Merge tag 'leds-5.17-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/pavel...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / admin-guide / device-mapper / thin-provisioning.rst
1 =================
2 Thin provisioning
3 =================
4
5 Introduction
6 ============
7
8 This document describes a collection of device-mapper targets that
9 between them implement thin-provisioning and snapshots.
10
11 The main highlight of this implementation, compared to the previous
12 implementation of snapshots, is that it allows many virtual devices to
13 be stored on the same data volume.  This simplifies administration and
14 allows the sharing of data between volumes, thus reducing disk usage.
15
16 Another significant feature is support for an arbitrary depth of
17 recursive snapshots (snapshots of snapshots of snapshots ...).  The
18 previous implementation of snapshots did this by chaining together
19 lookup tables, and so performance was O(depth).  This new
20 implementation uses a single data structure to avoid this degradation
21 with depth.  Fragmentation may still be an issue, however, in some
22 scenarios.
23
24 Metadata is stored on a separate device from data, giving the
25 administrator some freedom, for example to:
26
27 - Improve metadata resilience by storing metadata on a mirrored volume
28   but data on a non-mirrored one.
29
30 - Improve performance by storing the metadata on SSD.
31
32 Status
33 ======
34
35 These targets are considered safe for production use.  But different use
36 cases will have different performance characteristics, for example due
37 to fragmentation of the data volume.
38
39 If you find this software is not performing as expected please mail
40 dm-devel@redhat.com with details and we'll try our best to improve
41 things for you.
42
43 Userspace tools for checking and repairing the metadata have been fully
44 developed and are available as 'thin_check' and 'thin_repair'.  The name
45 of the package that provides these utilities varies by distribution (on
46 a Red Hat distribution it is named 'device-mapper-persistent-data').
47
48 Cookbook
49 ========
50
51 This section describes some quick recipes for using thin provisioning.
52 They use the dmsetup program to control the device-mapper driver
53 directly.  End users will be advised to use a higher-level volume
54 manager such as LVM2 once support has been added.
55
56 Pool device
57 -----------
58
59 The pool device ties together the metadata volume and the data volume.
60 It maps I/O linearly to the data volume and updates the metadata via
61 two mechanisms:
62
63 - Function calls from the thin targets
64
65 - Device-mapper 'messages' from userspace which control the creation of new
66   virtual devices amongst other things.
67
68 Setting up a fresh pool device
69 ------------------------------
70
71 Setting up a pool device requires a valid metadata device, and a
72 data device.  If you do not have an existing metadata device you can
73 make one by zeroing the first 4k to indicate empty metadata.
74
75     dd if=/dev/zero of=$metadata_dev bs=4096 count=1
76
77 The amount of metadata you need will vary according to how many blocks
78 are shared between thin devices (i.e. through snapshots).  If you have
79 less sharing than average you'll need a larger-than-average metadata device.
80
81 As a guide, we suggest you calculate the number of bytes to use in the
82 metadata device as 48 * $data_dev_size / $data_block_size but round it up
83 to 2MB if the answer is smaller.  If you're creating large numbers of
84 snapshots which are recording large amounts of change, you may find you
85 need to increase this.
86
87 The largest size supported is 16GB: If the device is larger,
88 a warning will be issued and the excess space will not be used.
89
90 Reloading a pool table
91 ----------------------
92
93 You may reload a pool's table, indeed this is how the pool is resized
94 if it runs out of space.  (N.B. While specifying a different metadata
95 device when reloading is not forbidden at the moment, things will go
96 wrong if it does not route I/O to exactly the same on-disk location as
97 previously.)
98
99 Using an existing pool device
100 -----------------------------
101
102 ::
103
104     dmsetup create pool \
105         --table "0 20971520 thin-pool $metadata_dev $data_dev \
106                  $data_block_size $low_water_mark"
107
108 $data_block_size gives the smallest unit of disk space that can be
109 allocated at a time expressed in units of 512-byte sectors.
110 $data_block_size must be between 128 (64KB) and 2097152 (1GB) and a
111 multiple of 128 (64KB).  $data_block_size cannot be changed after the
112 thin-pool is created.  People primarily interested in thin provisioning
113 may want to use a value such as 1024 (512KB).  People doing lots of
114 snapshotting may want a smaller value such as 128 (64KB).  If you are
115 not zeroing newly-allocated data, a larger $data_block_size in the
116 region of 256000 (128MB) is suggested.
117
118 $low_water_mark is expressed in blocks of size $data_block_size.  If
119 free space on the data device drops below this level then a dm event
120 will be triggered which a userspace daemon should catch allowing it to
121 extend the pool device.  Only one such event will be sent.
122
123 No special event is triggered if a just resumed device's free space is below
124 the low water mark. However, resuming a device always triggers an
125 event; a userspace daemon should verify that free space exceeds the low
126 water mark when handling this event.
127
128 A low water mark for the metadata device is maintained in the kernel and
129 will trigger a dm event if free space on the metadata device drops below
130 it.
131
132 Updating on-disk metadata
133 -------------------------
134
135 On-disk metadata is committed every time a FLUSH or FUA bio is written.
136 If no such requests are made then commits will occur every second.  This
137 means the thin-provisioning target behaves like a physical disk that has
138 a volatile write cache.  If power is lost you may lose some recent
139 writes.  The metadata should always be consistent in spite of any crash.
140
141 If data space is exhausted the pool will either error or queue IO
142 according to the configuration (see: error_if_no_space).  If metadata
143 space is exhausted or a metadata operation fails: the pool will error IO
144 until the pool is taken offline and repair is performed to 1) fix any
145 potential inconsistencies and 2) clear the flag that imposes repair.
146 Once the pool's metadata device is repaired it may be resized, which
147 will allow the pool to return to normal operation.  Note that if a pool
148 is flagged as needing repair, the pool's data and metadata devices
149 cannot be resized until repair is performed.  It should also be noted
150 that when the pool's metadata space is exhausted the current metadata
151 transaction is aborted.  Given that the pool will cache IO whose
152 completion may have already been acknowledged to upper IO layers
153 (e.g. filesystem) it is strongly suggested that consistency checks
154 (e.g. fsck) be performed on those layers when repair of the pool is
155 required.
156
157 Thin provisioning
158 -----------------
159
160 i) Creating a new thinly-provisioned volume.
161
162   To create a new thinly- provisioned volume you must send a message to an
163   active pool device, /dev/mapper/pool in this example::
164
165     dmsetup message /dev/mapper/pool 0 "create_thin 0"
166
167   Here '0' is an identifier for the volume, a 24-bit number.  It's up
168   to the caller to allocate and manage these identifiers.  If the
169   identifier is already in use, the message will fail with -EEXIST.
170
171 ii) Using a thinly-provisioned volume.
172
173   Thinly-provisioned volumes are activated using the 'thin' target::
174
175     dmsetup create thin --table "0 2097152 thin /dev/mapper/pool 0"
176
177   The last parameter is the identifier for the thinp device.
178
179 Internal snapshots
180 ------------------
181
182 i) Creating an internal snapshot.
183
184   Snapshots are created with another message to the pool.
185
186   N.B.  If the origin device that you wish to snapshot is active, you
187   must suspend it before creating the snapshot to avoid corruption.
188   This is NOT enforced at the moment, so please be careful!
189
190   ::
191
192     dmsetup suspend /dev/mapper/thin
193     dmsetup message /dev/mapper/pool 0 "create_snap 1 0"
194     dmsetup resume /dev/mapper/thin
195
196   Here '1' is the identifier for the volume, a 24-bit number.  '0' is the
197   identifier for the origin device.
198
199 ii) Using an internal snapshot.
200
201   Once created, the user doesn't have to worry about any connection
202   between the origin and the snapshot.  Indeed the snapshot is no
203   different from any other thinly-provisioned device and can be
204   snapshotted itself via the same method.  It's perfectly legal to
205   have only one of them active, and there's no ordering requirement on
206   activating or removing them both.  (This differs from conventional
207   device-mapper snapshots.)
208
209   Activate it exactly the same way as any other thinly-provisioned volume::
210
211     dmsetup create snap --table "0 2097152 thin /dev/mapper/pool 1"
212
213 External snapshots
214 ------------------
215
216 You can use an external **read only** device as an origin for a
217 thinly-provisioned volume.  Any read to an unprovisioned area of the
218 thin device will be passed through to the origin.  Writes trigger
219 the allocation of new blocks as usual.
220
221 One use case for this is VM hosts that want to run guests on
222 thinly-provisioned volumes but have the base image on another device
223 (possibly shared between many VMs).
224
225 You must not write to the origin device if you use this technique!
226 Of course, you may write to the thin device and take internal snapshots
227 of the thin volume.
228
229 i) Creating a snapshot of an external device
230
231   This is the same as creating a thin device.
232   You don't mention the origin at this stage.
233
234   ::
235
236     dmsetup message /dev/mapper/pool 0 "create_thin 0"
237
238 ii) Using a snapshot of an external device.
239
240   Append an extra parameter to the thin target specifying the origin::
241
242     dmsetup create snap --table "0 2097152 thin /dev/mapper/pool 0 /dev/image"
243
244   N.B. All descendants (internal snapshots) of this snapshot require the
245   same extra origin parameter.
246
247 Deactivation
248 ------------
249
250 All devices using a pool must be deactivated before the pool itself
251 can be.
252
253 ::
254
255     dmsetup remove thin
256     dmsetup remove snap
257     dmsetup remove pool
258
259 Reference
260 =========
261
262 'thin-pool' target
263 ------------------
264
265 i) Constructor
266
267     ::
268
269       thin-pool <metadata dev> <data dev> <data block size (sectors)> \
270                 <low water mark (blocks)> [<number of feature args> [<arg>]*]
271
272     Optional feature arguments:
273
274       skip_block_zeroing:
275         Skip the zeroing of newly-provisioned blocks.
276
277       ignore_discard:
278         Disable discard support.
279
280       no_discard_passdown:
281         Don't pass discards down to the underlying
282         data device, but just remove the mapping.
283
284       read_only:
285                  Don't allow any changes to be made to the pool
286                  metadata.  This mode is only available after the
287                  thin-pool has been created and first used in full
288                  read/write mode.  It cannot be specified on initial
289                  thin-pool creation.
290
291       error_if_no_space:
292         Error IOs, instead of queueing, if no space.
293
294     Data block size must be between 64KB (128 sectors) and 1GB
295     (2097152 sectors) inclusive.
296
297
298 ii) Status
299
300     ::
301
302       <transaction id> <used metadata blocks>/<total metadata blocks>
303       <used data blocks>/<total data blocks> <held metadata root>
304       ro|rw|out_of_data_space [no_]discard_passdown [error|queue]_if_no_space
305       needs_check|- metadata_low_watermark
306
307     transaction id:
308         A 64-bit number used by userspace to help synchronise with metadata
309         from volume managers.
310
311     used data blocks / total data blocks
312         If the number of free blocks drops below the pool's low water mark a
313         dm event will be sent to userspace.  This event is edge-triggered and
314         it will occur only once after each resume so volume manager writers
315         should register for the event and then check the target's status.
316
317     held metadata root:
318         The location, in blocks, of the metadata root that has been
319         'held' for userspace read access.  '-' indicates there is no
320         held root.
321
322     discard_passdown|no_discard_passdown
323         Whether or not discards are actually being passed down to the
324         underlying device.  When this is enabled when loading the table,
325         it can get disabled if the underlying device doesn't support it.
326
327     ro|rw|out_of_data_space
328         If the pool encounters certain types of device failures it will
329         drop into a read-only metadata mode in which no changes to
330         the pool metadata (like allocating new blocks) are permitted.
331
332         In serious cases where even a read-only mode is deemed unsafe
333         no further I/O will be permitted and the status will just
334         contain the string 'Fail'.  The userspace recovery tools
335         should then be used.
336
337     error_if_no_space|queue_if_no_space
338         If the pool runs out of data or metadata space, the pool will
339         either queue or error the IO destined to the data device.  The
340         default is to queue the IO until more space is added or the
341         'no_space_timeout' expires.  The 'no_space_timeout' dm-thin-pool
342         module parameter can be used to change this timeout -- it
343         defaults to 60 seconds but may be disabled using a value of 0.
344
345     needs_check
346         A metadata operation has failed, resulting in the needs_check
347         flag being set in the metadata's superblock.  The metadata
348         device must be deactivated and checked/repaired before the
349         thin-pool can be made fully operational again.  '-' indicates
350         needs_check is not set.
351
352     metadata_low_watermark:
353         Value of metadata low watermark in blocks.  The kernel sets this
354         value internally but userspace needs to know this value to
355         determine if an event was caused by crossing this threshold.
356
357 iii) Messages
358
359     create_thin <dev id>
360         Create a new thinly-provisioned device.
361         <dev id> is an arbitrary unique 24-bit identifier chosen by
362         the caller.
363
364     create_snap <dev id> <origin id>
365         Create a new snapshot of another thinly-provisioned device.
366         <dev id> is an arbitrary unique 24-bit identifier chosen by
367         the caller.
368         <origin id> is the identifier of the thinly-provisioned device
369         of which the new device will be a snapshot.
370
371     delete <dev id>
372         Deletes a thin device.  Irreversible.
373
374     set_transaction_id <current id> <new id>
375         Userland volume managers, such as LVM, need a way to
376         synchronise their external metadata with the internal metadata of the
377         pool target.  The thin-pool target offers to store an
378         arbitrary 64-bit transaction id and return it on the target's
379         status line.  To avoid races you must provide what you think
380         the current transaction id is when you change it with this
381         compare-and-swap message.
382
383     reserve_metadata_snap
384         Reserve a copy of the data mapping btree for use by userland.
385         This allows userland to inspect the mappings as they were when
386         this message was executed.  Use the pool's status command to
387         get the root block associated with the metadata snapshot.
388
389     release_metadata_snap
390         Release a previously reserved copy of the data mapping btree.
391
392 'thin' target
393 -------------
394
395 i) Constructor
396
397     ::
398
399         thin <pool dev> <dev id> [<external origin dev>]
400
401     pool dev:
402         the thin-pool device, e.g. /dev/mapper/my_pool or 253:0
403
404     dev id:
405         the internal device identifier of the device to be
406         activated.
407
408     external origin dev:
409         an optional block device outside the pool to be treated as a
410         read-only snapshot origin: reads to unprovisioned areas of the
411         thin target will be mapped to this device.
412
413 The pool doesn't store any size against the thin devices.  If you
414 load a thin target that is smaller than you've been using previously,
415 then you'll have no access to blocks mapped beyond the end.  If you
416 load a target that is bigger than before, then extra blocks will be
417 provisioned as and when needed.
418
419 ii) Status
420
421     <nr mapped sectors> <highest mapped sector>
422         If the pool has encountered device errors and failed, the status
423         will just contain the string 'Fail'.  The userspace recovery
424         tools should then be used.
425
426     In the case where <nr mapped sectors> is 0, there is no highest
427     mapped sector and the value of <highest mapped sector> is unspecified.