2916fcf3ab44adb9f904619c838582590f773784
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / block / ublk.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ===========================================
4 Userspace block device driver (ublk driver)
5 ===========================================
6
7 Overview
8 ========
9
10 ublk is a generic framework for implementing block device logic from userspace.
11 The motivation behind it is that moving virtual block drivers into userspace,
12 such as loop, nbd and similar can be very helpful. It can help to implement
13 new virtual block device such as ublk-qcow2 (there are several attempts of
14 implementing qcow2 driver in kernel).
15
16 Userspace block devices are attractive because:
17
18 - They can be written many programming languages.
19 - They can use libraries that are not available in the kernel.
20 - They can be debugged with tools familiar to application developers.
21 - Crashes do not kernel panic the machine.
22 - Bugs are likely to have a lower security impact than bugs in kernel
23   code.
24 - They can be installed and updated independently of the kernel.
25 - They can be used to simulate block device easily with user specified
26   parameters/setting for test/debug purpose
27
28 ublk block device (``/dev/ublkb*``) is added by ublk driver. Any IO request
29 on the device will be forwarded to ublk userspace program. For convenience,
30 in this document, ``ublk server`` refers to generic ublk userspace
31 program. ``ublksrv`` [#userspace]_ is one of such implementation. It
32 provides ``libublksrv`` [#userspace_lib]_ library for developing specific
33 user block device conveniently, while also generic type block device is
34 included, such as loop and null. Richard W.M. Jones wrote userspace nbd device
35 ``nbdublk`` [#userspace_nbdublk]_  based on ``libublksrv`` [#userspace_lib]_.
36
37 After the IO is handled by userspace, the result is committed back to the
38 driver, thus completing the request cycle. This way, any specific IO handling
39 logic is totally done by userspace, such as loop's IO handling, NBD's IO
40 communication, or qcow2's IO mapping.
41
42 ``/dev/ublkb*`` is driven by blk-mq request-based driver. Each request is
43 assigned by one queue wide unique tag. ublk server assigns unique tag to each
44 IO too, which is 1:1 mapped with IO of ``/dev/ublkb*``.
45
46 Both the IO request forward and IO handling result committing are done via
47 ``io_uring`` passthrough command; that is why ublk is also one io_uring based
48 block driver. It has been observed that using io_uring passthrough command can
49 give better IOPS than block IO; which is why ublk is one of high performance
50 implementation of userspace block device: not only IO request communication is
51 done by io_uring, but also the preferred IO handling in ublk server is io_uring
52 based approach too.
53
54 ublk provides control interface to set/get ublk block device parameters.
55 The interface is extendable and kabi compatible: basically any ublk request
56 queue's parameter or ublk generic feature parameters can be set/get via the
57 interface. Thus, ublk is generic userspace block device framework.
58 For example, it is easy to setup a ublk device with specified block
59 parameters from userspace.
60
61 Using ublk
62 ==========
63
64 ublk requires userspace ublk server to handle real block device logic.
65
66 Below is example of using ``ublksrv`` to provide ublk-based loop device.
67
68 - add a device::
69
70      ublk add -t loop -f ublk-loop.img
71
72 - format with xfs, then use it::
73
74      mkfs.xfs /dev/ublkb0
75      mount /dev/ublkb0 /mnt
76      # do anything. all IOs are handled by io_uring
77      ...
78      umount /mnt
79
80 - list the devices with their info::
81
82      ublk list
83
84 - delete the device::
85
86      ublk del -a
87      ublk del -n $ublk_dev_id
88
89 See usage details in README of ``ublksrv`` [#userspace_readme]_.
90
91 Design
92 ======
93
94 Control plane
95 -------------
96
97 ublk driver provides global misc device node (``/dev/ublk-control``) for
98 managing and controlling ublk devices with help of several control commands:
99
100 - ``UBLK_CMD_ADD_DEV``
101
102   Add a ublk char device (``/dev/ublkc*``) which is talked with ublk server
103   WRT IO command communication. Basic device info is sent together with this
104   command. It sets UAPI structure of ``ublksrv_ctrl_dev_info``,
105   such as ``nr_hw_queues``, ``queue_depth``, and max IO request buffer size,
106   for which the info is negotiated with the driver and sent back to the server.
107   When this command is completed, the basic device info is immutable.
108
109 - ``UBLK_CMD_SET_PARAMS`` / ``UBLK_CMD_GET_PARAMS``
110
111   Set or get parameters of the device, which can be either generic feature
112   related, or request queue limit related, but can't be IO logic specific,
113   because the driver does not handle any IO logic. This command has to be
114   sent before sending ``UBLK_CMD_START_DEV``.
115
116 - ``UBLK_CMD_START_DEV``
117
118   After the server prepares userspace resources (such as creating per-queue
119   pthread & io_uring for handling ublk IO), this command is sent to the
120   driver for allocating & exposing ``/dev/ublkb*``. Parameters set via
121   ``UBLK_CMD_SET_PARAMS`` are applied for creating the device.
122
123 - ``UBLK_CMD_STOP_DEV``
124
125   Halt IO on ``/dev/ublkb*`` and remove the device. When this command returns,
126   ublk server will release resources (such as destroying per-queue pthread &
127   io_uring).
128
129 - ``UBLK_CMD_DEL_DEV``
130
131   Remove ``/dev/ublkc*``. When this command returns, the allocated ublk device
132   number can be reused.
133
134 - ``UBLK_CMD_GET_QUEUE_AFFINITY``
135
136   When ``/dev/ublkc`` is added, the driver creates block layer tagset, so
137   that each queue's affinity info is available. The server sends
138   ``UBLK_CMD_GET_QUEUE_AFFINITY`` to retrieve queue affinity info. It can
139   set up the per-queue context efficiently, such as bind affine CPUs with IO
140   pthread and try to allocate buffers in IO thread context.
141
142 - ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO``
143
144   For retrieving device info via ``ublksrv_ctrl_dev_info``. It is the server's
145   responsibility to save IO target specific info in userspace.
146
147 - ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2``
148   Same purpose with ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO``, but ublk server has to
149   provide path of the char device of ``/dev/ublkc*`` for kernel to run
150   permission check, and this command is added for supporting unprivileged
151   ublk device, and introduced with ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` together.
152   Only the user owning the requested device can retrieve the device info.
153
154   How to deal with userspace/kernel compatibility:
155
156   1) if kernel is capable of handling ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``
157     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
158     ublk server should send ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2``, given anytime
159     unprivileged application needs to query devices the current user owns,
160     when the application has no idea if ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` is set
161     given the capability info is stateless, and application should always
162     retrieve it via ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2``
163
164     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
165     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` is always sent to kernel, and the feature of
166     UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV isn't available for user
167
168   2) if kernel isn't capable of handling ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``
169     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
170     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2`` is tried first, and will be failed, then
171     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` needs to be retried given
172     ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` can't be set
173
174     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
175     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` is always sent to kernel, and the feature of
176     ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` isn't available for user
177
178 - ``UBLK_CMD_START_USER_RECOVERY``
179
180   This command is valid if ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` feature is enabled. This
181   command is accepted after the old process has exited, ublk device is quiesced
182   and ``/dev/ublkc*`` is released. User should send this command before he starts
183   a new process which re-opens ``/dev/ublkc*``. When this command returns, the
184   ublk device is ready for the new process.
185
186 - ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``
187
188   This command is valid if ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` feature is enabled. This
189   command is accepted after ublk device is quiesced and a new process has
190   opened ``/dev/ublkc*`` and get all ublk queues be ready. When this command
191   returns, ublk device is unquiesced and new I/O requests are passed to the
192   new process.
193
194 - user recovery feature description
195
196   Two new features are added for user recovery: ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` and
197   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE``.
198
199   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` set, after one ubq_daemon(ublk server's io
200   handler) is dying, ublk does not delete ``/dev/ublkb*`` during the whole
201   recovery stage and ublk device ID is kept. It is ublk server's
202   responsibility to recover the device context by its own knowledge.
203   Requests which have not been issued to userspace are requeued. Requests
204   which have been issued to userspace are aborted.
205
206   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` set, after one ubq_daemon(ublk
207   server's io handler) is dying, contrary to ``UBLK_F_USER_RECOVERY``,
208   requests which have been issued to userspace are requeued and will be
209   re-issued to the new process after handling ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``.
210   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` is designed for backends who tolerate
211   double-write since the driver may issue the same I/O request twice. It
212   might be useful to a read-only FS or a VM backend.
213
214 Unprivileged ublk device is supported by passing ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``.
215 Once the flag is set, all control commands can be sent by unprivileged
216 user. Except for command of ``UBLK_CMD_ADD_DEV``, permission check on
217 the specified char device(``/dev/ublkc*``) is done for all other control
218 commands by ublk driver, for doing that, path of the char device has to
219 be provided in these commands' payload from ublk server. With this way,
220 ublk device becomes container-ware, and device created in one container
221 can be controlled/accessed just inside this container.
222
223 Data plane
224 ----------
225
226 ublk server needs to create per-queue IO pthread & io_uring for handling IO
227 commands via io_uring passthrough. The per-queue IO pthread
228 focuses on IO handling and shouldn't handle any control & management
229 tasks.
230
231 The's IO is assigned by a unique tag, which is 1:1 mapping with IO
232 request of ``/dev/ublkb*``.
233
234 UAPI structure of ``ublksrv_io_desc`` is defined for describing each IO from
235 the driver. A fixed mmaped area (array) on ``/dev/ublkc*`` is provided for
236 exporting IO info to the server; such as IO offset, length, OP/flags and
237 buffer address. Each ``ublksrv_io_desc`` instance can be indexed via queue id
238 and IO tag directly.
239
240 The following IO commands are communicated via io_uring passthrough command,
241 and each command is only for forwarding the IO and committing the result
242 with specified IO tag in the command data:
243
244 - ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
245
246   Sent from the server IO pthread for fetching future incoming IO requests
247   destined to ``/dev/ublkb*``. This command is sent only once from the server
248   IO pthread for ublk driver to setup IO forward environment.
249
250 - ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
251
252   When an IO request is destined to ``/dev/ublkb*``, the driver stores
253   the IO's ``ublksrv_io_desc`` to the specified mapped area; then the
254   previous received IO command of this IO tag (either ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
255   or ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ)`` is completed, so the server gets
256   the IO notification via io_uring.
257
258   After the server handles the IO, its result is committed back to the
259   driver by sending ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` back. Once ublkdrv
260   received this command, it parses the result and complete the request to
261   ``/dev/ublkb*``. In the meantime setup environment for fetching future
262   requests with the same IO tag. That is, ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
263   is reused for both fetching request and committing back IO result.
264
265 - ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA``
266
267   With ``UBLK_F_NEED_GET_DATA`` enabled, the WRITE request will be firstly
268   issued to ublk server without data copy. Then, IO backend of ublk server
269   receives the request and it can allocate data buffer and embed its addr
270   inside this new io command. After the kernel driver gets the command,
271   data copy is done from request pages to this backend's buffer. Finally,
272   backend receives the request again with data to be written and it can
273   truly handle the request.
274
275   ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA`` adds one additional round-trip and one
276   io_uring_enter() syscall. Any user thinks that it may lower performance
277   should not enable UBLK_F_NEED_GET_DATA. ublk server pre-allocates IO
278   buffer for each IO by default. Any new project should try to use this
279   buffer to communicate with ublk driver. However, existing project may
280   break or not able to consume the new buffer interface; that's why this
281   command is added for backwards compatibility so that existing projects
282   can still consume existing buffers.
283
284 - data copy between ublk server IO buffer and ublk block IO request
285
286   The driver needs to copy the block IO request pages into the server buffer
287   (pages) first for WRITE before notifying the server of the coming IO, so
288   that the server can handle WRITE request.
289
290   When the server handles READ request and sends
291   ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` to the server, ublkdrv needs to copy
292   the server buffer (pages) read to the IO request pages.
293
294 Future development
295 ==================
296
297 Zero copy
298 ---------
299
300 Zero copy is a generic requirement for nbd, fuse or similar drivers. A
301 problem [#xiaoguang]_ Xiaoguang mentioned is that pages mapped to userspace
302 can't be remapped any more in kernel with existing mm interfaces. This can
303 occurs when destining direct IO to ``/dev/ublkb*``. Also, he reported that
304 big requests (IO size >= 256 KB) may benefit a lot from zero copy.
305
306
307 References
308 ==========
309
310 .. [#userspace] https://github.com/ming1/ubdsrv
311
312 .. [#userspace_lib] https://github.com/ming1/ubdsrv/tree/master/lib
313
314 .. [#userspace_nbdublk] https://gitlab.com/rwmjones/libnbd/-/tree/nbdublk
315
316 .. [#userspace_readme] https://github.com/ming1/ubdsrv/blob/master/README
317
318 .. [#stefan] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/
319
320 .. [#xiaoguang] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/