Flashcache开源混合存储方案--原理与安装

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一、Flashcache简介

Flashcache是什么?

Flashcache是Facebook技术团队的一个开源项目，最初目的是为加速MySQL的数据库引擎InnoDB，是一个开源的混合存储方案。

Flashcache解决什么问题？

Cache是容量与性能之前取平衡的结果， 以更低的成本，获得更高的收益 ，是系统设计时应该遵循的原则。

传统机械硬盘几十年来，容量不断翻倍的增长，相比较而言，性能的增长就慢的像蜗牛了。对于依赖IO性能的应用，典型的如数据库，一直在等待新的技术来拯救

Flash disk(SSD/FusionIO等)的出现，改变了这一切。Flash disk将硬盘从机械产品变成了电气产品，功耗更小，性能更好，时延更优

Flashcache原理概要

Flashcache利用了Linux的device mapping机制，将Flash disk和普通硬盘的块设备做了一层映射，在OS中变现为一块普通的磁盘，使用简单。

通过在文件系统和设备驱动之间新增了一层缓存层，用来实现对热点数据的缓存。
通常用SSD固态硬盘作为缓存，通过将传统硬盘上的热门数据缓存到SSD上，然后利用SSD优秀的读性能，来加速系统。

Flashcache的局限性

• 增加了复杂度
  • Flashcache的加入使得系统的复杂度增加了一层
• 不适用于数据量少的情况
  • 数据量不大的话，使用内存即可
• 固态硬盘的部分缺点也无法避免
  • 使用寿命

    固态硬盘虽说没有传统硬盘那样的机械结构，不存在磁头老化、磁盘坏道等问题，但由于采用了闪存作为存储介质，其有限的擦写次数是一大硬伤。以32nm工艺的闪存芯片为例，固态硬盘常见的闪存颗粒理论擦写寿命约为5000-10000次。固态硬盘相比机械硬盘还是“脆弱”了些：传统硬盘的将数据记录在磁层上，理论上可以经受无数次的读写操作而不会有磁失效的危险，显然闪存做不到这种程度。

• 数据丢失不可恢复

  如果说机械硬盘坏了还可以做数据恢复的话，固态硬盘就连这个“后悔药”都没得吃了，为什么呢？因为固态硬盘的工作原理与机械硬盘不同。传统硬盘的将数据记录在磁层上，理论上可以经受无数次的读写操作而不会有磁失效的危险，因此即便是硬盘已经损坏，仍可以通过专业工具读取磁层柱面信息来恢复。但是固态硬盘不同，其内部没有任何机械结构，数据被零散地分散在各个闪存之中，要从损坏后的闪存芯片中数据恢复，从目前来讲几乎是不可能的。因为两者存储原理不同，固态硬盘删除文件时不是像机械硬盘那样仅仅删除文件的索引，而是全部删除。

其他问题

• 经由DM处理过的请求对Flashcache来说是否是最优的？
• 本身实现时没有考虑到并行性，所有请求全部串行的。
• Flashcache缓存磁盘数据时没有区分随机或顺序I/O类型，而顺序I/O的性能并不特别占优势。

 

二、Flashcache实现机制

Device Mapper详解

Device Mapper 是Linux 2.6后内核中全面引入的块设备新架构，是一种从逻辑设备到物理设备的映射框架机制。Device mapper 进一步体现了在 Linux 内核设计中策略和机制分离的原则，将所有与策略相关的工作放到用户空间完成，内核中主要提供完成这些策略所需要的机制，即Device mapper 用户空间相关部分主要负责配置具体的策略和控制逻辑，比如逻辑设备和哪些物理设备建立映射，怎么建立这些映射关系等等，而具体过滤和重定向 IO 请求的工作由内核中相关代码完成。

Device mapper在内核中向外提供了一个从逻辑设备到物理设备的映射架构，只要用户在用户空间制定好映射策略，按照自己的需要编写处理具体IO请求的target driver插件，就可以很方便的实现一个类似LVM的逻辑卷管理器。

通过Device Mapper框架,可以统一、灵活地管理系统中所有的真实或虚拟的块设备，也可以方便的根据需要自定义并实现自己的块设备存储资源管理策略。

当前许多比较流行的 Linux 逻辑卷管理器都是基于该机制实现的：

• LVM2（Linux Volume Manager 2 version)
• EVMS(Enterprise Volume Management System)
• dmraid(Device Mapper Raid Tool)

 

 

Mapped device 是一个逻辑抽象，可以理解成为内核向外提供的逻辑设备，它通过映射表描述的映射关系和 target device 建立映射。

中间的一层赋值建立映射，定义对BIO请求的处理规则，以及Target deviced构建和删除。

最下面的Target Devices层是mapped device虚拟逻辑设备所映射的真实设备物理地址空间。

 

利用DM实现flashcache逻辑设备模型如下

 

Cache映射策略

它将SSD固态硬盘划分成预先定义大小的缓存块（将目标硬盘也划分为相同大小的硬盘块，默认大小是4KB）。同时，将每512个缓存块分为一组(set)。最后每个硬盘块映射到SSD一个确定组中的某个缓存块。

 

每个cache set的还有个超级块（super Block），存放缓存相关的信息，如缓存大小，多少缓存块等

硬盘上的块地址是磁盘块号（Disk Block Number，dbn），对硬盘的I/O请求最后都转化为一个具体的磁盘块号。将一个具体的磁盘块号映射到某一个组是直接映射。

确定了将这个磁盘块映射到一个具体组后，再将这个磁盘块号映射到该组的某一个缓存块。

这样两次映射后，硬盘上的一个块就跟固态硬盘上的一个唯一数据缓存块对应了。当上层请求下达时，根据磁盘块号来查找对应的固态硬盘上的缓存块是否已经缓存，如果是，则表示命中，可直接读写。如果没有缓存，则仍要读写硬盘，同时将该硬盘块缓存至固态硬盘上。

固态硬盘的缓存拓扑结构

元数据本身使用管理缓存数据块的，包括

超级快（super Block）：存放缓存相关的信息，如缓存大小，多少缓存块，数据缓存块的状态（上次是否正常关闭），缓存的目标设备（硬盘，阵列，逻辑卷）版本号等。

元数据块（metadata Block）：若干个元数据块，用来管理若干的缓存数据块（Data Block）

 

缓存命中和缓存未命中

缓存命中

当 I / O 操作开始从缓存而不是从非易失存储中检索数据时（如磁盘设备或子系统），缓存命中发生。除了提供来自内存的快速响应之外，缓存命中还缩短了 I / O 路径的距离。如图所示。

缓存未命中

另一种情况是，虽然搜索了缓存，但没有发现数据，因此数据必须从非易失存储读取，这就是缓存未命中。由亍搜索缓存时需要花费时间，所以缓存未命中增加了 I / O 操作的时间。缓存未命中工作过程如图所示：

 

Flashcache的读/写流程

 

 

三、Flashcache安装和配置

flashcache安装

Step 1.获取flashcache最新的源码包flashcache-master.zip并解压，进入解压后目录进行 安装

#cd flashcache-master

#make

#make install

 

Step 2.执行命令，初始化flashcache

# modprobe flashcache

 

Step 3.查看kernel message，确认是否初始化成功

# dmesg | tail

 

Flashcache调试

Step 1.调用lsblk查看块设备信息

Step 2.能使用flashcache的设备必须是没有mount到任何目录的裸磁盘，如果已经mount了，必须先执行umount命令,（umount /dev/sdb1）。 /dev/sdb1上如果没有文件系统，先执行命令mke2fs /dev/sdb1来创建文件系统。

 

Step 3.执行命令，创建flashcache 卷(这里使用了ramdisk /dev/ram0代替ssd, 必须确保该ramdisk也没有被mount)

flashcache_create相关参数说明：

-p:缓存模式
-s：缓存大小，可选项，如果未指定则整个SSD设备被用于缓存，默认的计数单位是扇区（sectors）,但是可以接受k/m/g单位。
-b：指定块大小，可选项，默认为4KB，必须为2的指数。默认单位为扇区。也可以用K作为单位，一般选4KB。
-f：强制创建，不进行检查
-m：设备元数据块大小，只有writeback需要存储metadata块，默认4K

 

Step 4.创建flashcache后，如要使用该设备，需要挂载设备,执行以下命令进行挂载

# mount /dev/mapper/ram0cache /mnt

 

Step 5.执行命令，查看flashcache 状态

# dmsetup status

 

Flashcache常用命令

创建一个新的Flashcache卷

# flashcache_create

删除一个flashcache卷

# dmsetup remove

加载一个已经存在的flashcache卷

# flashcache_load

清空一个已经存在的flashcache卷上的缓存

# flashcache_destroy

查看缓存相关的统计数据

# dmsetup status/dmsetup table

 

Flashcache命令详细解释

（1）flashcache_create

功能：创建一个新的flashcache卷。

命令语法：

flashcache_create [-v] -p back|around|thru [-s cache size] [-w] [-b block size] cachedevname ssd_devname disk_devname

-v: 查看详细情况

-p: 缓存模式 writeback，writethrough，writearound三种。

-s：缓存大小，可选项，如果未指定则整个SSD设备被用于缓存，默认的计数单位是扇区（sectors）,但是可以接受k/m/g单位。

-b：指定块大小，可选项，默认为4KB，必须为2的指数。默认单位为扇区。也可以用K作为单位，一般选4KB。

-f：强制创建，不进行检查。

-w: 写缓存模式. 只对写入缓存，不对读取缓存

举例：

flashcache_create -p back -s 1g -b 4k cachedev /dev/sdc /dev/sdb

创建一个1GB的flashcache volume，block size为4k。使用ssd/dev/sdc对磁盘/dev/sdb做缓存. flashcache volume的名字是"cachedev"。

缓存模式：

Writethrough - 最安全的模式，所有的写操作在缓存的SSD的同时，也会立刻被写入磁盘。如果SSD写的性能不如磁盘(2008-2010年生产的早期的SSD)，会限制系统写性能。所有的磁盘读操作都会被缓存(tunable)。

Writearound - 很安全，写入时绕过SSD直接写入磁盘。磁盘块只有在被读取之后才会被缓存到SSD。所有的磁盘读操作都会被缓存(tunable)。

Writeback - 最快但最不安全，数据先写到SSD，随后基于各种策略写到普通硬盘。所有的磁盘读操作都会被缓存(tunable)。

Writeonly - Writeback的变种，只缓存写，不缓存读

持久性：

Writethrough Writearound 没有持久性，在断电或重启后，缓存数据会丢失，Writeback具有持久性，在断电或重启后，缓存数据不会丢失

 

（2）flashcache_load

功能：加载一个已经存在的flashcache卷

命令语法：

flashcache_load ssd_devname [cachedev_name]

举例：flashcache_load /dev/ssd

如果想要修改已经存在的flashcache卷的名字，可以指定[cachedev_name]参数，对Writethrough和Writearound模式来说，这个命令没有用处，每次都必须重新执行flashcache_create

一般是为了重启后可继续使用。

 

(3) dmsetup remove

功能：删除/卸载一个flashcache卷

命令语法：

dmsetup remove cachedev_name

举例：

dmsetup remove cachedev

删除名为cachedev的flashcache卷

3. flashcache_destroy

功能：清空一个已经存在的flashcache卷上的缓存，所有数据都会丢失！！！

命令语法：

flashcache_destroy ssd_devname

举例：

flashcache_destroy /dev/sdc

清空/dev/sdc中的缓存. 所有数据都会丢失！！！

对Writethrough和Writearound模式来说，没有必要使用

(4) dmsetup status/dmsetup table

功能：查看缓存相关的统计数据

举例：

dmsetup status cachedev

dmsetup table cachedev

查看名为cachedev的flashcache卷中缓存信息

(5) Cache统计信息

可以使用 “dmsetup status”命令来查询cache的统计信息。

“dmsetup table”命令可以dumps出来achce相关的统计信息。

举例：

dmsetup status cachedev

dmsetup table cachedev

另外proc文件系统中也有相应的状态和错误的统计报告：

flashcache 卷的错误信息报告在

/proc/flashcache/<cache name>/flashcache_errors 里

 

四、flashcache性能研究

顺序I/O性能，Flashcache并不特别占优势。缓存该类顺序I/O，相反会浪费SSD固态盘的空间和增加负担。

IOPS (Input/Output Operations Per Second)，即每秒进行读写（I/O）操作的次数。决定IOPS的主要取决于阵列的算法，cache命中率，以及磁盘个数。

Flashcache使用SSD作为缓存，读写速度完胜普通磁盘，尤其是遇到非连续的散片数据，SSD能体现出极快的读写速度。而传统机械硬盘由于磁头寻道等原因，传输速度偏慢。

==========

SSD的顺序I/O的性能与磁盘（尤其是RAID盘）性能并不特别占优势，缓存该类顺序I/O，相反会浪费SSD固态盘的空间和负担。

 

参考文献

[1] 基于flashcache的混合存储方案设计与实现

http://www.docin/p-1009709211-f3.html

转载于:https://my.oschina/u/658505/blog/544599

本文标签： 开源原理方案Flashcache