=========================== 作业 3——软件 RAID =========================== .. meta:: :description: 本文介绍了一个软件 RAID 实现的编程作业，包括作业要求、实现细节和测试说明。它旨在帮助学生深入了解 I/O 子系统、使用 bio 结构、处理块/磁盘设备等相关技能。 :keywords: 软件 RAID, 内核编程, Linux, bio, 块设备, CRC, 错误恢复 - 截止日期： :command:`周一，2023 年 5 月 15 日，23:00` - 本作业可以由团队（最多 2 人）完成。只需由其中一人提交作业，并在 README 文件中列出学生的姓名。 实现一个软件 RAID 模块，该模块使用逻辑块设备从两个物理设备读取和写入数据，确保两个物理设备的数据一致性和同步。所实现的 RAID 类型类似于 `RAID 1`。 作业目标 ======================= * 深入理解 I/O 子系统的工作原理。 * 获得使用 `bio` 结构的进阶技能。 * 在 Linux 内核中使用块/磁盘设备。 * 获得在 Linux 中导航和理解专用于 I/O 子系统的代码和 API 的技能。 题目描述 ========= 编写一个内核模块，实现 RAID 软件功能。 `软件 RAID `__ 在逻辑设备和物理设备之间提供了一个抽象层。实现请使用 `RAID 方案 1 `__。 虚拟机具有两个硬盘，它们代表物理设备: `/dev/vdb` 和 `/dev/vdc`。操作系统有一个逻辑设备（块类型），其提供接口供用户空间访问。将请求写入逻辑设备将导致两个写操作，分别写入每个硬盘。硬盘未分区。可以认为每个硬盘都整个由单个分区覆盖。 每个分区存储一个扇区以及关联的校验和（CRC32），以确保错误恢复。在每次读取时，会读取两个分区的相关信息。如果第一个分区的扇区存在损坏的数据（CRC 值错误），则将读取第二个分区的扇区；同时，将修复第一个分区的扇区。在读取第二个分区发现其扇区损坏时也是类似的。如果两个分区的扇区都具有不正确的 CRC 值，则返回适当的错误代码。 重要提示 ----------------- 为了确保错误恢复，每个扇区都与一个 CRC 码相关联。CRC 码存储在分区的 `LOGICAL_DISK_SIZE` 字节之后（在作业 `头文件 `__ 中定义的宏）。磁盘结构的布局如下所示： .. code-block:: console +-----------+-----------+-----------+ +---+---+---+ | sector1 | sector2 | sector3 |.....|C1 |C2 |C3 | +-----------+-----------+-----------+ +---+---+---+ 其中, ``C1``, ``C2``, ``C3`` 是扇区 ``sector1``, ``sector2``, ``sector3`` 的 CRC 值。CRC 区域位于分区的 `LOGICAL_DISK_SIZE` 字节之后。 CRC 的种子使用 0（零）。 实现细节 ====================== - 内核模块的名称为 ``ssr.ko``。 - 逻辑设备将被作为块设备访问（使用主设备号 ``SSR_MAJOR`` 和次设备号 ``SSR_FIRST_MINOR``，用户空间可通过访问名称为 ``/dev/ssr`` 的文件来访问该逻辑设备）（通过宏 ``LOGICAL_DISK_NAME``）。 - 虚拟设备 (``LOGICAL_DISK_NAME`` —— ``/dev/ssr``) 的容量为 ``LOGICAL_DISK_SECTORS``（使用 ``struct gendisk`` 结构的 ``set_capacity`` 函数）。 - 两个硬盘由设备 ``/dev/vdb`` 和 ``/dev/vdc`` 表示，分别通过宏 ``PHYSICAL_DISK1_NAME`` 和 ``PHYSICAL_DISK2_NAME`` 定义。 - 若要使用与物理设备关联的 ``struct block_device`` 结构进行操作，可以使用 ``blkdev_get_by_path`` 和 ``blkdev_put`` 函数。 - 对于来自用户空间的请求处理，不建议使用 ``request_queue``，而是在 :c:type:`struct bio` 层面进行处理（使用 :c:type:`struct block_device_operations` 的 ``submit_bio`` 字段）。 - 由于数据扇区与 CRC 扇区是分开的，你需要为数据和 CRC 值构建单独的 ``bio`` 结构。 - 要为物理硬盘分配 :c:type:`struct bio`，可以使用 :c:func:`bio_alloc`；要向 bio 添加数据页，请使用 :c:func:`alloc_page` 和 :c:func:`bio_add_page`。 - 要释放为 :c:type:`struct bio` 分配的空间，你需要释放分配给该 bio 的页面（使用 :c:func:`__free_page` 宏），并调用 :c:func:`bio_put`。 - 生成 :c:type:`struct bio` 结构时，请注意其大小必须是磁盘扇区大小 (``KERNEL_SECTOR_SIZE``) 的倍数。 - 要发送请求到块设备并等待其结束，可以使用 :c:func:`submit_bio_wait` 函数。 - 使用 :c:func:`bio_endio` 来表示完成处理 ``bio`` 结构。 - 对于 CRC32 计算，可以使用内核提供的 :c:func:`crc32` 宏。 - 作业支持 `头文件 `__ 中可以找到一些有用的宏定义。 - 在调用堆栈中，块设备的单个请求处理函数可同时激活，有关更多详细信息，请参阅 `此处 `__。 你需要在内核线程中提交对物理设备的请求；我们建议使用 ``workqueues``。 - 要想快速运行，使用一个单独的 bio 批量发送相邻扇区的 CRC 值的读/写请求。例如，如果你需要发送扇区 0、1、...、7 的 CRC 请求，则使用一个单独的 bio，而不是 8 个 bio。 - 我们的建议不是强制性的（只要满足作业要求，任何解决方案都被接受）。 测试 ======= 为了简化作业评估过程，减少提交作业时的错误，作业评估将通过一个名为 `_checker` 的 `测试脚本 `__ 自动进行。测试脚本假定内核模块的名称为 `ssr.ko`。 如果在测试过程中，两个磁盘上的扇区都包含无效数据，导致读取错误，使得无法使用模块，则需要使用以下命令在虚拟机中重新创建两个磁盘： .. code-block:: console $ dd if=/dev/zero of=/dev/vdb bs=1M $ dd if=/dev/zero of=/dev/vdc bs=1M 你还可以使用以下命令启动虚拟机以获得相同的结果： .. code-block:: console $ rm disk{1,2}.img; make console # 或者 rm disk{1,2}.img; make boot 快速入门 ========== 必须从 `src 目录 `__ 中的代码骨架开始实现作业。框架中只有一个名为 `ssr.h `__ 的头文件。你需要提供其余的实现。你可以添加任意数量的 `*.c`` 源文件和额外的 `*.h`` 头文件。你还应该提供一个名为 `ssr.ko` 的内核模块的 Kbuild 文件。请按照 `作业仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中的说明进行操作。 提示 ---- 为了增加获得最高分的机会，请阅读并遵循 Linux 内核的编码风格，该风格在 `编码风格文档 `__ 中有描述。 此外，请使用以下静态分析工具来验证代码： - checkpatch.pl .. code-block:: console $ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/file.c - sparse .. code-block:: console $ sudo apt-get install sparse $ cd linux $ make C=2 /path/to/your/file.c - cppcheck .. code-block:: console $ sudo apt-get install cppcheck $ cppcheck /path/to/your/file.c 扣分项 --------- 有关作业扣分的信息可以在 `综合说明页面 `__ 上找到。 在特殊情况下（作业通过测试，但不符合要求），以及如果作业未通过所有测试，则可能会降低更多分数。 提交作业 ------------------------ 作业将使用 `vmchecker-next `__ 基础设施进行自动评分。提交将在 moodle 的 `课程页面 `__ 上与相关作业相关联。你可以在 `仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中找到提交的详细信息。 资源 ========= - Linux 内核中 RAID 软件的实现 `RAID `__ 建议使用 GitLab 存储你的作业。请按照 `README `__ 中的说明进行操作。 问题 ========= 如果有相关问题，你可以查阅 `邮件列表归档 `__，或在专用的 Teams 频道上提问。 在提问之前，请确保： - 你已经仔细阅读了作业说明 - 问题在 `FAQ 页面 `__ 中没有被提及 - 答案在 `邮件列表归档 `__ 中无法找到