83 blocks should remain clean.
  84
  85 If passthrough is selected, useful when the cache contents are not known
  86 to be coherent with the origin device, then all reads are served from
  87 the origin device (all reads miss the cache) and all writes are
  88 forwarded to the origin device; additionally, write hits cause cache
  89 block invalidates.  To enable passthrough mode the cache must be clean.
  90 Passthrough mode allows a cache device to be activated without having to
  91 worry about coherency.  Coherency that exists is maintained, although
  92 the cache will gradually cool as writes take place.  If the coherency of
  93 the cache can later be verified, or established through use of the
  94 "invalidate_cblocks" message, the cache device can be transitioned to
  95 writethrough or writeback mode while still warm.  Otherwise, the cache
  96 contents can be discarded prior to transitioning to the desired
  97 operating mode.
  98
  99 A simple cleaner policy is provided, which will clean (write back) all
 100 dirty blocks in a cache.  Useful for decommissioning a cache or when
 101 shrinking a cache.  Shrinking the cache's fast device requires all cache
 102 blocks, in the area of the cache being removed, to be clean.  If the
 103 area being removed from the cache still contains dirty blocks the resize
 104 will fail.  Care must be taken to never reduce the volume used for the
 105 cache's fast device until the cache is clean.  This is of particular
 106 importance if writeback mode is used.  Writethrough and passthrough
 107 modes already maintain a clean cache.  Future support to partially clean
 108 the cache, above a specified threshold, will allow for keeping the cache
 109 warm and in writeback mode during resize.
 110
 111 Migration throttling
 112 --------------------
 113
 114 Migrating data between the origin and cache device uses bandwidth.
 115 The user can set a throttle to prevent more than a certain amount of
 116 migration occurring at any one time.  Currently we're not taking any
 117 account of normal io traffic going to the devices.  More work needs
 118 doing here to avoid migrating during those peak io moments.
 119
 120 For the time being, a message "migration_threshold <#sectors>"
 121 can be used to set the maximum number of sectors being migrated,
 122 the default being 2048 sectors (1MB).
 123
 124 Updating on-disk metadata
 125 -------------------------
 126
 127 On-disk metadata is committed every time a FLUSH or FUA bio is written.
 128 If no such requests are made then commits will occur every second.  This
 129 means the cache behaves like a physical disk that has a volatile write
 130 cache.  If power is lost you may lose some recent writes.  The metadata
 131 should always be consistent in spite of any crash.
 132
 133 The 'dirty' state for a cache block changes far too frequently for us
 134 to keep updating it on the fly.  So we treat it as a hint.  In normal
 135 operation it will be written when the dm device is suspended.  If the
 136 system crashes all cache blocks will be assumed dirty when restarted.
 137
 138 Per-block policy hints
 139 ----------------------
 140
 141 Policy plug-ins can store a chunk of data per cache block.  It's up to
 142 the policy how big this chunk is, but it should be kept small.  Like the
 143 dirty flags this data is lost if there's a crash so a safe fallback
 144 value should always be possible.
 145
 146 Policy hints affect performance, not correctness.
 147
 148 Policy messaging
 149 ----------------
 150
 151 Policies will have different tunables, specific to each one, so we
 152 need a generic way of getting and setting these.  Device-mapper
 153 messages are used.  Refer to cache-policies.txt.
 154
 155 Discard bitset resolution
 156 -------------------------
 157
 158 We can avoid copying data during migration if we know the block has
 159 been discarded.  A prime example of this is when mkfs discards the
 160 whole block device.  We store a bitset tracking the discard state of
 161 blocks.  However, we allow this bitset to have a different block size
 162 from the cache blocks.  This is because we need to track the discard
 163 state for all of the origin device (compare with the dirty bitset
 164 which is just for the smaller cache device).
 165
 166 Target interface
 167 ================
 168
 169 Constructor
 170 -----------
 171
 172  cache <metadata dev> <cache dev> <origin dev> <block size>
 173        <#feature args> [<feature arg>]*
 174        <policy> <#policy args> [policy args]*
 175
 176  metadata dev    : fast device holding the persistent metadata
 177  cache dev       : fast device holding cached data blocks
 178  origin dev      : slow device holding original data blocks
 179  block size      : cache unit size in sectors
 180
 181  #feature args   : number of feature arguments passed
 182  feature args    : writethrough or passthrough (The default is writeback.)
 183
 184  policy          : the replacement policy to use
 185  #policy args    : an even number of arguments corresponding to
 186                    key/value pairs passed to the policy
 187  policy args     : key/value pairs passed to the policy
 188                    E.g. 'sequential_threshold 1024'
 189                    See cache-policies.txt for details.
 190
 191 Optional feature arguments are:
 192    writethrough  : write through caching that prohibits cache block
 193                    content from being different from origin block content.
 194                    Without this argument, the default behaviour is to write
 195                    back cache block contents later for performance reasons,
 196                    so they may differ from the corresponding origin blocks.
 197
 198    passthrough   : a degraded mode useful for various cache coherency
 199                    situations (e.g., rolling back snapshots of
 200                    underlying storage).  Reads and writes always go to
 201                    the origin.  If a write goes to a cached origin
 202                    block, then the cache block is invalidated.
 203                    To enable passthrough mode the cache must be clean.
 204
 205    metadata2    : use version 2 of the metadata.  This stores the dirty bits
 206                   in a separate btree, which improves speed of shutting
 207                   down the cache.
 208
 209 A policy called 'default' is always registered.  This is an alias for
 210 the policy we currently think is giving best all round performance.
 211
 212 As the default policy could vary between kernels, if you are relying on
 213 the characteristics of a specific policy, always request it by name.
 214
 215 Status
 216 ------
 217
 218 <metadata block size> <#used metadata blocks>/<#total metadata blocks>
 219 <cache block size> <#used cache blocks>/<#total cache blocks>
 220 <#read hits> <#read misses> <#write hits> <#write misses>
 221 <#demotions> <#promotions> <#dirty> <#features> <features>*
 222 <#core args> <core args>* <policy name> <#policy args> <policy args>*
 223 <cache metadata mode>
 224
 225 metadata block size      : Fixed block size for each metadata block in
 226                              sectors
 227 #used metadata blocks    : Number of metadata blocks used
 228 #total metadata blocks   : Total number of metadata blocks
 229 cache block size         : Configurable block size for the cache device
 230                              in sectors
 231 #used cache blocks       : Number of blocks resident in the cache
 232 #total cache blocks      : Total number of cache blocks
 233 #read hits               : Number of times a READ bio has been mapped
 234                              to the cache
 235 #read misses             : Number of times a READ bio has been mapped
 236                              to the origin
 237 #write hits              : Number of times a WRITE bio has been mapped
 238                              to the cache
 239 #write misses            : Number of times a WRITE bio has been
 240                              mapped to the origin
 241 #demotions               : Number of times a block has been removed
 242                              from the cache
 243 #promotions              : Number of times a block has been moved to
 244                              the cache
 245 #dirty                   : Number of blocks in the cache that differ
 246                              from the origin
 247 #feature args            : Number of feature args to follow
 248 feature args             : 'writethrough' (optional)
 249 #core args               : Number of core arguments (must be even)
 250 core args                : Key/value pairs for tuning the core
 251                              e.g. migration_threshold
 252 policy name              : Name of the policy
 253 #policy args             : Number of policy arguments to follow (must be even)
 254 policy args              : Key/value pairs e.g. sequential_threshold
 255 cache metadata mode      : ro if read-only, rw if read-write
 256         In serious cases where even a read-only mode is deemed unsafe
 257         no further I/O will be permitted and the status will just
 258         contain the string 'Fail'.  The userspace recovery tools
 259         should then be used.
 260 needs_check              : 'needs_check' if set, '-' if not set
 261         A metadata operation has failed, resulting in the needs_check
 262         flag being set in the metadata's superblock.  The metadata
 263         device must be deactivated and checked/repaired before the
 264         cache can be made fully operational again.  '-' indicates
 265         needs_check is not set.
 266
 267 Messages
 268 --------
 269
 270 Policies will have different tunables, specific to each one, so we
 271 need a generic way of getting and setting these.  Device-mapper
 272 messages are used.  (A sysfs interface would also be possible.)
 273
 274 The message format is:
 275
 276    <key> <value>
 277
 278 E.g.
 279    dmsetup message my_cache 0 sequential_threshold 1024
 280
 281
 282 Invalidation is removing an entry from the cache without writing it
 283 back.  Cache blocks can be invalidated via the invalidate_cblocks
 284 message, which takes an arbitrary number of cblock ranges.  Each cblock
 285 range's end value is "one past the end", meaning 5-10 expresses a range
 286 of values from 5 to 9.  Each cblock must be expressed as a decimal
 287 value, in the future a variant message that takes cblock ranges
 288 expressed in hexadecimal may be needed to better support efficient
 289 invalidation of larger caches.  The cache must be in passthrough mode
 290 when invalidate_cblocks is used.
 291
 292    invalidate_cblocks [<cblock>|<cblock begin>-<cblock end>]*
 293
 294 E.g.
 295    dmsetup message my_cache 0 invalidate_cblocks 2345 3456-4567 5678-6789
 296
 297 Examples
 298 ========
 299
 300 The test suite can be found here:
 301
 302 https://github.com/jthornber/device-mapper-test-suite
 303
 304 dmsetup create my_cache --table '0 41943040 cache /dev/mapper/metadata \
 305         /dev/mapper/ssd /dev/mapper/origin 512 1 writeback default 0'
 306 dmsetup create my_cache --table '0 41943040 cache /dev/mapper/metadata \
 307         /dev/mapper/ssd /dev/mapper/origin 1024 1 writeback \
 308         mq 4 sequential_threshold 1024 random_threshold 8'