Hetzner服务器使用Bcache和nvme加速HDD

近期进行大容量下载读取的时候，经常由于hdd的写入瓶颈问题，造成写入速度不稳定。经过从100MB/S直接掉到B/S,也就是我们所称的卡IO。

Bcache简介

bcache 是一个 Linux 内核块层超速缓存。它允许使用一个或多个高速磁盘驱动器（例如 SSD）作为一个或多个速度低得多的硬盘的超速缓存。bcache 支持直写和写回，不受所用文件系统的约束。

主要功能：
1，可以使用单个超速缓存设备来超速缓存任意数量的后备设备。在运行时可以挂接和分离已装入及使用中的后备设备。
2，在非正常关机后恢复 - 只有在超速缓存与后备设备一致后才完成写入。
3，SSD 拥塞时限制传至 SSD 的流量。
4，高效的写回实施方案。脏数据始终按排序顺序写出。
5，稳定可靠，可在生产环境中使用。

以下教程基于Debian12

准备条件

14块22T的HDD组成的raid阵列

nvme0n1 作为系统盘 7.68T

nvme1n1 作为缓存盘 7.68T

格式化好HDD 和缓存所用的NV

下面是已完成的最终情况

root@Debian ~ # lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE  MOUNTPOINTS
sda           8:0    1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdb           8:16   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdc           8:32   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdd           8:48   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sde           8:64   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdf           8:80   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdg           8:96   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdh           8:112  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdi           8:128  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdj           8:144  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdk           8:160  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdl           8:176  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdm           8:192  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
sdn           8:208  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
nvme1n1     259:0    0     7T  0 disk  
├─nvme1n1p1 259:2    0     1G  0 part  
├─nvme1n1p2 259:3    0     7T  0 part  
│ └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  /hdd
└─nvme1n1p3 259:4    0     1M  0 part  
nvme0n1     259:1    0     7T  0 disk  
├─nvme0n1p1 259:5    0     1G  0 part  /boot
├─nvme0n1p2 259:6    0     7T  0 part  /
└─nvme0n1p3 259:7    0     1M  0 part

内核开启Bcache

modprobe bcache
lsmod |grep bcache

安装bcache-tools

apt install bcache-tools

格式化

wipefs -a /dev/md127
wipefs -a /dev/nvme1n1p2

添加数据盘

make-bcache -B /dev/md127

添加缓存盘

make-bcache -C /dev/nvme1n1p2

查看当前块信息

root@Debian ~ # lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE  MOUNTPOINTS
sda           8:0    1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdb           8:16   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdc           8:32   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdd           8:48   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sde           8:64   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdf           8:80   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdg           8:96   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdh           8:112  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdi           8:128  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdj           8:144  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdk           8:160  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdl           8:176  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdm           8:192  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdn           8:208  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
nvme1n1     259:0    0     7T  0 disk  
├─nvme1n1p1 259:2    0     1G  0 part  
├─nvme1n1p2 259:3    0     7T  0 part  
└─nvme1n1p3 259:4    0     1M  0 part  
nvme0n1     259:1    0     7T  0 disk  
├─nvme0n1p1 259:5    0     1G  0 part  /boot
├─nvme0n1p2 259:6    0     7T  0 part  /
└─nvme0n1p3 259:7    0     1M  0 part

获取缓存盘UUID

bcache-super-show /dev/nvme1n1p2
如下图所示，就是cset.uuid

绑定缓存盘

echo "0c07a77e-3735-410b-adae-60ea5d708009" >/sys/block/bcache0/bcache/attach

查看当前块信息

root@Debian ~ # lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE  MOUNTPOINTS
sda           8:0    1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdb           8:16   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdc           8:32   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdd           8:48   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sde           8:64   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdf           8:80   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdg           8:96   1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdh           8:112  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdi           8:128  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdj           8:144  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdk           8:160  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdl           8:176  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdm           8:192  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
sdn           8:208  1    20T  0 disk  
└─md127       9:127  0 280.1T  0 raid0 
  └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
nvme1n1     259:0    0     7T  0 disk  
├─nvme1n1p1 259:2    0     1G  0 part  
├─nvme1n1p2 259:3    0     7T  0 part  
│ └─bcache0 252:0    0 280.1T  0 disk  
└─nvme1n1p3 259:4    0     1M  0 part  
nvme0n1     259:1    0     7T  0 disk  
├─nvme0n1p1 259:5    0     1G  0 part  /boot
├─nvme0n1p2 259:6    0     7T  0 part  /
└─nvme0n1p3 259:7    0     1M  0 part

查看缓存状态

no cache：该backing device没有attach任何caching device
一切正常，缓存是干净的
一切正常，已启用回写，缓存是脏的
遇到问题，后台设备与缓存设备不同步

cat /sys/block/bcache0/bcache/state

更改缓存策略

Bcache有三种缓存策略

writeback回写策略：数据先写入到缓存磁盘，再等待系统将缓存磁盘数据刷到后端磁盘
writethrough写通策略：数据会同时写入缓存磁盘和数据磁盘（默认是该模式）
writearound直达策略：数据直接写入后端磁盘。

为了性能，这里改为 writeback回写策略

查看缓存模式
cat /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
修改缓存策略
 echo writeback > /sys/block/bcache0/bcache/cache_mode
允许缓存顺序I/O（非常重要）
echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff

格式化数据盘

mkfs.xfs /dev/bcache0

设置开机自动挂载

查看设备UUID
blkid /dev/bcache0
添加到/etc/fstab
vim /etc/fstab
添加上面UUID
UUID=f9c51924-f6d5-4466-84ee-14fcfbb1bb14 /hdd                   xfs     defaults        0 0

测试缓存性能

Yabs Fio测试

有缓

Block Size	4k (IOPS)	64k (IOPS)
Read	240.07 MB/s (60.0k)	1.53 GB/s (24.0k)
Write	240.70 MB/s (60.1k)	1.54 GB/s (24.1k)
Total	480.77 MB/s (120.1k)	3.08 GB/s (48.2k)

Block Size	512k (IOPS)	1m (IOPS)
——	— —-	—- —-
Read	2.94 GB/s (5.7k)	3.09 GB/s (3.0k)
Write	3.10 GB/s (6.0k)	3.29 GB/s (3.2k)
Total	6.04 GB/s (11.8k)	6.39 GB/s (6.2k)

无缓

Block Size	4k (IOPS)	64k (IOPS)
Read	24.43 MB/s (6.1k)	306.10 MB/s (4.7k)
Write	24.44 MB/s (6.1k)	307.72 MB/s (4.8k)
Total	48.88 MB/s (12.2k)	613.82 MB/s (9.5k)

Block Size	512k (IOPS)	1m (IOPS)
——	— —-	—- —-
Read	772.93 MB/s (1.5k)	1.88 GB/s (1.8k)
Write	814.00 MB/s (1.5k)	2.01 GB/s (1.9k)
Total	1.58 GB/s (3.0k)	3.90 GB/s (3.8k)

Bcache简介

准备条件

内核开启Bcache

安装bcache-tools

格式化

添加数据盘

添加缓存盘

查看当前块信息

获取缓存盘UUID

绑定缓存盘

查看当前块信息

查看缓存状态

更改缓存策略

格式化数据盘

设置开机自动挂载

测试缓存性能

Yabs Fio测试

有缓

无缓

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