适用范围 SUSE Linux Enterprise Server 15 SP2

4 用于块设备操作的多层超速缓存 #

多层超速缓存是一种复制的/分布式超速缓存，它至少包括两个层：一个层由速度较慢但较为廉价的旋转块设备（硬盘）表示，另一个层成本更高，但执行数据操作的速度更快（例如，SSD 闪存盘）。

SUSE Linux Enterprise Server 为闪存设备与旋转设备的超速缓存实施两种不同的解决方案：bcache 和 lvmcache。

4.1 一般术语 #

本节对在介绍超速缓存相关功能时经常用到的几个术语进行了解释：

迁移: 将逻辑块的主副本从一个设备移到另一个设备。
升级: 从慢速设备迁移到快速设备。
降级: 从快速设备迁移到慢速设备。
源设备: 大型慢速块设备。它始终包含逻辑块的副本，该副本可能已过时或者与超速缓存设备上的副本保持同步（取决于策略）。
超速缓存设备: 小型高速块设备。
元数据设备: 一个小型设备，用于记录哪些块在超速缓存中、哪些块是脏的，以及供策略对象使用的附加提示。此信息可放在超速缓存设备上，但将它隔离可让卷管理器对它进行不同的配置，例如，配置为镜像以提高稳定性。元数据设备只能由单个超速缓存设备使用。
脏块: 如果某个进程将信息写入超速缓存中的某个数据块，则该超速缓存的块将被标记为脏块，因为该块在超速缓存中已被覆盖，需要写回到原始设备。
超速缓存未命中: I/O 操作请求会先指向已超速缓存设备的超速缓存。如果找不到请求的值，则会在设备本身中查找，因此速度会变慢。这称为超速缓存未命中。
超速缓存命中: 如果在已超速缓存设备的超速缓存中找到请求的值，则可以快速提供该值。这称为超速缓存命中。
冷超速缓存: 不保存任何值（为空）且导致超速缓存未命中的超速缓存。在执行已超速缓存块设备的操作过程中，冷超速缓存中会填充数据，从而变为暖超速缓存。
暖超速缓存: 已保存了一些值并且可能会导致超速缓存命中的超速缓存。

4.2 超速缓存模式 #

下面是多层超速缓存使用的基本超速缓存模式：写回、直写、绕写和直通。

写回: 写入已超速缓存块的数据只会存入超速缓存，并且该块将标记为脏块。这是默认的超速缓存模式。
直写: 只有在同时命中源设备和超速缓存设备之后，向已超速缓存块的写入才会完成。在直写超速缓存中，干净块将保持干净状态。
绕写: 类似于直写超速缓存的一种技术，不过，写 I/O 将直接写入永久性储存，并绕过超速缓存。这可以防止超速缓存因写 I/O 而填满，导致以后不可重新读取，不过，缺点是对最近写入数据的读取请求会造成“超速缓存未命中”，因而需要从慢速大容量储存中读取这些数据，致使发生较高延迟。
直通: 要启用直通模式，超速缓存必须是干净的。将绕过超速缓存，从源设备为读取请求提供服务。写请求将转到源设备，使超速缓存块“失效”。直通允许您激活超速缓存设备时不必考虑数据一致性，而这是可以维护的。随着写操作的不断进行，超速缓存将逐渐变为冷状态。如果您以后可以校验超速缓存的一致性，或者可以使用 invalidate_cblocks 讯息来建立这种一致性，则可以在超速缓存设备仍处于暖状态时，将它切换到直写或写回模式。或者，可以在切换到所需的超速缓存模式之前，先丢弃超速缓存内容。

4.3 `bcache` #

bcache 是一个 Linux 内核块层超速缓存。它允许使用一个或多个高速磁盘驱动器（例如 SSD）作为一个或多个速度低得多的硬盘的超速缓存。bcache 支持直写和写回，不受所用文件系统的约束。默认情况下，它只超速缓存随机读取和写入，这也是 SSD 的强项。它还适合用于台式机、服务器和高端储存阵列。

4.3.1 主要功能 #

可以使用单个超速缓存设备来超速缓存任意数量的后备设备。在运行时可以挂接和分离已装入及使用中的后备设备。
在非正常关机后恢复 - 只有在超速缓存与后备设备一致后才完成写入。
SSD 拥塞时限制传至 SSD 的流量。
高效的写回实施方案。脏数据始终按排序顺序写出。
稳定可靠，可在生产环境中使用。

4.3.2 设置 `bcache` 设备 #

本节介绍设置和管理 bcache 设备的步骤。

安装 bcache-tools 包：
```
tux > sudo zypper in bcache-tools
```
创建后备设备（通常是一个机械驱动器）。后备设备可以是整个设备、一个分区或任何其他标准块设备。
```
tux > sudo make-bcache -B /dev/sdb
```
创建超速缓存设备（通常是一个 SSD 磁盘）。
```
tux > sudo make-bcache -C /dev/sdc
```
本示例使用了默认的块大小和储存桶大小，分别为 512 B 和 128 KB。块大小应与后备设备的扇区大小（通常为 512 或 4k）匹配。储存桶大小应与超速缓存设备的擦除块大小匹配，以便减少写入放大现象。例如，如果使用具有 4k 扇区的硬盘和具有 2 MB 擦除块大小的 SSD，则此命令将如下所示：
```
sudo make-bcache --block 4k --bucket 2M -C /dev/sdc
```
提示：多设备支持
make-bcache 可同时准备和注册多个后备设备与一个超速缓存设备。在这种情况下，以后您不需要将超速缓存设备手动挂接到后备设备：
```
tux > sudo make-bcache -B /dev/sda /dev/sdb -C /dev/sdc
```
bcache 设备将显示为
```
/dev/bcacheN
```
和
```
/dev/bcache/by-uuid/UUID
/dev/bcache/by-label/LABEL
```
您可以像平时一样正常格式化和装入 bcache 设备：
```
tux > sudo mkfs.ext4 /dev/bcache0
tux > sudo mount /dev/bcache0 /mnt
```
您可以在 /sys/block/bcacheN/bcache 中通过 sysfs 控制 bcache 设备。
注册超速缓存设备和后备设备后，需要将后备设备挂接到相关的超速缓存集才能启用超速缓存：
```
tux > echo CACHE_SET_UUID > /sys/block/bcache0/bcache/attach
```
其中，CACHE_SET_UUID 可在 /sys/fs/bcache 中找到。
默认情况下，bcache 使用直通超速缓存模式。要更改模式，例如，更改为写回模式，请运行
```
tux > echo writeback > /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
```

4.3.3 使用 `sysfs` 的 `bcache` 配置 #

bcache 设备使用 sysfs 接口来储存其运行时配置值。这样，您便可以更改 bcache 后备设备和超速缓存磁盘的行为，或查看其使用统计数字。

有关 bcache sysfs 参数的完整列表，请查看 /usr/src/linux/Documentation/bcache.txt 文件的内容，主要查看 SYSFS - BACKING DEVICE、SYSFS - BACKING DEVICE STATS 和 SYSFS - CACHE DEVICE 部分。

4.4 `lvmcache` #

lvmcache 是由逻辑卷 (LV) 组成的超速缓存机制。它使用 dm-cache 内核驱动程序，支持直写（默认）和写回超速缓存模式。lvmcache 可将大型慢速 LV 的部分数据动态迁移到更快、更小的 LV，从而提高其性能。有关 LVM 的详细信息，请参见第 II 部分 “逻辑卷 (LVM)”。

LVM 将小型快速 LV 称为超速缓存池 LV。大型慢速 LV 称为源 LV。由于 dm-cache 的要求，LVM 进一步将超速缓存池 LV 分割成两个设备：超速缓存数据 LV 和超速缓存元数据 LV。来自源 LV 的数据块副本保存在超速缓存数据 LV 中，以提高速度。超速缓存元数据 LV 保存记帐信息，这些信息指定数据块的储存位置。

4.4.1 配置 `lvmcache` #

本节介绍创建和配置基于 LVM 的超速缓存的步骤。

创建源 LV。创建新 LV，或使用现有 LV 作为源 LV：
```
tux > sudo lvcreate -n ORIGIN_LV -L 100G vg /dev/SLOW_DEV
```
创建超速缓存数据 LV。此 LV 将保存来自源 LV 的数据块。此 LV 的大小是超速缓存的大小，将报告为超速缓存池 LV 的大小。
```
tux > sudo lvcreate -n CACHE_DATA_LV -L 10G vg /dev/FAST
```

创建超速缓存元数据 LV。此 LV 将保存超速缓存池元数据。此 LV 的大小应该比超速缓存数据 LV 大约小 1000 倍，其最小大小为 8MB。

tux > sudo lvcreate -n CACHE_METADATA_LV -L 12M vg /dev/FAST

列出您目前为止所创建的卷：

tux > sudo lvs -a vg
LV                VG   Attr        LSize   Pool Origin
cache_data_lv     vg   -wi-a-----  10.00g
cache_metadata_lv vg   -wi-a-----  12.00m
origin_lv         vg   -wi-a----- 100.00g

创建超速缓存池 LV。将数据 LV 和元数据 LV 组合成一个超速缓存池 LV。同时还可以设置超速缓存池 LV 的行为。

CACHE_POOL_LV 与 CACHE_DATA_LV 同名。

CACHE_DATA_LV 重命名为 CACHE_DATA_LV_cdata，并且会隐藏起来。

CACHE_META_LV 重命名为 CACHE_DATA_LV_cmeta，并且会隐藏起来。

tux > sudo lvconvert --type cache-pool \
 --poolmetadata vg/cache_metadata_lv vg/cache_data_lv

tux > sudo lvs -a vg
LV                     VG   Attr       LSize   Pool Origin
cache_data_lv          vg   Cwi---C---  10.00g
[cache_data_lv_cdata]  vg   Cwi-------  10.00g
[cache_data_lv_cmeta]  vg   ewi-------  12.00m
origin_lv              vg   -wi-a----- 100.00g

创建超速缓存 LV。通过将超速缓存池 LV 链接到源 LV 来创建超速缓存 LV。

用户可访问的超速缓存 LV 与源 LV 同名，源 LV 将变成重命名为 ORIGIN_LV_corig 的隐藏 LV。

CacheLV 与 ORIGIN_LV 同名。

ORIGIN_LV 重命名为 ORIGIN_LV_corig，并且会隐藏起来。

tux > sudo lvconvert --type cache --cachepool vg/cache_data_lv vg/origin_lv

tux > sudo lvs -a vg
LV              VG   Attr       LSize   Pool   Origin
cache_data_lv          vg   Cwi---C---  10.00g
[cache_data_lv_cdata]  vg   Cwi-ao----  10.00g
[cache_data_lv_cmeta]  vg   ewi-ao----  12.00m
origin_lv              vg   Cwi-a-C--- 100.00g cache_data_lv [origin_lv_corig]
[origin_lv_corig]      vg   -wi-ao---- 100.00g

4.4.2 去除超速缓存池 #

可通过多种方法关闭 LV 超速缓存。

4.4.2.1 从超速缓存 LV 分离超速缓存池 LV #

您可以从超速缓存 LV 断开与超速缓存池 LV 的连接，留下一个未使用的超速缓存池 LV 和一个未超速缓存的源 LV。数据将根据需要从超速缓存池写回到源 LV。

tux > sudo lvconvert --splitcache vg/origin_lv

4.4.2.2 去除超速缓存池 LV 但不去除其源 LV #

以下命令会根据需要将数据从超速缓存池写回到源 LV，然后去除超速缓存池 LV，留下未超速缓存的源 LV。

tux > sudo lvremove vg/cache_data_lv

也可以使用以下替代命令从超速缓存 LV 断开与超速缓存池的连接，并删除超速缓存池：

tux > sudo lvconvert --uncache vg/origin_lv

4.4.2.3 去除源 LV 和超速缓存池 LV #

去除超速缓存 LV 会同时去除源 LV 和链接的超速缓存池 LV。

tux > sudo lvremove vg/origin_lv

4.4.2.4 更多信息 #

可以在 lvmcache 手册页 (man 7 lvmcache) 中找到有关 lvmcache 的更多主题，例如支持的超速缓存模式、冗余的子逻辑卷、超速缓存策略，或者将现有 LV 转换为超速缓存类型。