深入探究Ubuntunvme

隨着雲計算、大數據等新興技術的快速發展，存儲技術也不斷更新迭代。NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一種在PCIe總線上運行的新型存儲接口協議，相比傳統的SATA、SAS等存儲接口協議，NVMe在CPU與存儲介質之間加入了更快的通訊通道，能夠提供更高的存儲性能。而Ubuntunvme，則是基於Linux內核中NVMe驅動所提供的一種針對NVMe存儲器的通用文件系統。本文將從以下幾個方面對Ubuntunvme進行詳細的闡述。

一、系統架構

Ubuntunvme採用了NVMe標準接口協議，並嚴格遵循離線編程模式，包括NVMe命令集、NVMe隊列以及門鈴模式。由於NVMe所支持的CMD和Doorbell已經向上提供了共享內存，NVMe設備直接映射共享內存來實現命令環和設備環之間的通訊。而在NVMe驅動內核上層，Ubuntunvme使用了通用文件系統，並支持兩個主要函數：inode和dentry。

static const struct address_space_operations nvme_dax_aops = {
	.fault		= dax_noflush_fault,
	.writepage	= dax_writeback_mapping_range,
	.direct_io	= nvme_dax_direct_access,
};

在這段代碼中，可以看到Ubuntunvme使用了通用文件系統，並定義了dax_aops用於操作address_space，同時設置了三個操作：fault、writepage和direct_io。這些操作函數都是NVMe所支持的。

二、特點和應用

Ubuntunvme與傳統文件系統最大的不同，就是由NVMe命令集指定的直接讀寫，而不需要經過系統緩存區。這種基於直接讀寫的存儲方式，可以大大提高系統I/O性能，且具備以下特點：

1、高性能

由於Ubuntunvme能夠快速完成CMD和Doorbell之間的通訊，且不需要經過系統緩存區，因此能夠大幅提升系統I/O性能。這對於需要大量數據讀寫操作的應用場景，如大數據、機器學習等領域具有重要意義。

2、支持大容量存儲設備

相比傳統的存儲協議，NVMe協議支持更大的LBA尋址空間，能夠支持16TB以上的存儲設備。而Ubuntunvme也能夠完美支持這些大容量存儲設備，並保持較高的性能。

3、較低的主機CPU和內存負載

由於Ubuntunvme是直接操作存儲設備的文件系統，因此相比隨系統加載的傳統文件系統，其啟動時無需佔用大量的內存空間，大大降低了系統的CPU和內存負載。

三、示例代碼

以下是一個基於Ubuntunvme的示例程序，用於讀寫NVMe設備。示例代碼採用C語言編寫，並使用了DPDK庫函數。

#include <rte_mbuf.h>
#include <rte_ethdev.h>
#include <rte_distributor.h>
#include <rte_ring.h>
#include <rte_malloc.h>
#include <rte_eal.h>

#define NUM_MBUFS 8191
#define MBUF_CACHE_SIZE 250
#define RX_RING_SIZE 1024
#define TX_RING_SIZE 1024

#define BURST_SIZE 32

static const struct rte_eth_conf port_conf_default = {
	.rxmode = {
		.max_rx_pkt_len = ETHER_MAX_LEN,
	},
};

static struct rte_eth_dev_tx_buffer *buffer;

struct rte_mempool *mbuf_pool;

static inline uint16_t
add_bonded_device(const char *devargs, uint8_t port_id,
		  uint32_t numa_node)
{
	struct rte_eth_conf port_conf = port_conf_default;
	struct rte_eth_dev_info dev_info;
	struct rte_eth_link link;

	uint16_t nb_queues = rte_eth_dev_count_avail();

	if (!nb_queues) {
		RTE_LOG(ERR, APP, "No ethdev ports available\n");
		return 0;
	}
	int ret = rte_eth_dev_configure(port_id, nb_queues, nb_queues, &port_conf);
	if (ret < 0) {
		RTE_LOG(ERR, APP,
			"Cannot configure device: "
			"err=%d, port=%d\n",
			ret, port_id);
		return 0;
	}
	rte_eth_dev_info_get(port_id, &dev_info);
	rte_eth_link_get(port_id, &link);

	struct rte_eth_rxconf rx_conf;
	struct rte_eth_txconf tx_conf;

	rx_conf = dev_info.default_rxconf;
	tx_conf = dev_info.default_txconf;
	tx_conf.txq_flags = ETH_TXQ_FLAGS_IGNORE;

	uint16_t q;
	for (q = 0; q < nb_queues; q++) {
		ret = rte_eth_rx_queue_setup(port_id, q, RX_RING_SIZE,
					     numa_node, &rx_conf, mbuf_pool);
		if (ret < 0) {
			RTE_LOG(ERR, APP, "Cannot allocate rx queue: err=%d,"
				" port=%d\n", ret, port_id);
			return 0;
		}

		ret = rte_eth_tx_queue_setup(port_id, q, TX_RING_SIZE,
					      numa_node, &tx_conf);
		if (ret < 0) {
			RTE_LOG(ERR, APP, "Cannot allocate tx queue: err=%d,"
				" port=%d\n", ret, port_id);
			return 0;
		}

		buffer = rte_zmalloc_socket(NULL,
				RTE_ETH_TX_BUFFER_SIZE(BURST_SIZE), 0,
				rte_eth_dev_socket_id(port_id));
		if (buffer == NULL) {
			RTE_LOG(ERR, APP,
				"Cannot allocate buffer for tx on port %u\n",
				port_id);
			return 0;
		}

		ret = rte_eth_tx_buffer_init(buffer, BURST_SIZE);
		if (ret = 0, "Cannot init EAL\n");
}

int main(int argc, char **argv)
{
	dpdk_init();
	mbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("MBUF_POOL",
		NUM_MBUFS * rte_eth_dev_count_avail(),
		MBUF_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE, rte_socket_id());

	uint8_t port_id = 0;
	uint32_t numa_node = rte_socket_id();
	int nb_queues = add_bonded_device(NULL, port_id, numa_node);

	if (!nb_queues) {
		RTE_LOG(ERR, APP, "Cannot create bonded device\n");
		return 0;
	}

	printf("Hello, Ubuntunvme!\n");

	return 0;
}

這段代碼主要用於創建DPDK虛擬網絡設備並進行綁定，然後使用Ubuntunvme進行NVMe設備上的數據讀寫操作。其中，rte_eal_init用於初始化DPDK環境，rte_pktmbuf_pool_create用於創建DPDK內存池，add_bonded_device用於創建虛擬網絡設備。這些操作都是Ubuntunvme的API，能夠方便地對NVMe設備進行操作。