bcache是linux内核块设备层的cache。主要是使用SSD盘在IO速度较慢的HDD盘上面做一层缓存,从而来提高HDD盘的IO速率。本期智汇华云,为大家介绍bcache原理及实践。

来源:华云公众号 更新时间:2022-05-22
bcache是linux内核块设备层的cache。主要是使用SSD盘在IO速度较慢的HDD盘上面做一层缓存,从而来提高HDD盘的IO速率。本期智汇华云,为大家介绍bcache原理及实践。

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一、前言

简单介绍下bcache,bcache是linux内核块设备层的cache。主要是使用SSD盘在IO速度较慢的HDD盘上面做一层缓存,从而来提高HDD盘的IO速率。一个缓存设备(SSD)可以同时为多个后端设备(HDD)提供缓存。既然是缓存,那自然就会想到缓存策略,bcache支持三种缓存策略:

writeback:回写策略,所有的数据将先写入缓存盘,然后等待系统将数据回写入后端数据盘中。

writethrough:直写策略(默认策略),数据将会同时写入缓存盘和后端数据盘。

writearoud:数据将直接写入后端磁盘。

Write-misses写缺失(写入的数据不在缓存中)有两种处理方式:

Write allocate方式将写入位置读入缓存,然后采用write-hit(缓存命中写入)操作。写缺失操作与读缺失操作类似。

No-write allocate方式并不将写入位置读入缓存,而是直接将数据写入存储。这种方式下,只有读操作会被缓存。

无论是Write-through还是Write-back都可以使用写缺失的两种方式之一。只是通常Write-back采用Write allocate方式,而Write-through采用No-write allocate方式;因为多次写入同一缓存时,Write allocate配合Write-back可以提升性能;而对于Write-through则没有帮助。

处理流程图:

A Write-Through cache with No-Write Allocation:

22.png

A Write-Back cache with Write Allocation:

33.png

bcache比较灵活,缓存策略可以随时修改,也可以针对不同的bcache设备设置不同的缓存策略。以下会按照安装、配置和使用这几个部分来说明具体使用bcache的过程。bcache可以大概分为两个部分,一个是linux内核模块,一个是bcache-tools,bcache内核模块在linux内核3.10及以上才支持,所以使用bcache,需要将内核升级到3.10及以上版本才行。

二、几种缓存模式

下面简单介绍下三种模式的区别:

Write-through 同时写入到SSD和HDD,并在SSD和HDD都写成功后再返回成功。Write-back 先写入到SSD,并返回成功,之后再后台同步到HDD。会带来一些稳定性风险。Write-around 直接写入到HDD。具体选择哪种模式,取决于业务对磁盘的使用方式。

以下是几种常见的决策方式:

如果对稳定性要求不高,但是对性能比较敏感,则应选择 Write-back,因其性能最高。如果对稳定性有要求,则:若是预期刚写入的数据会被较快重新读,则应使用Write-through,它在写入数据的同时,会在SSD上建立读缓存,后续读的时候速度会比较快。若是很少读之前写入的数据,则应使用Write-around,一方面能加快写入速度(只用写一份),另一方面也避免了无效数据冲刷缓存。

官网说bcache的性能完全优于flashcache,参考:

http://www.accelcloud.com/2012/04/18/linux-flashcache-and-bcache-performance-testing/

官网介绍:

https://wiki.archlinux.org/index.php/Bcache

https://bcache.evilpiepirate.org/

bcache-tools 源码:

https://evilpiepirate.org/git/bcache-tools.git

(一)、升级内核

1、官网下载内核

http://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel

注意:编译前修改.config文件开启CONFIG_BCACHE

CONFIG_BCACHE=y

2、编译内核

过程忽略

3、安装内核

# rpm  -ivh   kernel-4.18.20-1.x86_64.rpm --force

4、生成grub

# grub2-set-default  0 && grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg

5、重启

# reboot

6、加载内核

# modprobe bcache

# lsmod | grep bcache

(二)、安装bcache-tools

1、安装依赖libblkid-devel和gcc

# yum install libblkid-devel gcc -y

2、下载bcache-tools源码 下载链接为

https://github.com/g2p/bcache-tools/releases

3、解压包

# tar -zxvf bcache-tools-1.0.8.tar.gz

# cd /root/bcache-tools-1.0.8

4、安装

# make

# make install

注意:如果是ubuntu环境可以直接安装

# apt-get install bcache-tools

(三)、创建bcache设备

1、创建后端低速设备(一般是HDD、SATA盘等)

# make-bcache -B /dev/sdc

UUID:1eca911e-c9c9-4d9b-84c0-c1da023574ed

Set UUID:5cf29253-f347-435e-a3db-b99006c8e6e0

version:1

block_size:1

data_offset:16

可以看到,在sdb(HDD)磁盘下,出现了bcache0节点,这个bcache0可以理解为就是/dev/sdb磁盘了

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

对bcache0进行格式化操作了。

# mkfs.xfs /dev/bcache0

meta-data=/dev/bcache0           isize=256    agcount=4, agsize=1310720 blks

         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1

         =                       crc=0        finobt=0

data     =                       bsize=4096   blocks=5242878, imaxpct=25

         =                       sunit=0      swidth=0 blks

naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=0

log      =internal log           bsize=4096   blocks=2560, version=2

         =                       sectsz=512   sunit=0 blks, lazy-count=1

realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0

挂载目录

# mkdir /wyl

# mount /dev/bcache0 /wyl

# df -h

Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on

devtmpfs                 2.0G     0  2.0G   0% /dev

tmpfs                    2.0G     0  2.0G   0% /dev/shm

tmpfs                    2.0G  8.6M  2.0G   1% /run

tmpfs                    2.0G     0  2.0G   0% /sys/fs/cgroup

/dev/mapper/centos-root   18G  1.6G   16G   9% /

/dev/sda1                497M  170M  328M  35% /boot

tmpfs                    394M     0  394M   0% /run/user/0

/dev/bcache0              20G   33M   20G   1% /wyl

2、创建前端缓存磁盘(SSD)

#  make-bcache -C /dev/sdb

UUID:51d3daf3-ca90-4bf7-9499-79b98321c43a

Set UUID:f43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b

version:0

nbuckets:163840

block_size:1

bucket_size:1024

nr_in_set:1

nr_this_dev:0

first_bucket:1

建立映射关系 把我们创建好的后端低速设备和前端高速设备建立联系,这样高速设备才能为低速设备提供缓存作用。

首先需要获取该缓存盘(/dev/sdb)的cset.uuid,通过bcache-super-show命令查看:

# bcache-super-show /dev/sdb

sb.magicok

sb.first_sector8 [match]

sb.csumAD0668369D7EED63 [match]

sb.version3 [cache device]

dev.label(empty)

dev.uuid51d3daf3-ca90-4bf7-9499-79b98321c43a

dev.sectors_per_block1

dev.sectors_per_bucket1024

dev.cache.first_sector1024

dev.cache.cache_sectors167771136

dev.cache.total_sectors167772160

dev.cache.orderedyes

dev.cache.discardno

dev.cache.pos0

dev.cache.replacement0 [lru]

cset.uuidf43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b

备建立联

# echo "f43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b" > /sys/block/bcache0/bcache/attach

操作完成后,可以通过lsblk命令查看结果

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk /wyl

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk /wyl

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

三、快速配置方式

上面我们配置大概分了三个步骤:创建后端设备、创建前端缓存设备、建立他们之间的映射关系。

1、快速创建

# make-bcache -C /dev/sdb -B  /dev/sdc

2、查看

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk /wyl

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk /wyl

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

3、同样支持多个后端设备

# make-bcache -C /dev/sdb -B /dev/sdc /dev/sdd

四、高级功能

1、指定块大小 在make-bcache的时候加入-w和-b参数,主要是提高缓存性能

-w block size 默认2K,一般需要block size = 后端设备的扇区大小。

-b bucket size,一般需要bucket size = 前端缓存设备的erase block size大小。

2、修改缓存策略 查看缓存策略,可以看到默认的策略是writethrough,也就是直写模式

# cat /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode

[writethrough] writeback writearound none

修改缓存策略

# echo writeback > /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode

然后查看是否生效

# cat /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode

writethrough [writeback] writearound none

注:就算机器重启之后缓存策略也不会失效的。

3、查看缓存 确认所有的东西都已经正确地配置了:

# cat /sys/block/bcache0/bcache/state

输出的内容有以下可能:

no cache: 这代表你还没有绑定缓存设备到你的后端设备上

clean: 这代表一切正常,缓存是clean的

dirty: 这代表一切正常,缓存模式被设置成了writeback,缓存是dirty的

inconsistent: 这代表问题很大,后端设备与缓存设备没有同步使用一个没有缓存设备的 /dev/bcache0 的话所有的IO都会直接在后端设备上执行,等于pass-through模式。

4.IO路径跟踪

bcache会跟踪每个IO,如果IO的时间超过阈值,则旁路cache设备,直接读写backing设备。

如果你的SSD足够强大,可以不跟踪,减少跟踪的开销。

# echo 0 > /sys/fs/bcache/<cache set uuid>/congested_read_threshold_us

# echo 0 > /sys/fs/bcache/<cache set uuid>/congested_write_threshold_us

关闭旁路的另一个好处是,所有的离散读写都会经过cache设备,从而不会导致cache missing。

默认情况下当读请求超过2ms,写请求超过20ms时,旁路cache设备。

The default is 2000 us (2 milliseconds) for reads, and 20000 for writes.

5.将顺序IO也命中到cache中 打开顺序IO缓存:

# echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff

设置回默认值:

# echo 4194304   > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff

五、删除bcache

1、解除缓存盘和后端盘关系

要将缓存盘从当前的后端磁盘删除,只需将缓存盘的cset.uuid detach到bcache设备即可实现

查看ssd的cset.uuid

# bcache-super-show /dev/sdb | grep cset.uuid

cset.uuidf43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b

解除绑定

# echo f43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b > /sys/block/bcache0/bcache/detach

查看结果

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

可以看到sdb下面已经没有bcache0了。

2、删除后端盘

# umount /wyl/

# echo 1 > /sys/block/bcache0/bcache/stop

# echo 1 >/sys/fs/bcache/f43c7118-4595-49cf-a17c-1965ee939b4b/unregister

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

└─bcache0       252:0    0  200G  0 disk

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

3、验证

# lsblk

NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT

sdb               8:16   0   80G  0 disk

sr0              11:0    1 1024M  0 rom  

fd0               2:0    1    4K  0 disk

sdc               8:32   0  200G  0 disk

sda               8:0    0   80G  0 disk

├─sda2            8:2    0   79G  0 part

│ ├─centos-swap 253:1    0    4G  0 lvm  [SWAP]

│ └─centos-root 253:0    0   75G  0 lvm  /

└─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot

4、格式化磁盘

# mkfs.xfs /dev/sdb -f

# mkfs.xfs /dev/sdc -f

六、遇到的问题

1、擦除磁盘中的超级块中的数据

用磁盘作为Bcache磁盘前,请先确保磁盘是空的,或者磁盘中的数据无关紧要。如果磁盘中有文件系统,将会出现如下错误:

# make-bcache -C /dev/sdc

Device /dev/sdc already has a non-bcache superblock, remove it using wipefs and wipefs -a

擦除磁盘中的超级块信息:

# wipefs -a /dev/sdc

/dev/sdc: 2 bytes were erased at offset 0x00000438 (ext4): 53 ef

2、如果使用make-bcache命令出现了如下打印,那就说明当前磁盘已经是bcache磁盘。

# make-bcache -B /dev/sdb

Already a bcache device on /dev/sdb, overwrite with --wipe-bcache

加上 --wipe-bcache参数就可以了:

# make-bcache -B /dev/sdb --wipe-bcache

3、设备处于繁忙中

# make-bcache -C /dev/sdf -B  /dev/sdc

Can't open dev /dev/sdf: Device or resource busy

这时候应该可以看到这个lv的superblock还有信息,这就是原因。

# bcache-super-show /dev/sdf

# wipefs -af /dev/sdf

# dd if=/dev/zero of=/dev/sdf bs=1M count=512

# reboot

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