Merge tag 'dma-mapping-6.6-2023-09-09' of git://git.infradead.org/users/hch/dma-mapping
[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
158     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
159
160     ublk server should send ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2``, given anytime
161     unprivileged application needs to query devices the current user owns,
162     when the application has no idea if ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` is set
163     given the capability info is stateless, and application should always
164     retrieve it via ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2``
165
166     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
167
168     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` is always sent to kernel, and the feature of
169     UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV isn't available for user
170
171   2) if kernel isn't capable of handling ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``
172
173     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
174
175     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO2`` is tried first, and will be failed, then
176     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` needs to be retried given
177     ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` can't be set
178
179     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
180
181     ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO`` is always sent to kernel, and the feature of
182     ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV`` isn't available for user
183
184 - ``UBLK_CMD_START_USER_RECOVERY``
185
186   This command is valid if ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` feature is enabled. This
187   command is accepted after the old process has exited, ublk device is quiesced
188   and ``/dev/ublkc*`` is released. User should send this command before he starts
189   a new process which re-opens ``/dev/ublkc*``. When this command returns, the
190   ublk device is ready for the new process.
191
192 - ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``
193
194   This command is valid if ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` feature is enabled. This
195   command is accepted after ublk device is quiesced and a new process has
196   opened ``/dev/ublkc*`` and get all ublk queues be ready. When this command
197   returns, ublk device is unquiesced and new I/O requests are passed to the
198   new process.
199
200 - user recovery feature description
201
202   Two new features are added for user recovery: ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` and
203   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE``.
204
205   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` set, after one ubq_daemon(ublk server's io
206   handler) is dying, ublk does not delete ``/dev/ublkb*`` during the whole
207   recovery stage and ublk device ID is kept. It is ublk server's
208   responsibility to recover the device context by its own knowledge.
209   Requests which have not been issued to userspace are requeued. Requests
210   which have been issued to userspace are aborted.
211
212   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` set, after one ubq_daemon(ublk
213   server's io handler) is dying, contrary to ``UBLK_F_USER_RECOVERY``,
214   requests which have been issued to userspace are requeued and will be
215   re-issued to the new process after handling ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``.
216   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` is designed for backends who tolerate
217   double-write since the driver may issue the same I/O request twice. It
218   might be useful to a read-only FS or a VM backend.
219
220 Unprivileged ublk device is supported by passing ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``.
221 Once the flag is set, all control commands can be sent by unprivileged
222 user. Except for command of ``UBLK_CMD_ADD_DEV``, permission check on
223 the specified char device(``/dev/ublkc*``) is done for all other control
224 commands by ublk driver, for doing that, path of the char device has to
225 be provided in these commands' payload from ublk server. With this way,
226 ublk device becomes container-ware, and device created in one container
227 can be controlled/accessed just inside this container.
228
229 Data plane
230 ----------
231
232 ublk server needs to create per-queue IO pthread & io_uring for handling IO
233 commands via io_uring passthrough. The per-queue IO pthread
234 focuses on IO handling and shouldn't handle any control & management
235 tasks.
236
237 The's IO is assigned by a unique tag, which is 1:1 mapping with IO
238 request of ``/dev/ublkb*``.
239
240 UAPI structure of ``ublksrv_io_desc`` is defined for describing each IO from
241 the driver. A fixed mmapped area (array) on ``/dev/ublkc*`` is provided for
242 exporting IO info to the server; such as IO offset, length, OP/flags and
243 buffer address. Each ``ublksrv_io_desc`` instance can be indexed via queue id
244 and IO tag directly.
245
246 The following IO commands are communicated via io_uring passthrough command,
247 and each command is only for forwarding the IO and committing the result
248 with specified IO tag in the command data:
249
250 - ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
251
252   Sent from the server IO pthread for fetching future incoming IO requests
253   destined to ``/dev/ublkb*``. This command is sent only once from the server
254   IO pthread for ublk driver to setup IO forward environment.
255
256 - ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
257
258   When an IO request is destined to ``/dev/ublkb*``, the driver stores
259   the IO's ``ublksrv_io_desc`` to the specified mapped area; then the
260   previous received IO command of this IO tag (either ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
261   or ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ)`` is completed, so the server gets
262   the IO notification via io_uring.
263
264   After the server handles the IO, its result is committed back to the
265   driver by sending ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` back. Once ublkdrv
266   received this command, it parses the result and complete the request to
267   ``/dev/ublkb*``. In the meantime setup environment for fetching future
268   requests with the same IO tag. That is, ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
269   is reused for both fetching request and committing back IO result.
270
271 - ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA``
272
273   With ``UBLK_F_NEED_GET_DATA`` enabled, the WRITE request will be firstly
274   issued to ublk server without data copy. Then, IO backend of ublk server
275   receives the request and it can allocate data buffer and embed its addr
276   inside this new io command. After the kernel driver gets the command,
277   data copy is done from request pages to this backend's buffer. Finally,
278   backend receives the request again with data to be written and it can
279   truly handle the request.
280
281   ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA`` adds one additional round-trip and one
282   io_uring_enter() syscall. Any user thinks that it may lower performance
283   should not enable UBLK_F_NEED_GET_DATA. ublk server pre-allocates IO
284   buffer for each IO by default. Any new project should try to use this
285   buffer to communicate with ublk driver. However, existing project may
286   break or not able to consume the new buffer interface; that's why this
287   command is added for backwards compatibility so that existing projects
288   can still consume existing buffers.
289
290 - data copy between ublk server IO buffer and ublk block IO request
291
292   The driver needs to copy the block IO request pages into the server buffer
293   (pages) first for WRITE before notifying the server of the coming IO, so
294   that the server can handle WRITE request.
295
296   When the server handles READ request and sends
297   ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` to the server, ublkdrv needs to copy
298   the server buffer (pages) read to the IO request pages.
299
300 Future development
301 ==================
302
303 Zero copy
304 ---------
305
306 Zero copy is a generic requirement for nbd, fuse or similar drivers. A
307 problem [#xiaoguang]_ Xiaoguang mentioned is that pages mapped to userspace
308 can't be remapped any more in kernel with existing mm interfaces. This can
309 occurs when destining direct IO to ``/dev/ublkb*``. Also, he reported that
310 big requests (IO size >= 256 KB) may benefit a lot from zero copy.
311
312
313 References
314 ==========
315
316 .. [#userspace] https://github.com/ming1/ubdsrv
317
318 .. [#userspace_lib] https://github.com/ming1/ubdsrv/tree/master/lib
319
320 .. [#userspace_nbdublk] https://gitlab.com/rwmjones/libnbd/-/tree/nbdublk
321
322 .. [#userspace_readme] https://github.com/ming1/ubdsrv/blob/master/README
323
324 .. [#stefan] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/
325
326 .. [#xiaoguang] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/