作业 3——软件 RAID

  • 截止日期： 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：

+-----------+-----------+-----------+     +---+---+---+
|  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 struct bio 层面进行处理（使用 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 struct bio，可以使用 bio_alloc()；要向 bio 添加数据页，请使用 alloc_page() 和 bio_add_page()。
  • 要释放为 struct bio 分配的空间，你需要释放分配给该 bio 的页面（使用 __free_page() 宏），并调用 bio_put()。
  • 生成 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 submit_bio_wait() 函数。
  • 使用 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 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：

$ 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：

$ 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
$ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/file.c
  • sparse
$ sudo apt-get install sparse
$ cd linux
$ make C=2 /path/to/your/file.c
  • cppcheck
$ 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：