Discard support

discard是什么？

 

在SSD出现之后，产生了一个问题：由于SSD底层的存储实现上和传统的机械硬盘截然不同，导致两者在数据写入和删除上表现出了极大的差异，传 统机械硬盘删除数据时仅仅需要将元数据标记为删除，而真正的数据block实际上并没有立即被删除，当下一次写入数据时，只需要用新的数据覆盖掉旧的数据 即可。而SSD则不一样，新的数据只能往空白区域写入，不能像机械硬盘那样直接覆盖，因此一次覆盖写操作将变成一个 read-erase-modify-write 的循环，操作系统如果还是按照机械硬盘的覆盖写入方式来操作SSD的话，将带来性能上的大打折扣和硬盘使用寿命的缩短。因此对于SSD的操作人们提出了新 的需求——需要在数据删除的时候通知硬盘，将数据立即清理掉，在这种需求下，trim指令[1]诞生了，trim指令允许操作系统在SSD上将不再使用的 数据通知到SSD底层并在其内部将数据擦除掉。

在虚拟化技术的磁盘虚拟化中，也出现了类似问题：由于虚拟磁盘与物理机械硬盘的差异，导致操作系统如果还是按照机械硬 盘的方式来删除虚拟磁盘的数据的话，会出现一些额外的效果。通常我们都希望thin providing的磁盘设备容量用多少算多少，但是现实往往不尽如人意，当我们往虚拟磁盘中写入100M数据，再将它删除，再写入100M数据，我们希 望看到的结果是，虚拟磁盘占用不超过100M容量大小，但是现实是虚拟磁盘占用了超过100M容量。这是因为当我们在虚拟机内部执行了删除操作时，如果还 是按照机械硬盘的删除方式，那么真正占用了磁盘空间的block部分并没有立即被释放，如果我们在虚拟机内部不断地进行write-delete 循环的话，虚拟磁盘文件将越来越大，大到甚至超过了额定预分配大小。人们开始意识到在这种虚拟化场景下类似于SSD的trim指令所提供的功能也仍然适 用，对于节省存储开销有积极意义。因此，与trim类似的指令也出现在了虚拟磁盘中，用在scsi接口虚拟磁盘上的这个指令叫unmap，通常我们把trim和unmap指令提供的功能称之为discard。

哪些版本支持discard？

 

内核对discard的支持早在2.6.33中就被包含进来，在RHEL6中我们可以发现在2.6.32版本的内核包就将这个功能backport进来，用户空间的程序开始支持discard要稍微晚一些，qemu在1.5版本开始支持()， libvirt从1.0.6开始支持()。这两个项目的discard功能支持都是由Red Hat提交的，其中libvirt的discard支持是由负责的，他是兰大开源社区的创始人之一。

 

我们可以看看当前最新的fedora20中的版本情况：

[root@localhost ~]$ rpm -q qemu-kvm qemu-kvm-1.6.2-1.fc20.x86_64 [root@localhost ~]$ rpm -q libvirt-daemon libvirt-daemon-1.1.3.4-4.fc20.x86_64

 

如何使用discard？

 

要启用虚拟机的discard功能我们只需要在确保当前系统版本支持的基础上，进行两方面的配置即可，一是在host machine上通过libvirt修改虚拟机配置添加disk driver的相关支持，注意下面的配置示例中将使用virtio-scsi作为虚拟磁盘驱动，且添加了额外的' discard="unmap" '

另一方面我们需要在虚拟机system内修改磁盘的挂载参数以增加对discard的支持：

mount -o discard 

或者使用fstrim命令来一次性触发discard操作：

fstrim /mntpoint

 

 

如何验证discard是否有效？

 

我们可以通过下面这个简单的对比实验来观察discard的效果，首先为虚拟机分配两块磁盘，sda设置为支持discard而sdb不设置

接着启动虚拟机，将两块磁盘分区格式化文件系统后分别挂载到/sda和/sdb目录，对于两个目录均执行循环写入和删除数据的操作，
#mount -o discard /dev/sda1 /sda
#mount /dev/sdb1 /sdb
#for _ in {1..3}; do
dd if=/dev/urandom of=/sda/file.$RANDOM bs=1M count=100 && sync
dd if=/dev/urandom of=/sdb/file.$RANDOM bs=1M count=100 && sync
rm -f /sda/file.* /sdb/file.* && sync
done

现在回到host machine中，使用du命令来观察两个虚拟磁盘的占用容量大小情况：
$du -h sd{a,b}.img
34M sda.img
138M sdb.img

此时discard的好处显而易见，启用了discard功能的sda消耗的存储容量要比没有启用的sdb小得多。

libvirt/qemu 文件系统trim

目前virtio驱动无法支持trim，ide/scsi/virtio-scsi驱动可以支持trim。
qemu的trim特性：1.5版支持raw，1.6版支持qcow2。
NTFS本身支持trim命令，EXT4需要在mount时指定参数-o discard，EXT3需要手工执行fstrim。

• libvirt方式启动虚拟机 ide为例：
  

     type='file' device='disk'>   name='qemu' type='qcow2' cache='none' discard='unmap'/>  file='/data/hotplug/vdb.qcow2'/>   dev='sdb' bus='ide'/>  

virtio-scsi为例：

  type='file' device='disk'>  file='/tmp/scsidisk.qcow2'/>  dev='sda' bus='scsi'/>  type='drive' controller='0' bus='0' target='0' unit='0'/>    type='scsi' index='0' model='virtio-scsi'/>   

• qemu直接启动虚拟机

./qemu-system-x86_64 --enable-kvm -m 2g -smp 2  -drive file=/data/hotplug/hotplug.qcow2,cache=none,if=ide,discard=on,format=qcow2 -drive file=/data/hotplug/vdb.qcow2,cache=none,if=ide,discard=on,format=qcow2  -vnc 186.100.8.138:-1 

新格式（以virtio-scsi-pci为例）：

./qemu-system-x86_64 --enable-kvm -m 2g -smp 2  -drive file=/data/hotplug/hotplug.qcow2,cache=none,if=none,id=hd2,discard=on,format=qcow2 -drive file=/data/hotplug/vdb.qcow2,cache=none,if=none,id=hd,discard=on,format=qcow2 -device virtio-scsi-pci,id=scsi -device scsi-hd,drive=hd2 -device scsi-hd,drive=hd   -vnc 186.100.8.138:-1 

• 确认方法
  虚拟机内部(文件系统挂载需要-o discard参数）：

mount -o discard /dev/sdb /mnt 

在guest中/mnt下创建大文件：

[root@localhost hotplug]# du -hs vdb.qcow2
481M    vdb.qcow2 

在guest中/mnt下删除大文件：

[root@localhost hotplug]# du -hs vdb.qcow2
294M    vdb.qcow2