Merge tag 'trace-printf-v6.13' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/trace...
[drm/drm-misc.git] / Documentation / block / ublk.rst
blob51665a3e6a50cded1984f381256b3acbc75bb11d
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 ===========================================
4 Userspace block device driver (ublk driver)
5 ===========================================
7 Overview
8 ========
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).
16 Userspace block devices are attractive because:
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
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]_.
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.
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*``.
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.
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.
61 Using ublk
62 ==========
64 ublk requires userspace ublk server to handle real block device logic.
66 Below is example of using ``ublksrv`` to provide ublk-based loop device.
68 - add a device::
70      ublk add -t loop -f ublk-loop.img
72 - format with xfs, then use it::
74      mkfs.xfs /dev/ublkb0
75      mount /dev/ublkb0 /mnt
76      # do anything. all IOs are handled by io_uring
77      ...
78      umount /mnt
80 - list the devices with their info::
82      ublk list
84 - delete the device::
86      ublk del -a
87      ublk del -n $ublk_dev_id
89 See usage details in README of ``ublksrv`` [#userspace_readme]_.
91 Design
92 ======
94 Control plane
95 -------------
97 ublk driver provides global misc device node (``/dev/ublk-control``) for
98 managing and controlling ublk devices with help of several control commands:
100 - ``UBLK_CMD_ADD_DEV``
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.
109 - ``UBLK_CMD_SET_PARAMS`` / ``UBLK_CMD_GET_PARAMS``
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``.
116 - ``UBLK_CMD_START_DEV``
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.
123 - ``UBLK_CMD_STOP_DEV``
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).
129 - ``UBLK_CMD_DEL_DEV``
131   Remove ``/dev/ublkc*``. When this command returns, the allocated ublk device
132   number can be reused.
134 - ``UBLK_CMD_GET_QUEUE_AFFINITY``
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.
142 - ``UBLK_CMD_GET_DEV_INFO``
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.
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.
154   How to deal with userspace/kernel compatibility:
156   1) if kernel is capable of handling ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``
158     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
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``
166     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
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
171   2) if kernel isn't capable of handling ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``
173     If ublk server supports ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
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
179     If ublk server doesn't support ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``:
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
184 - ``UBLK_CMD_START_USER_RECOVERY``
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.
192 - ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``
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.
200 - user recovery feature description
202   Three new features are added for user recovery: ``UBLK_F_USER_RECOVERY``,
203   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE``, and ``UBLK_F_USER_RECOVERY_FAIL_IO``. To
204   enable recovery of ublk devices after the ublk server exits, the ublk server
205   should specify the ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` flag when creating the device. The
206   ublk server may additionally specify at most one of
207   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` and ``UBLK_F_USER_RECOVERY_FAIL_IO`` to
208   modify how I/O is handled while the ublk server is dying/dead (this is called
209   the ``nosrv`` case in the driver code).
211   With just ``UBLK_F_USER_RECOVERY`` set, after one ubq_daemon(ublk server's io
212   handler) is dying, ublk does not delete ``/dev/ublkb*`` during the whole
213   recovery stage and ublk device ID is kept. It is ublk server's
214   responsibility to recover the device context by its own knowledge.
215   Requests which have not been issued to userspace are requeued. Requests
216   which have been issued to userspace are aborted.
218   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` additionally set, after one ubq_daemon
219   (ublk server's io handler) is dying, contrary to ``UBLK_F_USER_RECOVERY``,
220   requests which have been issued to userspace are requeued and will be
221   re-issued to the new process after handling ``UBLK_CMD_END_USER_RECOVERY``.
222   ``UBLK_F_USER_RECOVERY_REISSUE`` is designed for backends who tolerate
223   double-write since the driver may issue the same I/O request twice. It
224   might be useful to a read-only FS or a VM backend.
226   With ``UBLK_F_USER_RECOVERY_FAIL_IO`` additionally set, after the ublk server
227   exits, requests which have issued to userspace are failed, as are any
228   subsequently issued requests. Applications continuously issuing I/O against
229   devices with this flag set will see a stream of I/O errors until a new ublk
230   server recovers the device.
232 Unprivileged ublk device is supported by passing ``UBLK_F_UNPRIVILEGED_DEV``.
233 Once the flag is set, all control commands can be sent by unprivileged
234 user. Except for command of ``UBLK_CMD_ADD_DEV``, permission check on
235 the specified char device(``/dev/ublkc*``) is done for all other control
236 commands by ublk driver, for doing that, path of the char device has to
237 be provided in these commands' payload from ublk server. With this way,
238 ublk device becomes container-ware, and device created in one container
239 can be controlled/accessed just inside this container.
241 Data plane
242 ----------
244 ublk server needs to create per-queue IO pthread & io_uring for handling IO
245 commands via io_uring passthrough. The per-queue IO pthread
246 focuses on IO handling and shouldn't handle any control & management
247 tasks.
249 The's IO is assigned by a unique tag, which is 1:1 mapping with IO
250 request of ``/dev/ublkb*``.
252 UAPI structure of ``ublksrv_io_desc`` is defined for describing each IO from
253 the driver. A fixed mmapped area (array) on ``/dev/ublkc*`` is provided for
254 exporting IO info to the server; such as IO offset, length, OP/flags and
255 buffer address. Each ``ublksrv_io_desc`` instance can be indexed via queue id
256 and IO tag directly.
258 The following IO commands are communicated via io_uring passthrough command,
259 and each command is only for forwarding the IO and committing the result
260 with specified IO tag in the command data:
262 - ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
264   Sent from the server IO pthread for fetching future incoming IO requests
265   destined to ``/dev/ublkb*``. This command is sent only once from the server
266   IO pthread for ublk driver to setup IO forward environment.
268 - ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
270   When an IO request is destined to ``/dev/ublkb*``, the driver stores
271   the IO's ``ublksrv_io_desc`` to the specified mapped area; then the
272   previous received IO command of this IO tag (either ``UBLK_IO_FETCH_REQ``
273   or ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ)`` is completed, so the server gets
274   the IO notification via io_uring.
276   After the server handles the IO, its result is committed back to the
277   driver by sending ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` back. Once ublkdrv
278   received this command, it parses the result and complete the request to
279   ``/dev/ublkb*``. In the meantime setup environment for fetching future
280   requests with the same IO tag. That is, ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ``
281   is reused for both fetching request and committing back IO result.
283 - ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA``
285   With ``UBLK_F_NEED_GET_DATA`` enabled, the WRITE request will be firstly
286   issued to ublk server without data copy. Then, IO backend of ublk server
287   receives the request and it can allocate data buffer and embed its addr
288   inside this new io command. After the kernel driver gets the command,
289   data copy is done from request pages to this backend's buffer. Finally,
290   backend receives the request again with data to be written and it can
291   truly handle the request.
293   ``UBLK_IO_NEED_GET_DATA`` adds one additional round-trip and one
294   io_uring_enter() syscall. Any user thinks that it may lower performance
295   should not enable UBLK_F_NEED_GET_DATA. ublk server pre-allocates IO
296   buffer for each IO by default. Any new project should try to use this
297   buffer to communicate with ublk driver. However, existing project may
298   break or not able to consume the new buffer interface; that's why this
299   command is added for backwards compatibility so that existing projects
300   can still consume existing buffers.
302 - data copy between ublk server IO buffer and ublk block IO request
304   The driver needs to copy the block IO request pages into the server buffer
305   (pages) first for WRITE before notifying the server of the coming IO, so
306   that the server can handle WRITE request.
308   When the server handles READ request and sends
309   ``UBLK_IO_COMMIT_AND_FETCH_REQ`` to the server, ublkdrv needs to copy
310   the server buffer (pages) read to the IO request pages.
312 Future development
313 ==================
315 Zero copy
316 ---------
318 Zero copy is a generic requirement for nbd, fuse or similar drivers. A
319 problem [#xiaoguang]_ Xiaoguang mentioned is that pages mapped to userspace
320 can't be remapped any more in kernel with existing mm interfaces. This can
321 occurs when destining direct IO to ``/dev/ublkb*``. Also, he reported that
322 big requests (IO size >= 256 KB) may benefit a lot from zero copy.
325 References
326 ==========
328 .. [#userspace] https://github.com/ming1/ubdsrv
330 .. [#userspace_lib] https://github.com/ming1/ubdsrv/tree/master/lib
332 .. [#userspace_nbdublk] https://gitlab.com/rwmjones/libnbd/-/tree/nbdublk
334 .. [#userspace_readme] https://github.com/ming1/ubdsrv/blob/master/README
336 .. [#stefan] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/
338 .. [#xiaoguang] https://lore.kernel.org/linux-block/YoOr6jBfgVm8GvWg@stefanha-x1.localdomain/