Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/dtor/input
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / filesystems / orangefs.txt
1 ORANGEFS
2 ========
3
4 OrangeFS is an LGPL userspace scale-out parallel storage system. It is ideal
5 for large storage problems faced by HPC, BigData, Streaming Video,
6 Genomics, Bioinformatics.
7
8 Orangefs, originally called PVFS, was first developed in 1993 by
9 Walt Ligon and Eric Blumer as a parallel file system for Parallel
10 Virtual Machine (PVM) as part of a NASA grant to study the I/O patterns
11 of parallel programs.
12
13 Orangefs features include:
14
15   * Distributes file data among multiple file servers
16   * Supports simultaneous access by multiple clients
17   * Stores file data and metadata on servers using local file system
18     and access methods
19   * Userspace implementation is easy to install and maintain
20   * Direct MPI support
21   * Stateless
22
23
24 MAILING LIST
25 ============
26
27 http://beowulf-underground.org/mailman/listinfo/pvfs2-users
28
29
30 DOCUMENTATION
31 =============
32
33 http://www.orangefs.org/documentation/
34
35
36 USERSPACE FILESYSTEM SOURCE
37 ===========================
38
39 http://www.orangefs.org/download
40
41 Orangefs versions prior to 2.9.3 would not be compatible with the
42 upstream version of the kernel client.
43
44
45 BUILDING THE USERSPACE FILESYSTEM ON A SINGLE SERVER
46 ====================================================
47
48 You can omit --prefix if you don't care that things are sprinkled around in
49 /usr/local. As of version 2.9.6, Orangefs uses Berkeley DB by default, we
50 will probably be changing the default to lmdb soon.
51
52 ./configure --prefix=/opt/ofs --with-db-backend=lmdb
53
54 make
55
56 make install
57
58 Create an orangefs config file:
59 /opt/ofs/bin/pvfs2-genconfig /etc/pvfs2.conf
60
61   for "Enter hostnames", use the hostname, don't let it default to
62   localhost.
63
64 create a pvfs2tab file in /etc:
65 cat /etc/pvfs2tab
66 tcp://myhostname:3334/orangefs /mymountpoint pvfs2 defaults,noauto 0 0
67
68 create the mount point you specified in the tab file if needed:
69 mkdir /mymountpoint
70
71 bootstrap the server:
72 /opt/ofs/sbin/pvfs2-server /etc/pvfs2.conf -f
73
74 start the server:
75 /opt/osf/sbin/pvfs2-server /etc/pvfs2.conf
76
77 Now the server is running. At this point you might like to
78 prove things are working with:
79
80 /opt/osf/bin/pvfs2-ls /mymountpoint
81
82 If stuff seems to be working, turn on the client core:
83 /opt/osf/sbin/pvfs2-client -p /opt/osf/sbin/pvfs2-client-core
84
85 Mount your filesystem.
86 mount -t pvfs2 tcp://myhostname:3334/orangefs /mymountpoint
87
88
89 OPTIONS
90 =======
91
92 The following mount options are accepted:
93
94   acl
95     Allow the use of Access Control Lists on files and directories.
96
97   intr
98     Some operations between the kernel client and the user space
99     filesystem can be interruptible, such as changes in debug levels
100     and the setting of tunable parameters.
101
102   local_lock
103     Enable posix locking from the perspective of "this" kernel. The
104     default file_operations lock action is to return ENOSYS. Posix
105     locking kicks in if the filesystem is mounted with -o local_lock.
106     Distributed locking is being worked on for the future.
107
108
109 DEBUGGING
110 =========
111
112 If you want the debug (GOSSIP) statements in a particular
113 source file (inode.c for example) go to syslog:
114
115   echo inode > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
116
117 No debugging (the default):
118
119   echo none > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
120
121 Debugging from several source files:
122
123   echo inode,dir > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
124
125 All debugging:
126
127   echo all > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
128
129 Get a list of all debugging keywords:
130
131   cat /sys/kernel/debug/orangefs/debug-help
132
133
134 PROTOCOL BETWEEN KERNEL MODULE AND USERSPACE
135 ============================================
136
137 Orangefs is a user space filesystem and an associated kernel module.
138 We'll just refer to the user space part of Orangefs as "userspace"
139 from here on out. Orangefs descends from PVFS, and userspace code
140 still uses PVFS for function and variable names. Userspace typedefs
141 many of the important structures. Function and variable names in
142 the kernel module have been transitioned to "orangefs", and The Linux
143 Coding Style avoids typedefs, so kernel module structures that
144 correspond to userspace structures are not typedefed.
145
146 The kernel module implements a pseudo device that userspace
147 can read from and write to. Userspace can also manipulate the
148 kernel module through the pseudo device with ioctl.
149
150 THE BUFMAP:
151
152 At startup userspace allocates two page-size-aligned (posix_memalign)
153 mlocked memory buffers, one is used for IO and one is used for readdir
154 operations. The IO buffer is 41943040 bytes and the readdir buffer is
155 4194304 bytes. Each buffer contains logical chunks, or partitions, and
156 a pointer to each buffer is added to its own PVFS_dev_map_desc structure
157 which also describes its total size, as well as the size and number of
158 the partitions.
159
160 A pointer to the IO buffer's PVFS_dev_map_desc structure is sent to a
161 mapping routine in the kernel module with an ioctl. The structure is
162 copied from user space to kernel space with copy_from_user and is used
163 to initialize the kernel module's "bufmap" (struct orangefs_bufmap), which
164 then contains:
165
166   * refcnt - a reference counter
167   * desc_size - PVFS2_BUFMAP_DEFAULT_DESC_SIZE (4194304) - the IO buffer's
168     partition size, which represents the filesystem's block size and
169     is used for s_blocksize in super blocks.
170   * desc_count - PVFS2_BUFMAP_DEFAULT_DESC_COUNT (10) - the number of
171     partitions in the IO buffer.
172   * desc_shift - log2(desc_size), used for s_blocksize_bits in super blocks.
173   * total_size - the total size of the IO buffer.
174   * page_count - the number of 4096 byte pages in the IO buffer.
175   * page_array - a pointer to page_count * (sizeof(struct page*)) bytes
176     of kcalloced memory. This memory is used as an array of pointers
177     to each of the pages in the IO buffer through a call to get_user_pages.
178   * desc_array - a pointer to desc_count * (sizeof(struct orangefs_bufmap_desc))
179     bytes of kcalloced memory. This memory is further intialized:
180
181       user_desc is the kernel's copy of the IO buffer's ORANGEFS_dev_map_desc
182       structure. user_desc->ptr points to the IO buffer.
183
184       pages_per_desc = bufmap->desc_size / PAGE_SIZE
185       offset = 0
186
187         bufmap->desc_array[0].page_array = &bufmap->page_array[offset]
188         bufmap->desc_array[0].array_count = pages_per_desc = 1024
189         bufmap->desc_array[0].uaddr = (user_desc->ptr) + (0 * 1024 * 4096)
190         offset += 1024
191                            .
192                            .
193                            .
194         bufmap->desc_array[9].page_array = &bufmap->page_array[offset]
195         bufmap->desc_array[9].array_count = pages_per_desc = 1024
196         bufmap->desc_array[9].uaddr = (user_desc->ptr) +
197                                                (9 * 1024 * 4096)
198         offset += 1024
199
200   * buffer_index_array - a desc_count sized array of ints, used to
201     indicate which of the IO buffer's partitions are available to use.
202   * buffer_index_lock - a spinlock to protect buffer_index_array during update.
203   * readdir_index_array - a five (ORANGEFS_READDIR_DEFAULT_DESC_COUNT) element
204     int array used to indicate which of the readdir buffer's partitions are
205     available to use.
206   * readdir_index_lock - a spinlock to protect readdir_index_array during
207     update.
208
209 OPERATIONS:
210
211 The kernel module builds an "op" (struct orangefs_kernel_op_s) when it
212 needs to communicate with userspace. Part of the op contains the "upcall"
213 which expresses the request to userspace. Part of the op eventually
214 contains the "downcall" which expresses the results of the request.
215
216 The slab allocator is used to keep a cache of op structures handy.
217
218 At init time the kernel module defines and initializes a request list
219 and an in_progress hash table to keep track of all the ops that are
220 in flight at any given time.
221
222 Ops are stateful:
223
224  * unknown  - op was just initialized
225  * waiting  - op is on request_list (upward bound)
226  * inprogr  - op is in progress (waiting for downcall)
227  * serviced - op has matching downcall; ok
228  * purged   - op has to start a timer since client-core
229               exited uncleanly before servicing op
230  * given up - submitter has given up waiting for it
231
232 When some arbitrary userspace program needs to perform a
233 filesystem operation on Orangefs (readdir, I/O, create, whatever)
234 an op structure is initialized and tagged with a distinguishing ID
235 number. The upcall part of the op is filled out, and the op is
236 passed to the "service_operation" function.
237
238 Service_operation changes the op's state to "waiting", puts
239 it on the request list, and signals the Orangefs file_operations.poll
240 function through a wait queue. Userspace is polling the pseudo-device
241 and thus becomes aware of the upcall request that needs to be read.
242
243 When the Orangefs file_operations.read function is triggered, the
244 request list is searched for an op that seems ready-to-process.
245 The op is removed from the request list. The tag from the op and
246 the filled-out upcall struct are copy_to_user'ed back to userspace.
247
248 If any of these (and some additional protocol) copy_to_users fail,
249 the op's state is set to "waiting" and the op is added back to
250 the request list. Otherwise, the op's state is changed to "in progress",
251 and the op is hashed on its tag and put onto the end of a list in the
252 in_progress hash table at the index the tag hashed to.
253
254 When userspace has assembled the response to the upcall, it
255 writes the response, which includes the distinguishing tag, back to
256 the pseudo device in a series of io_vecs. This triggers the Orangefs
257 file_operations.write_iter function to find the op with the associated
258 tag and remove it from the in_progress hash table. As long as the op's
259 state is not "canceled" or "given up", its state is set to "serviced".
260 The file_operations.write_iter function returns to the waiting vfs,
261 and back to service_operation through wait_for_matching_downcall.
262
263 Service operation returns to its caller with the op's downcall
264 part (the response to the upcall) filled out.
265
266 The "client-core" is the bridge between the kernel module and
267 userspace. The client-core is a daemon. The client-core has an
268 associated watchdog daemon. If the client-core is ever signaled
269 to die, the watchdog daemon restarts the client-core. Even though
270 the client-core is restarted "right away", there is a period of
271 time during such an event that the client-core is dead. A dead client-core
272 can't be triggered by the Orangefs file_operations.poll function.
273 Ops that pass through service_operation during a "dead spell" can timeout
274 on the wait queue and one attempt is made to recycle them. Obviously,
275 if the client-core stays dead too long, the arbitrary userspace processes
276 trying to use Orangefs will be negatively affected. Waiting ops
277 that can't be serviced will be removed from the request list and
278 have their states set to "given up". In-progress ops that can't
279 be serviced will be removed from the in_progress hash table and
280 have their states set to "given up".
281
282 Readdir and I/O ops are atypical with respect to their payloads.
283
284   - readdir ops use the smaller of the two pre-allocated pre-partitioned
285     memory buffers. The readdir buffer is only available to userspace.
286     The kernel module obtains an index to a free partition before launching
287     a readdir op. Userspace deposits the results into the indexed partition
288     and then writes them to back to the pvfs device.
289
290   - io (read and write) ops use the larger of the two pre-allocated
291     pre-partitioned memory buffers. The IO buffer is accessible from
292     both userspace and the kernel module. The kernel module obtains an
293     index to a free partition before launching an io op. The kernel module
294     deposits write data into the indexed partition, to be consumed
295     directly by userspace. Userspace deposits the results of read
296     requests into the indexed partition, to be consumed directly
297     by the kernel module.
298
299 Responses to kernel requests are all packaged in pvfs2_downcall_t
300 structs. Besides a few other members, pvfs2_downcall_t contains a
301 union of structs, each of which is associated with a particular
302 response type.
303
304 The several members outside of the union are:
305  - int32_t type - type of operation.
306  - int32_t status - return code for the operation.
307  - int64_t trailer_size - 0 unless readdir operation.
308  - char *trailer_buf - initialized to NULL, used during readdir operations.
309
310 The appropriate member inside the union is filled out for any
311 particular response.
312
313   PVFS2_VFS_OP_FILE_IO
314     fill a pvfs2_io_response_t
315
316   PVFS2_VFS_OP_LOOKUP
317     fill a PVFS_object_kref
318
319   PVFS2_VFS_OP_CREATE
320     fill a PVFS_object_kref
321
322   PVFS2_VFS_OP_SYMLINK
323     fill a PVFS_object_kref
324
325   PVFS2_VFS_OP_GETATTR
326     fill in a PVFS_sys_attr_s (tons of stuff the kernel doesn't need)
327     fill in a string with the link target when the object is a symlink.
328
329   PVFS2_VFS_OP_MKDIR
330     fill a PVFS_object_kref
331
332   PVFS2_VFS_OP_STATFS
333     fill a pvfs2_statfs_response_t with useless info <g>. It is hard for
334     us to know, in a timely fashion, these statistics about our
335     distributed network filesystem.
336
337   PVFS2_VFS_OP_FS_MOUNT
338     fill a pvfs2_fs_mount_response_t which is just like a PVFS_object_kref
339     except its members are in a different order and "__pad1" is replaced
340     with "id".
341
342   PVFS2_VFS_OP_GETXATTR
343     fill a pvfs2_getxattr_response_t
344
345   PVFS2_VFS_OP_LISTXATTR
346     fill a pvfs2_listxattr_response_t
347
348   PVFS2_VFS_OP_PARAM
349     fill a pvfs2_param_response_t
350
351   PVFS2_VFS_OP_PERF_COUNT
352     fill a pvfs2_perf_count_response_t
353
354   PVFS2_VFS_OP_FSKEY
355     file a pvfs2_fs_key_response_t
356
357   PVFS2_VFS_OP_READDIR
358     jamb everything needed to represent a pvfs2_readdir_response_t into
359     the readdir buffer descriptor specified in the upcall.
360
361 Userspace uses writev() on /dev/pvfs2-req to pass responses to the requests
362 made by the kernel side.
363
364 A buffer_list containing:
365   - a pointer to the prepared response to the request from the
366     kernel (struct pvfs2_downcall_t).
367   - and also, in the case of a readdir request, a pointer to a
368     buffer containing descriptors for the objects in the target
369     directory.
370 ... is sent to the function (PINT_dev_write_list) which performs
371 the writev.
372
373 PINT_dev_write_list has a local iovec array: struct iovec io_array[10];
374
375 The first four elements of io_array are initialized like this for all
376 responses:
377
378   io_array[0].iov_base = address of local variable "proto_ver" (int32_t)
379   io_array[0].iov_len = sizeof(int32_t)
380
381   io_array[1].iov_base = address of global variable "pdev_magic" (int32_t)
382   io_array[1].iov_len = sizeof(int32_t)
383
384   io_array[2].iov_base = address of parameter "tag" (PVFS_id_gen_t)
385   io_array[2].iov_len = sizeof(int64_t)
386
387   io_array[3].iov_base = address of out_downcall member (pvfs2_downcall_t)
388                          of global variable vfs_request (vfs_request_t)
389   io_array[3].iov_len = sizeof(pvfs2_downcall_t)
390
391 Readdir responses initialize the fifth element io_array like this:
392
393   io_array[4].iov_base = contents of member trailer_buf (char *)
394                          from out_downcall member of global variable
395                          vfs_request
396   io_array[4].iov_len = contents of member trailer_size (PVFS_size)
397                         from out_downcall member of global variable
398                         vfs_request
399
400 Orangefs exploits the dcache in order to avoid sending redundant
401 requests to userspace. We keep object inode attributes up-to-date with
402 orangefs_inode_getattr. Orangefs_inode_getattr uses two arguments to
403 help it decide whether or not to update an inode: "new" and "bypass".
404 Orangefs keeps private data in an object's inode that includes a short
405 timeout value, getattr_time, which allows any iteration of
406 orangefs_inode_getattr to know how long it has been since the inode was
407 updated. When the object is not new (new == 0) and the bypass flag is not
408 set (bypass == 0) orangefs_inode_getattr returns without updating the inode
409 if getattr_time has not timed out. Getattr_time is updated each time the
410 inode is updated.
411
412 Creation of a new object (file, dir, sym-link) includes the evaluation of
413 its pathname, resulting in a negative directory entry for the object.
414 A new inode is allocated and associated with the dentry, turning it from
415 a negative dentry into a "productive full member of society". Orangefs
416 obtains the new inode from Linux with new_inode() and associates
417 the inode with the dentry by sending the pair back to Linux with
418 d_instantiate().
419
420 The evaluation of a pathname for an object resolves to its corresponding
421 dentry. If there is no corresponding dentry, one is created for it in
422 the dcache. Whenever a dentry is modified or verified Orangefs stores a
423 short timeout value in the dentry's d_time, and the dentry will be trusted
424 for that amount of time. Orangefs is a network filesystem, and objects
425 can potentially change out-of-band with any particular Orangefs kernel module
426 instance, so trusting a dentry is risky. The alternative to trusting
427 dentries is to always obtain the needed information from userspace - at
428 least a trip to the client-core, maybe to the servers. Obtaining information
429 from a dentry is cheap, obtaining it from userspace is relatively expensive,
430 hence the motivation to use the dentry when possible.
431
432 The timeout values d_time and getattr_time are jiffy based, and the
433 code is designed to avoid the jiffy-wrap problem:
434
435 "In general, if the clock may have wrapped around more than once, there
436 is no way to tell how much time has elapsed. However, if the times t1
437 and t2 are known to be fairly close, we can reliably compute the
438 difference in a way that takes into account the possibility that the
439 clock may have wrapped between times."
440
441                       from course notes by instructor Andy Wang
442