家用 NAS 服务器（3）| SSD缓存加速机械硬盘

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#服务器 #缓存 #运维 #linux #ubuntu

于 2022-07-23 10:15:00 首次发布

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本文详细介绍了如何在Ubuntu家用NAS服务器中使用bcache工具，通过SSD缓存加速机械硬盘的读写性能。作者首先介绍了系统环境和硬盘布局，然后一步步演示了如何分区、安装bcache、设置缓存模式，以及创建xfs文件系统和自动挂载。通过bcache的writearound模式，提高了机械硬盘的随机读写速度，为后续的mergerfs和snapraid备份打下了基础。

家用 NAS 服务器（3）| SSD缓存加速机械硬盘

原文地址：优快云博文

前文提要：家用 NAS 服务器（2）| HyperV的Winserver 2022和Ubuntu 22.04双系统

后文链接：家用 NAS 服务器（4）| MergerFS和SnapRaid数据定时备份

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家用 NAS 服务器（3）| SSD缓存加速机械硬盘

1. 前言

呀吼，读者朋友们我们又见面了 o(￣▽￣)ブ。还记得上一章我们已经安装了 Windows Server，并且把 Ubuntu Server 成功在 Hyper-V 中安装。安装成功后，笔者将机械硬盘直通给了 Ubuntu 虚拟机。

但是大家都知道，机械硬盘的随机读写性能非常低，因此为了提高 HDD 的随机读写能力，在这一章中，笔者将带大家，通过设置 bcache 工具，将以 SSD 固态硬盘作为缓存，来提高机械硬盘的随机读写能力。

此外，还将简要通过笔者以前的文章，来降低机械硬盘的功耗。笔者的博文在这：SeaChest Utilities 工具，让你的硬盘功耗又低又长寿。

2. SSD 缓存加速

SSD 缓存可以有效缓解机械硬盘的随机读写性能低的问题，因此将是服务器投入使用前的第一件需要设置的事情。

在开始演示操作前，笔者先说明一下我的 Ubuntu 的设备结构。如果发现自己的设备结构不同，需要自行调整命令或在 Hyper-V 中修改设备位置。笔者的设备结构如下：

设备名	描述
`/dev/sda`	系统盘。实体为外部 Winserver 的虚拟磁盘。
`/dev/sdb`	固态硬盘，将用作 SSD 缓存。
`/dev/sdc`	第一个 16T 机械硬盘。
`/dev/sdd`	第二个 16T 机械硬盘。

2.1 硬盘分区

尽管硬盘不强制分区，笔者还是喜欢给每个存储设备分一个区，此处使用 fdisk 工具创建 GPT 表并进行分区：

# 对机械硬盘进入 fdisk 界面
> sudo fdisk /dev/sdc
# 创建 gpt 分区表
> g
# 创建新分区，全部采用默认设置，即只创建一个分区，占据全部设备空间
> n

读者如果有自己的分区需求，可以自行调整分区结构。此处 SSD 不参与分区。

分区后，笔者目前的分区设备为 /dev/sdc1 与 /dev/sdd1。

2.2 bcache

2.2.1 bcache 安装

bcache 是一项 Linux 下的工具，其允许使用固态硬盘作为读写缓存（writeback模式）或者读缓存（writethrough 或者 writearound模式）来为另一个 block 设备（通常是机械硬盘或硬盘阵列）加速。

此外，bcache 团队还开发了基于 bcache 的 bcachefs，这个文件系统在提供 SSD 缓存加速之余，还提供了 COW(Copy On Write 写时拷贝）、数据加密、数据备份和磁盘阵列等功能。不过此处我们已经设置了 xfs 文件系统，就不需要用到，下面的内容部分参考于 Bcache - ArchWiki。

在 Ubuntu 中如果要启用，需要先下载 bcache 工具。幸运的是，apt 源中已经含有 bcache，只需要用以下命令即可下载安装：

sudo apt install bcache-tools

注意：后面的 bcache 初始化操作，将会清空硬盘上的所有数据，因此 bcache 应该是在文件系统初始化之前的步骤。

然后，开始初始化固态硬盘和机械硬盘：

# 创建一个后端设备（通常来说这是你的机械硬盘）。
# 后端设备可以是整个设备、一个分区或者其他任何的 block 设备。
make-bcache -B /dev/sdc1
make-bcache -B /dev/sdd1

# 创建一个缓存设备（这通常是你的固态硬盘）。
# 缓存设备可以是整个设备、一个分区或者其他任何的 block 设备
make-bcache -C /dev/sdb

如果上述命令成功执行了，那么现在在 /dev 目录下将多出两个设备：/dev/bcache0 和 /dev/bcache1，分别对应着 /dev/sdc 和 /dev/sdd。目前的缓存与后端设备的对应关系为：

SSD 缓存相关设备	原始设备（分区）	描述
无	`/dev/sdb`	SSD 缓存盘
`/dev/bcache0`	`/dev/sdc1`	机械硬盘 1
`/dev/bcache1`	`/dev/sdd1`	机械硬盘 1

之后，我们将固态硬盘作为缓存设备，添加到机械硬盘（后端设备）的缓存列表中。首先查看当前的固态硬盘缓存设备的 UUID：

ls /sys/fs/bcache/

通过这行命令可以看到一个目录下有一个 UUID，那就是缓存设备的 UUID 了。如果没有，则使用下面命令注册缓存设备：

echo /dev/sdb > /sys/fs/bcache/register

上面两条命令都能看到缓存设备的 UUID，把这个 UUID 记住，并添加到后端设备的缓存列表中，即可启用 SSD 缓存加速：

echo UUID__from_previous_command > /sys/block/bcache0/bcache/attach
echo UUID__from_previous_command > /sys/block/bcache1/bcache/attach

2.2.2 bcache 操作

显示bcached设备的信息：

bcache-super-show /dev/sdXY

停止后端设备：

echo 1 > /sys/block/sdX/sdX[Y]/bcache/stop

让缓存设备脱机：

echo 1 > /sys/block/sdX/sdX[Y]/bcache/detach

2.2.3 bcache 模式

bcache 的工作模式一共有 4 种，分别是：

none：完全不缓存。
writeback：性能最好的缓存模式，所有读写请求在 SSD 上完成的时候就视作请求完成。注意，这种模式虽然能大幅提升性能，但是由于 SSD 上的数据将异步的与后端设备进行同步，因此如果同步的过程中遭遇断电，可能将导致 SSD 上的数据损失。尽管如此，bcache 在下一次重启后，会继续将上次未完成的异步同步过程继续完成，将数据损失的风险降到最低。
writethrough：默认的缓存模式，性能相较于上面一个有所下降。此模式下，所有读操作都将经过缓存层。不同的是，所有写入请求将同时对 SSD 以及后端设备进行，且仅当后端设备写入完成后，视作请求完成。这样的好处是，写入后一段时间内的读操作得到了缓存的性能提升。
writearound：性能较低的模式，但是能延长 SSD 的寿命。此模式下，仅仅缓存读操作。

后端设备运行时，可以查看后端设备所采用的缓存模式：

cat /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
cat /sys/block/bcache1/bcache/cache_mode

笔者考虑到 SSD 的寿命问题，以及自己对于写操作的缓存不是很感冒，因此选择修改缓存模式为 writearound 模式：

echo writearound > /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
echo writearound > /sys/block/bcache1/bcache/cache_mode

当然，各位读者如果有自己的需求，可以自行选择缓存模式。

2.3 xfs 文件系统

笔者选择 xfs 文件系统，主要看重了其作为 RHEL 发行版的默认文件系统的稳定性，同时性能也并不落后 ext4 多少。具体测评可见笔者另一篇博文：ext4、ntfs、xfs、btrfs、zfs、f2fs和reiserFS性能对比。

在建立好缓存机制的后端设备之上，我们将开始对其格式化文件系统。这个文件系统可自行选择，不一定要是 xfs 文件系统，只是笔者选择了 xfs。

首先，安装 xfs 的相关工具：

sudo apt install xfsprogs

之后，对我们的后端设备分区建立文件系统，注意之后直接对 bcache* 的设备进行操作：

sudo mkfs.xfs /dev/bcache0
sudo mkfs.xfs /dev/bcache1

至此，xfs 文件系统已经在含有 SSD 缓存的硬盘上成功建立，可以挂载了。

2.4 fstab 开机自动挂载

文件系统建立完毕后，最好是设置其自动挂载。

此处，我打算将两个盘分别挂载于 /mnt/sdc 和 /mnt/snapraid_backup。首先创建好挂载点：

sudo mkdir -p /mnt/sdc /mnt/snapraid_backup

然后通过查看 bcache* 设备的 UUID 并记下来：

sudo lsblk -f

使用编辑器打开 /etc/fstab，加入以下代码：

UUID=<bcache0 的 UUID> /mnt/sdc xfs defaults 0 0
UUID=<bcache1 的 UUID> /mnt/snapraid_backup xfs defaults 0 0

保存后重启系统，如果成功，则带有 SSD 缓存的机械硬盘就建立完毕了。

3. 总结

这一期，笔者终于把 SSD 缓存加速机制搭建好，也算是调教好 bcache 的功能了。在 bcache 的加持下，一段时间内的随机访问速度从原来的 2MB/s 提升到了现在的 30Mb/s，相较于原来的机械硬盘，已经有了巨大的提升。

此外，本期还将文件系统一起创建出来，为下一期的 mergerfs 和 snapraid 的出场做好了铺垫。只有当 mergerfs + snapraid 建立起来，才算是真正的给数据建立起了安全的港湾。

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最近看到很多水分很大的博文，内容朴素无华且同质化严重，俺终究还是不想变成这种营销号，愿开源精神长存！