Merge tag 'kvmarm-5.8' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/kvmarm/kvmarm...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / orangefs.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ========
4 ORANGEFS
5 ========
6
7 OrangeFS is an LGPL userspace scale-out parallel storage system. It is ideal
8 for large storage problems faced by HPC, BigData, Streaming Video,
9 Genomics, Bioinformatics.
10
11 Orangefs, originally called PVFS, was first developed in 1993 by
12 Walt Ligon and Eric Blumer as a parallel file system for Parallel
13 Virtual Machine (PVM) as part of a NASA grant to study the I/O patterns
14 of parallel programs.
15
16 Orangefs features include:
17
18   * Distributes file data among multiple file servers
19   * Supports simultaneous access by multiple clients
20   * Stores file data and metadata on servers using local file system
21     and access methods
22   * Userspace implementation is easy to install and maintain
23   * Direct MPI support
24   * Stateless
25
26
27 Mailing List Archives
28 =====================
29
30 http://lists.orangefs.org/pipermail/devel_lists.orangefs.org/
31
32
33 Mailing List Submissions
34 ========================
35
36 devel@lists.orangefs.org
37
38
39 Documentation
40 =============
41
42 http://www.orangefs.org/documentation/
43
44 Running ORANGEFS On a Single Server
45 ===================================
46
47 OrangeFS is usually run in large installations with multiple servers and
48 clients, but a complete filesystem can be run on a single machine for
49 development and testing.
50
51 On Fedora, install orangefs and orangefs-server::
52
53     dnf -y install orangefs orangefs-server
54
55 There is an example server configuration file in
56 /etc/orangefs/orangefs.conf.  Change localhost to your hostname if
57 necessary.
58
59 To generate a filesystem to run xfstests against, see below.
60
61 There is an example client configuration file in /etc/pvfs2tab.  It is a
62 single line.  Uncomment it and change the hostname if necessary.  This
63 controls clients which use libpvfs2.  This does not control the
64 pvfs2-client-core.
65
66 Create the filesystem::
67
68     pvfs2-server -f /etc/orangefs/orangefs.conf
69
70 Start the server::
71
72     systemctl start orangefs-server
73
74 Test the server::
75
76     pvfs2-ping -m /pvfsmnt
77
78 Start the client.  The module must be compiled in or loaded before this
79 point::
80
81     systemctl start orangefs-client
82
83 Mount the filesystem::
84
85     mount -t pvfs2 tcp://localhost:3334/orangefs /pvfsmnt
86
87 Userspace Filesystem Source
88 ===========================
89
90 http://www.orangefs.org/download
91
92 Orangefs versions prior to 2.9.3 would not be compatible with the
93 upstream version of the kernel client.
94
95
96 Building ORANGEFS on a Single Server
97 ====================================
98
99 Where OrangeFS cannot be installed from distribution packages, it may be
100 built from source.
101
102 You can omit --prefix if you don't care that things are sprinkled around
103 in /usr/local.  As of version 2.9.6, OrangeFS uses Berkeley DB by
104 default, we will probably be changing the default to LMDB soon.
105
106 ::
107
108     ./configure --prefix=/opt/ofs --with-db-backend=lmdb --disable-usrint
109
110     make
111
112     make install
113
114 Create an orangefs config file by running pvfs2-genconfig and
115 specifying a target config file. Pvfs2-genconfig will prompt you
116 through. Generally it works fine to take the defaults, but you
117 should use your server's hostname, rather than "localhost" when
118 it comes to that question::
119
120     /opt/ofs/bin/pvfs2-genconfig /etc/pvfs2.conf
121
122 Create an /etc/pvfs2tab file::
123
124 Localhost is fine for your pvfs2tab file:
125
126     echo tcp://localhost:3334/orangefs /pvfsmnt pvfs2 defaults,noauto 0 0 > \
127         /etc/pvfs2tab
128
129 Create the mount point you specified in the tab file if needed::
130
131     mkdir /pvfsmnt
132
133 Bootstrap the server::
134
135     /opt/ofs/sbin/pvfs2-server -f /etc/pvfs2.conf
136
137 Start the server::
138
139     /opt/ofs/sbin/pvfs2-server /etc/pvfs2.conf
140
141 Now the server should be running. Pvfs2-ls is a simple
142 test to verify that the server is running::
143
144     /opt/ofs/bin/pvfs2-ls /pvfsmnt
145
146 If stuff seems to be working, load the kernel module and
147 turn on the client core::
148
149     /opt/ofs/sbin/pvfs2-client -p /opt/ofs/sbin/pvfs2-client-core
150
151 Mount your filesystem::
152
153     mount -t pvfs2 tcp://`hostname`:3334/orangefs /pvfsmnt
154
155
156 Running xfstests
157 ================
158
159 It is useful to use a scratch filesystem with xfstests.  This can be
160 done with only one server.
161
162 Make a second copy of the FileSystem section in the server configuration
163 file, which is /etc/orangefs/orangefs.conf.  Change the Name to scratch.
164 Change the ID to something other than the ID of the first FileSystem
165 section (2 is usually a good choice).
166
167 Then there are two FileSystem sections: orangefs and scratch.
168
169 This change should be made before creating the filesystem.
170
171 ::
172
173     pvfs2-server -f /etc/orangefs/orangefs.conf
174
175 To run xfstests, create /etc/xfsqa.config::
176
177     TEST_DIR=/orangefs
178     TEST_DEV=tcp://localhost:3334/orangefs
179     SCRATCH_MNT=/scratch
180     SCRATCH_DEV=tcp://localhost:3334/scratch
181
182 Then xfstests can be run::
183
184     ./check -pvfs2
185
186
187 Options
188 =======
189
190 The following mount options are accepted:
191
192   acl
193     Allow the use of Access Control Lists on files and directories.
194
195   intr
196     Some operations between the kernel client and the user space
197     filesystem can be interruptible, such as changes in debug levels
198     and the setting of tunable parameters.
199
200   local_lock
201     Enable posix locking from the perspective of "this" kernel. The
202     default file_operations lock action is to return ENOSYS. Posix
203     locking kicks in if the filesystem is mounted with -o local_lock.
204     Distributed locking is being worked on for the future.
205
206
207 Debugging
208 =========
209
210 If you want the debug (GOSSIP) statements in a particular
211 source file (inode.c for example) go to syslog::
212
213   echo inode > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
214
215 No debugging (the default)::
216
217   echo none > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
218
219 Debugging from several source files::
220
221   echo inode,dir > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
222
223 All debugging::
224
225   echo all > /sys/kernel/debug/orangefs/kernel-debug
226
227 Get a list of all debugging keywords::
228
229   cat /sys/kernel/debug/orangefs/debug-help
230
231
232 Protocol between Kernel Module and Userspace
233 ============================================
234
235 Orangefs is a user space filesystem and an associated kernel module.
236 We'll just refer to the user space part of Orangefs as "userspace"
237 from here on out. Orangefs descends from PVFS, and userspace code
238 still uses PVFS for function and variable names. Userspace typedefs
239 many of the important structures. Function and variable names in
240 the kernel module have been transitioned to "orangefs", and The Linux
241 Coding Style avoids typedefs, so kernel module structures that
242 correspond to userspace structures are not typedefed.
243
244 The kernel module implements a pseudo device that userspace
245 can read from and write to. Userspace can also manipulate the
246 kernel module through the pseudo device with ioctl.
247
248 The Bufmap
249 ----------
250
251 At startup userspace allocates two page-size-aligned (posix_memalign)
252 mlocked memory buffers, one is used for IO and one is used for readdir
253 operations. The IO buffer is 41943040 bytes and the readdir buffer is
254 4194304 bytes. Each buffer contains logical chunks, or partitions, and
255 a pointer to each buffer is added to its own PVFS_dev_map_desc structure
256 which also describes its total size, as well as the size and number of
257 the partitions.
258
259 A pointer to the IO buffer's PVFS_dev_map_desc structure is sent to a
260 mapping routine in the kernel module with an ioctl. The structure is
261 copied from user space to kernel space with copy_from_user and is used
262 to initialize the kernel module's "bufmap" (struct orangefs_bufmap), which
263 then contains:
264
265   * refcnt
266     - a reference counter
267   * desc_size - PVFS2_BUFMAP_DEFAULT_DESC_SIZE (4194304) - the IO buffer's
268     partition size, which represents the filesystem's block size and
269     is used for s_blocksize in super blocks.
270   * desc_count - PVFS2_BUFMAP_DEFAULT_DESC_COUNT (10) - the number of
271     partitions in the IO buffer.
272   * desc_shift - log2(desc_size), used for s_blocksize_bits in super blocks.
273   * total_size - the total size of the IO buffer.
274   * page_count - the number of 4096 byte pages in the IO buffer.
275   * page_array - a pointer to ``page_count * (sizeof(struct page*))`` bytes
276     of kcalloced memory. This memory is used as an array of pointers
277     to each of the pages in the IO buffer through a call to get_user_pages.
278   * desc_array - a pointer to ``desc_count * (sizeof(struct orangefs_bufmap_desc))``
279     bytes of kcalloced memory. This memory is further intialized:
280
281       user_desc is the kernel's copy of the IO buffer's ORANGEFS_dev_map_desc
282       structure. user_desc->ptr points to the IO buffer.
283
284       ::
285
286         pages_per_desc = bufmap->desc_size / PAGE_SIZE
287         offset = 0
288
289         bufmap->desc_array[0].page_array = &bufmap->page_array[offset]
290         bufmap->desc_array[0].array_count = pages_per_desc = 1024
291         bufmap->desc_array[0].uaddr = (user_desc->ptr) + (0 * 1024 * 4096)
292         offset += 1024
293                            .
294                            .
295                            .
296         bufmap->desc_array[9].page_array = &bufmap->page_array[offset]
297         bufmap->desc_array[9].array_count = pages_per_desc = 1024
298         bufmap->desc_array[9].uaddr = (user_desc->ptr) +
299                                                (9 * 1024 * 4096)
300         offset += 1024
301
302   * buffer_index_array - a desc_count sized array of ints, used to
303     indicate which of the IO buffer's partitions are available to use.
304   * buffer_index_lock - a spinlock to protect buffer_index_array during update.
305   * readdir_index_array - a five (ORANGEFS_READDIR_DEFAULT_DESC_COUNT) element
306     int array used to indicate which of the readdir buffer's partitions are
307     available to use.
308   * readdir_index_lock - a spinlock to protect readdir_index_array during
309     update.
310
311 Operations
312 ----------
313
314 The kernel module builds an "op" (struct orangefs_kernel_op_s) when it
315 needs to communicate with userspace. Part of the op contains the "upcall"
316 which expresses the request to userspace. Part of the op eventually
317 contains the "downcall" which expresses the results of the request.
318
319 The slab allocator is used to keep a cache of op structures handy.
320
321 At init time the kernel module defines and initializes a request list
322 and an in_progress hash table to keep track of all the ops that are
323 in flight at any given time.
324
325 Ops are stateful:
326
327  * unknown
328             - op was just initialized
329  * waiting
330             - op is on request_list (upward bound)
331  * inprogr
332             - op is in progress (waiting for downcall)
333  * serviced
334             - op has matching downcall; ok
335  * purged
336             - op has to start a timer since client-core
337               exited uncleanly before servicing op
338  * given up
339             - submitter has given up waiting for it
340
341 When some arbitrary userspace program needs to perform a
342 filesystem operation on Orangefs (readdir, I/O, create, whatever)
343 an op structure is initialized and tagged with a distinguishing ID
344 number. The upcall part of the op is filled out, and the op is
345 passed to the "service_operation" function.
346
347 Service_operation changes the op's state to "waiting", puts
348 it on the request list, and signals the Orangefs file_operations.poll
349 function through a wait queue. Userspace is polling the pseudo-device
350 and thus becomes aware of the upcall request that needs to be read.
351
352 When the Orangefs file_operations.read function is triggered, the
353 request list is searched for an op that seems ready-to-process.
354 The op is removed from the request list. The tag from the op and
355 the filled-out upcall struct are copy_to_user'ed back to userspace.
356
357 If any of these (and some additional protocol) copy_to_users fail,
358 the op's state is set to "waiting" and the op is added back to
359 the request list. Otherwise, the op's state is changed to "in progress",
360 and the op is hashed on its tag and put onto the end of a list in the
361 in_progress hash table at the index the tag hashed to.
362
363 When userspace has assembled the response to the upcall, it
364 writes the response, which includes the distinguishing tag, back to
365 the pseudo device in a series of io_vecs. This triggers the Orangefs
366 file_operations.write_iter function to find the op with the associated
367 tag and remove it from the in_progress hash table. As long as the op's
368 state is not "canceled" or "given up", its state is set to "serviced".
369 The file_operations.write_iter function returns to the waiting vfs,
370 and back to service_operation through wait_for_matching_downcall.
371
372 Service operation returns to its caller with the op's downcall
373 part (the response to the upcall) filled out.
374
375 The "client-core" is the bridge between the kernel module and
376 userspace. The client-core is a daemon. The client-core has an
377 associated watchdog daemon. If the client-core is ever signaled
378 to die, the watchdog daemon restarts the client-core. Even though
379 the client-core is restarted "right away", there is a period of
380 time during such an event that the client-core is dead. A dead client-core
381 can't be triggered by the Orangefs file_operations.poll function.
382 Ops that pass through service_operation during a "dead spell" can timeout
383 on the wait queue and one attempt is made to recycle them. Obviously,
384 if the client-core stays dead too long, the arbitrary userspace processes
385 trying to use Orangefs will be negatively affected. Waiting ops
386 that can't be serviced will be removed from the request list and
387 have their states set to "given up". In-progress ops that can't
388 be serviced will be removed from the in_progress hash table and
389 have their states set to "given up".
390
391 Readdir and I/O ops are atypical with respect to their payloads.
392
393   - readdir ops use the smaller of the two pre-allocated pre-partitioned
394     memory buffers. The readdir buffer is only available to userspace.
395     The kernel module obtains an index to a free partition before launching
396     a readdir op. Userspace deposits the results into the indexed partition
397     and then writes them to back to the pvfs device.
398
399   - io (read and write) ops use the larger of the two pre-allocated
400     pre-partitioned memory buffers. The IO buffer is accessible from
401     both userspace and the kernel module. The kernel module obtains an
402     index to a free partition before launching an io op. The kernel module
403     deposits write data into the indexed partition, to be consumed
404     directly by userspace. Userspace deposits the results of read
405     requests into the indexed partition, to be consumed directly
406     by the kernel module.
407
408 Responses to kernel requests are all packaged in pvfs2_downcall_t
409 structs. Besides a few other members, pvfs2_downcall_t contains a
410 union of structs, each of which is associated with a particular
411 response type.
412
413 The several members outside of the union are:
414
415  ``int32_t type``
416     - type of operation.
417  ``int32_t status``
418     - return code for the operation.
419  ``int64_t trailer_size``
420     - 0 unless readdir operation.
421  ``char *trailer_buf``
422     - initialized to NULL, used during readdir operations.
423
424 The appropriate member inside the union is filled out for any
425 particular response.
426
427   PVFS2_VFS_OP_FILE_IO
428     fill a pvfs2_io_response_t
429
430   PVFS2_VFS_OP_LOOKUP
431     fill a PVFS_object_kref
432
433   PVFS2_VFS_OP_CREATE
434     fill a PVFS_object_kref
435
436   PVFS2_VFS_OP_SYMLINK
437     fill a PVFS_object_kref
438
439   PVFS2_VFS_OP_GETATTR
440     fill in a PVFS_sys_attr_s (tons of stuff the kernel doesn't need)
441     fill in a string with the link target when the object is a symlink.
442
443   PVFS2_VFS_OP_MKDIR
444     fill a PVFS_object_kref
445
446   PVFS2_VFS_OP_STATFS
447     fill a pvfs2_statfs_response_t with useless info <g>. It is hard for
448     us to know, in a timely fashion, these statistics about our
449     distributed network filesystem.
450
451   PVFS2_VFS_OP_FS_MOUNT
452     fill a pvfs2_fs_mount_response_t which is just like a PVFS_object_kref
453     except its members are in a different order and "__pad1" is replaced
454     with "id".
455
456   PVFS2_VFS_OP_GETXATTR
457     fill a pvfs2_getxattr_response_t
458
459   PVFS2_VFS_OP_LISTXATTR
460     fill a pvfs2_listxattr_response_t
461
462   PVFS2_VFS_OP_PARAM
463     fill a pvfs2_param_response_t
464
465   PVFS2_VFS_OP_PERF_COUNT
466     fill a pvfs2_perf_count_response_t
467
468   PVFS2_VFS_OP_FSKEY
469     file a pvfs2_fs_key_response_t
470
471   PVFS2_VFS_OP_READDIR
472     jamb everything needed to represent a pvfs2_readdir_response_t into
473     the readdir buffer descriptor specified in the upcall.
474
475 Userspace uses writev() on /dev/pvfs2-req to pass responses to the requests
476 made by the kernel side.
477
478 A buffer_list containing:
479
480   - a pointer to the prepared response to the request from the
481     kernel (struct pvfs2_downcall_t).
482   - and also, in the case of a readdir request, a pointer to a
483     buffer containing descriptors for the objects in the target
484     directory.
485
486 ... is sent to the function (PINT_dev_write_list) which performs
487 the writev.
488
489 PINT_dev_write_list has a local iovec array: struct iovec io_array[10];
490
491 The first four elements of io_array are initialized like this for all
492 responses::
493
494   io_array[0].iov_base = address of local variable "proto_ver" (int32_t)
495   io_array[0].iov_len = sizeof(int32_t)
496
497   io_array[1].iov_base = address of global variable "pdev_magic" (int32_t)
498   io_array[1].iov_len = sizeof(int32_t)
499
500   io_array[2].iov_base = address of parameter "tag" (PVFS_id_gen_t)
501   io_array[2].iov_len = sizeof(int64_t)
502
503   io_array[3].iov_base = address of out_downcall member (pvfs2_downcall_t)
504                          of global variable vfs_request (vfs_request_t)
505   io_array[3].iov_len = sizeof(pvfs2_downcall_t)
506
507 Readdir responses initialize the fifth element io_array like this::
508
509   io_array[4].iov_base = contents of member trailer_buf (char *)
510                          from out_downcall member of global variable
511                          vfs_request
512   io_array[4].iov_len = contents of member trailer_size (PVFS_size)
513                         from out_downcall member of global variable
514                         vfs_request
515
516 Orangefs exploits the dcache in order to avoid sending redundant
517 requests to userspace. We keep object inode attributes up-to-date with
518 orangefs_inode_getattr. Orangefs_inode_getattr uses two arguments to
519 help it decide whether or not to update an inode: "new" and "bypass".
520 Orangefs keeps private data in an object's inode that includes a short
521 timeout value, getattr_time, which allows any iteration of
522 orangefs_inode_getattr to know how long it has been since the inode was
523 updated. When the object is not new (new == 0) and the bypass flag is not
524 set (bypass == 0) orangefs_inode_getattr returns without updating the inode
525 if getattr_time has not timed out. Getattr_time is updated each time the
526 inode is updated.
527
528 Creation of a new object (file, dir, sym-link) includes the evaluation of
529 its pathname, resulting in a negative directory entry for the object.
530 A new inode is allocated and associated with the dentry, turning it from
531 a negative dentry into a "productive full member of society". Orangefs
532 obtains the new inode from Linux with new_inode() and associates
533 the inode with the dentry by sending the pair back to Linux with
534 d_instantiate().
535
536 The evaluation of a pathname for an object resolves to its corresponding
537 dentry. If there is no corresponding dentry, one is created for it in
538 the dcache. Whenever a dentry is modified or verified Orangefs stores a
539 short timeout value in the dentry's d_time, and the dentry will be trusted
540 for that amount of time. Orangefs is a network filesystem, and objects
541 can potentially change out-of-band with any particular Orangefs kernel module
542 instance, so trusting a dentry is risky. The alternative to trusting
543 dentries is to always obtain the needed information from userspace - at
544 least a trip to the client-core, maybe to the servers. Obtaining information
545 from a dentry is cheap, obtaining it from userspace is relatively expensive,
546 hence the motivation to use the dentry when possible.
547
548 The timeout values d_time and getattr_time are jiffy based, and the
549 code is designed to avoid the jiffy-wrap problem::
550
551     "In general, if the clock may have wrapped around more than once, there
552     is no way to tell how much time has elapsed. However, if the times t1
553     and t2 are known to be fairly close, we can reliably compute the
554     difference in a way that takes into account the possibility that the
555     clock may have wrapped between times."
556
557 from course notes by instructor Andy Wang
558