使用bcache加速hdd的原理及简单应用示例

2024-04-07 17:28
文章标签 简单 使用 应用 原理 hdd 加速 示例 bcache

本文主要是介绍使用bcache加速hdd的原理及简单应用示例，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

bcache 是一种简单有效的方法，通过使用小容量高速磁盘（如 SSD ）让大容量的低速磁盘（通常为 HDD ）展现出与高速磁盘相近的性能。例如我们在 ceph 生产环境中，利用 bcache 将小容量的 SSD 盘作为一组大容量 HDD 的缓存，达到节省成本和提高性能的效果。

bcache内核模块仅在Linux 3.10及以上版本支持，因此使用Bcache，需要将内核升级到3.10及以上版本，并在内核配置项中打开Bcache模块。

bcache中的常用术语

  • backing device 后端存储盘，通常为低俗大容量磁盘，是实际保存数据的磁盘
  • cache device 缓存盘，通常指高速小容量磁盘
  • dirty cache 脏缓存，数据暂时只存在于缓存盘而未刷新到存储盘中
  • writeback 回写，数据写入时, 只要缓存盘写入成功, 写入请求就立即返回成功，缓存盘中的数据会定期刷写到后端存储盘中
  • writethrough 直写,数据写入时, 必须缓存盘和存储盘都写入成功, 写入请求才返回成功，因此该模式对于写入性能无提升，适用于读多写少的场景，可以保证数据的强一致性

原理简介

磁盘缓存的概念其实一直存在，比如操作系统中的内存。当从磁盘读取数据时，数据会被复制到 RAM 中。如果数据已经存在于 RAM 中，就会直接从 RAM 读取，而不是再次从磁盘读取。当数据写入磁盘时，它会先写入 RAM，然后过一会儿再写入磁盘。由于 RAM 是易失的，数据在 RAM 中停留的时间非常短。

bcache 与此类似，只是它有多种缓存操作模式。写入数据较快的模式是 writeback。它的工作方式与 RAM 相同，只不过 RAM 被 NVME SSD 设备所取代。数据可能在缓存中停留更长时间，甚至永久停留，因此存在一定的风险，例如当 SSD 损坏时，只存在于缓存中的数据会丢失，这很可能会导致整个文件系统无法访问。

bcache的简单创建

准备一块SSD（本文中为sdb，10GB）和一块HDD（本文中为sdc，100GB），在创建bcache前我们先来对两块盘的性能做简单测试：

# 在裸设备上创建文件系统并挂载
[root@ecs-91176055 /]#  mkfs.xfs /dev/sdb
meta-data=/dev/sdb               isize=512    agcount=4, agsize=655360 blks=                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1=                       crc=1        finobt=1, sparse=1, rmapbt=0=                       reflink=1    bigtime=0 inobtcount=0
data     =                       bsize=4096   blocks=2621440, imaxpct=25=                       sunit=0      swidth=0 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0, ftype=1
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
Discarding blocks...Done.[root@ecs-91176055 /]#  mkfs.xfs /dev/sdc
meta-data=/dev/sdc               isize=512    agcount=4, agsize=6553600 blks=                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1=                       crc=1        finobt=1, sparse=1, rmapbt=0=                       reflink=1    bigtime=0 inobtcount=0
data     =                       bsize=4096   blocks=26214400, imaxpct=25=                       sunit=0      swidth=0 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0, ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=12800, version=2=                       sectsz=512   sunit=0 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
Discarding blocks...Done.[root@ecs-91176055 /]#  mkdir /ssd
[root@ecs-91176055 /]#  mkdir /hdd 
[root@ecs-91176055 /]#  mount /dev/sdb /ssd
[root@ecs-91176055 /]#  mount /dev/sdc /hdd# 进行简单的读写性能测试
# ssd写性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/dev/zero of=/ssd/testfile bs=1M count=5000 oflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 32.161 s, 163 MB/s# hdd写性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/dev/zero of=/hdd/testfile bs=1M count=5000 oflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 242.547 s, 21.6 MB/s# ssd读性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/ssd/testfile of=/dev/null bs=1M count=5000 iflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 32.1591 s, 163 MB/s# hdd读性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/hdd/testfile of=/dev/null bs=1M count=5000 iflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 148.681 s, 35.3 MB/s# 测试完成卸载卷
[root@ecs-91176055 /]#  umount /dev/sdb
[root@ecs-91176055 /]#  umount /dev/sdc

我们可以得到如下数据：

写速度读速度
SSD163MB/s163MB/s
HDD21.6MB/s35.3MB/s

接下来使用sdb作cache device，sdc作backing device：

# 加载bcache内核模块
[root@ecs-91176055 ~]#  modprobe bcache
# 验证内核模块是否加载
[root@ecs-91176055 ~]#  lsmod | grep bcache
bcache                270336  0 
crc64                  16384  1 bcache# 安装bcache-tools
[root@ecs-91176055 ~]#  yum install bcache-tools -y# bcache无法使用分区或已有文件系统的磁盘，因此先使用wipefs擦除磁盘上的元数据信息
[root@ecs-91176055 ~]#  wipefs -a /dev/sdb
/dev/sdb: 4 bytes were erased at offset 0x00000000 (xfs): 58 46 53 42
[root@ecs-91176055 ~]#  wipefs -a /dev/sdc
/dev/sdc: 4 bytes were erased at offset 0x00000000 (xfs): 58 46 53 42# 创建backing device
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache make -B /dev/sdc
Name                    /dev/sdc
Label
Type                    data
UUID:                   051db5a8-0c82-4c4c-a0a9-25da423b950c
Set UUID:               e41856dc-f3ab-4672-84cf-56507d10bf9a
version:                1
block_size_in_sectors:  1
data_offset_in_sectors: 16# 注册设备
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache register /dev/sdc# 创建cache device
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache make -C /dev/sdb
Name                    /dev/sdb
Label
Type                    cache
UUID:                   8ba34ba9-ca35-4c51-ba3d-cb08e6777047
Set UUID:               2f1f6fd1-6549-4b77-9a57-0fbe0c5669aa
version:                0
nbuckets:               20480
block_size_in_sectors:  1
bucket_size_in_sectors: 1024
nr_in_set:              1
nr_this_dev:            0
first_bucket:           1
/dev/sdb blkdiscard beginning...done# 注册设备
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache register /dev/sdb# 将存储盘挂载到缓存盘
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache attach /dev/sdb /dev/sdc# 设置写入策略为writeback
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache set-cachemode /dev/sdc writeback# 查看bcache设备状态
[root@ecs-91176055 ~]#  bcache show
Name            Type            State                   Bname           AttachToDev
/dev/sdb        3 (cache)       active                  N/A             N/A
/dev/sdc        1 (data)        clean(running)          bcache0         /dev/sdb[root@ecs-91176055 /]#  mkdir /bcache 
# 挂载bcache设备
[root@ecs-91176055 /]#  mount /dev/bcache0 /bcache# bcache写性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/dev/zero of=/bcache/testfile bs=1M count=5000 oflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 65.822 s, 79 MB/s# bcache读性能
[root@ecs-91176055 /]#  dd if=/bcache/testfile of=/dev/null bs=1M count=5000 iflag=direct
5000+0 records in
5000+0 records out
5242880000 bytes (5.2 GB, 4.9 GiB) copied, 65 s, 80 MB/s

得到如下数据：

写速度读速度
SSD163MB/s163MB/s
HDD21.6MB/s35.3MB/s
bcache79MB/s80MB/s

总结

可以看到，理论上期望的 bcache 设备速度与缓存设备一样快是不可能实现的。平均而言，bcache 的速度明显较慢，但较单一HDD已经有较大提升。

以下命令提供了必要的优化，以从 bcache 设备获得更好的性能。

echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/cache/congested_write_threshold_us
echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/cache/congested_read_threshold_us
echo 600000000 > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff
echo 40 > /sys/block/bcache0/bcache/writeback_percent

有关bcache的更多信息可以参考：https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/bcache.html

这篇关于使用bcache加速hdd的原理及简单应用示例的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/883216。

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