hammer2 - freemap part 2 - cleanup & performance pass
[dragonfly.git] / sys / vfs / hammer2 / hammer2_disk.h
1 /*
2  * Copyright (c) 2011-2012 The DragonFly Project.  All rights reserved.
3  *
4  * This code is derived from software contributed to The DragonFly Project
5  * by Matthew Dillon <dillon@dragonflybsd.org>
6  * by Venkatesh Srinivas <vsrinivas@dragonflybsd.org>
7  *
8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9  * modification, are permitted provided that the following conditions
10  * are met:
11  *
12  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
14  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
16  *    the documentation and/or other materials provided with the
17  *    distribution.
18  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
19  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
20  *    from this software without specific, prior written permission.
21  *
22  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
23  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
24  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
25  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
26  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
27  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
28  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
29  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
30  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
31  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
32  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
33  * SUCH DAMAGE.
34  */
35 #ifndef VFS_HAMMER2_DISK_H_
36 #define VFS_HAMMER2_DISK_H_
37
38 #ifndef _SYS_UUID_H_
39 #include <sys/uuid.h>
40 #endif
41 #ifndef _SYS_DMSG_H_
42 #include <sys/dmsg.h>
43 #endif
44
45 /*
46  * The structures below represent the on-disk media structures for the HAMMER2
47  * filesystem.  Note that all fields for on-disk structures are naturally
48  * aligned.  The host endian format is typically used - compatibility is
49  * possible if the implementation detects reversed endian and adjusts accesses
50  * accordingly.
51  *
52  * HAMMER2 primarily revolves around the directory topology:  inodes,
53  * directory entries, and block tables.  Block device buffer cache buffers
54  * are always 64KB.  Logical file buffers are typically 16KB.  All data
55  * references utilize 64-bit byte offsets.
56  *
57  * Free block management is handled independently using blocks reserved by
58  * the media topology.
59  */
60
61 /*
62  * The data at the end of a file or directory may be a fragment in order
63  * to optimize storage efficiency.  The minimum fragment size is 1KB.
64  * Since allocations are in powers of 2 fragments must also be sized in
65  * powers of 2 (1024, 2048, ... 65536).
66  *
67  * For the moment the maximum allocation size is HAMMER2_PBUFSIZE (64K),
68  * which is 2^16.  Larger extents may be supported in the future.  Smaller
69  * fragments might be supported in the future (down to 64 bytes is possible),
70  * but probably will not be.
71  *
72  * A full indirect block use supports 1024 x 64-byte blockrefs in a 64KB
73  * buffer.  Indirect blocks down to 1KB are supported to keep small
74  * directories small.
75  *
76  * A maximally sized file (2^64-1 bytes) requires 5 indirect block levels.
77  * The hammer2_blockset in the volume header or file inode has another 8
78  * entries, giving us 66+3 = 69 bits of address space.  However, some bits
79  * are taken up by (potentially) requests for redundant copies.  HAMMER2
80  * currently supports up to 8 copies, which brings the address space down
81  * to 66 bits and gives us 2 bits of leeway.
82  */
83 #define HAMMER2_MIN_ALLOC       1024    /* minimum allocation size */
84 #define HAMMER2_MIN_RADIX       10      /* minimum allocation size 2^N */
85 #define HAMMER2_MAX_ALLOC       65536   /* maximum allocation size */
86 #define HAMMER2_MAX_RADIX       16      /* maximum allocation size 2^N */
87 #define HAMMER2_KEY_RADIX       64      /* number of bits in key */
88
89 /*
90  * MINALLOCSIZE         - The minimum allocation size.  This can be smaller
91  *                        or larger than the minimum physical IO size.
92  *
93  *                        NOTE: Should not be larger than 1K since inodes
94  *                              are 1K.
95  *
96  * MINIOSIZE            - The minimum IO size.  This must be less than
97  *                        or equal to HAMMER2_LBUFSIZE.
98  *
99  * HAMMER2_LBUFSIZE     - Nominal buffer size for I/O rollups.
100  *
101  * HAMMER2_PBUFSIZE     - Topological block size used by files for all
102  *                        blocks except the block straddling EOF.
103  *
104  * HAMMER2_SEGSIZE      - Allocation map segment size, typically 2MB
105  */
106
107 #define HAMMER2_SEGSIZE         (65536 * 8)
108
109 #define HAMMER2_PBUFRADIX       16      /* physical buf (1<<16) bytes */
110 #define HAMMER2_PBUFSIZE        65536
111 #define HAMMER2_LBUFRADIX       14      /* logical buf (1<<14) bytes */
112 #define HAMMER2_LBUFSIZE        16384
113
114 /*
115  * Generally speaking we want to use 16K and 64K I/Os
116  */
117 #if 1
118 #define HAMMER2_MINIORADIX      HAMMER2_LBUFRADIX
119 #define HAMMER2_MINIOSIZE       HAMMER2_LBUFSIZE
120 #else
121 #define HAMMER2_MINIORADIX      10
122 #define HAMMER2_MINIOSIZE       1024
123 #endif
124
125 #define HAMMER2_IND_BYTES_MIN   HAMMER2_LBUFSIZE
126 #define HAMMER2_IND_BYTES_MAX   HAMMER2_PBUFSIZE
127 #define HAMMER2_IND_COUNT_MIN   (HAMMER2_IND_BYTES_MIN / \
128                                  sizeof(hammer2_blockref_t))
129 #define HAMMER2_IND_COUNT_MAX   (HAMMER2_IND_BYTES_MAX / \
130                                  sizeof(hammer2_blockref_t))
131
132 /*
133  * In HAMMER2, arrays of blockrefs are fully set-associative, meaning that
134  * any element can occur at any index and holes can be anywhere.  As a
135  * future optimization we will be able to flag that such arrays are sorted
136  * and thus optimize lookups, but for now we don't.
137  *
138  * Inodes embed either 512 bytes of direct data or an array of 8 blockrefs,
139  * resulting in highly efficient storage for files <= 512 bytes and for files
140  * <= 512KB.  Up to 8 directory entries can be referenced from a directory
141  * without requiring an indirect block.
142  *
143  * Indirect blocks are typically either 4KB (64 blockrefs / ~4MB represented),
144  * or 64KB (1024 blockrefs / ~64MB represented).
145  */
146 #define HAMMER2_SET_COUNT               8       /* direct entries */
147 #define HAMMER2_SET_RADIX               3
148 #define HAMMER2_EMBEDDED_BYTES          512     /* inode blockset/dd size */
149 #define HAMMER2_EMBEDDED_RADIX          9
150
151 #define HAMMER2_PBUFMASK        (HAMMER2_PBUFSIZE - 1)
152 #define HAMMER2_LBUFMASK        (HAMMER2_LBUFSIZE - 1)
153 #define HAMMER2_SEGMASK         (HAMMER2_SEGSIZE - 1)
154
155 #define HAMMER2_LBUFMASK64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_LBUFMASK)
156 #define HAMMER2_PBUFSIZE64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_PBUFSIZE)
157 #define HAMMER2_PBUFMASK64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_PBUFMASK)
158 #define HAMMER2_SEGSIZE64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_SEGSIZE)
159 #define HAMMER2_SEGMASK64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_SEGMASK)
160
161 #define HAMMER2_UUID_STRING     "5cbb9ad1-862d-11dc-a94d-01301bb8a9f5"
162
163 /*
164  * A HAMMER2 filesystem is always sized in multiples of 8MB.
165  *
166  * A 4MB segment is reserved at the beginning of each 2GB zone.  This segment
167  * contains the volume header (or backup volume header), the free block
168  * table, and possibly other information in the future.
169  *
170  * 4MB = 64 x 64K blocks.  Each 4MB segment is broken down as follows:
171  *
172  *      +-----------------------+
173  *      |       Volume Hdr      | block 0       volume header & alternates
174  *      +-----------------------+               (first four zones only)
175  *      |   FreeBlk Section A   | block 1-8
176  *      +-----------------------+
177  *      |   FreeBlk Section B   | block 9-16
178  *      +-----------------------+
179  *      |   FreeBlk Section C   | block 17-24
180  *      +-----------------------+
181  *      |   FreeBlk Section D   | block 25-32
182  *      +-----------------------+
183  *      |                       | block 33...63
184  *      |       reserved        |
185  *      |                       |
186  *      +-----------------------+
187  *
188  * The first few 2GB zones contain volume headers and volume header backups.
189  * After that the volume header block# is reserved.
190  *
191  * The freemap utilizes blocks #1-32 for now, see the FREEMAP document.
192  * The Free block table has a resolution of 1KB
193  *
194  * WARNING!  ZONE_SEG and VOLUME_ALIGN must be a multiple of 1<<LEVEL0_RADIX
195  *           (i.e. a multiple of 2MB).  VOLUME_ALIGN must be >= ZONE_SEG.
196  */
197 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGN            (8 * 1024 * 1024)
198 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGN64          ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
199 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK        (HAMMER2_VOLUME_ALIGN - 1)
200 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK64     ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK)
201
202 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGN             (HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
203 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGN64           ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
204 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK         (HAMMER2_VOLUME_ALIGN - 1)
205 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK)
206
207 #define HAMMER2_ZONE_BYTES64            (2LLU * 1024 * 1024 * 1024)
208 #define HAMMER2_ZONE_MASK64             (HAMMER2_ZONE_BYTES64 - 1)
209 #define HAMMER2_ZONE_SEG                (4 * 1024 * 1024)
210 #define HAMMER2_ZONE_SEG64              ((hammer2_off_t)HAMMER2_ZONE_SEG)
211 #define HAMMER2_ZONE_BLOCKS_SEG         (HAMMER2_ZONE_SEG / HAMMER2_PBUFSIZE)
212
213 /*
214  * 64 x 64KB blocks are reserved at the base of each 2GB zone.  These blocks
215  * are used to store the volume header or volume header backups, allocation
216  * tree, and other information in the future.
217  *
218  * All specified blocks are not necessarily used in all 2GB zones.  However,
219  * dead areas are reserved for future use and MUST NOT BE USED for other
220  * purposes.
221  *
222  * The freemap is arranged into four groups.  Modifications rotate through
223  * the groups on a block by block basis (so all the blocks are not necessarily
224  * synchronized to the same group).  Because the freemap is flushed
225  * independent of the main filesystem, the freemap only really needs two
226  * groups to operate efficiently.
227  *
228  *
229  *
230  */
231 #define HAMMER2_ZONE_VOLHDR             0       /* volume header or backup */
232 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_A          1       /* freemap layer group A */
233 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_B          9       /* freemap layer group B */
234 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_C          17      /* freemap layer group C */
235 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_D          25      /* freemap layer group D */
236
237                                                 /* relative to FREEMAP_x */
238 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL0           0       /* 256KB bitmap (4 blks) */
239 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL1           4       /* 2GB indmap */
240 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL2           5       /* 2TB indmap */
241 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL3           6       /* 2PB indmap */
242 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL4           7       /* 2EB indmap */
243 /* LEVEL5 is a set of 8 blockrefs in the volume header 16EB */
244
245 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK49            49      /* future */
246 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK50            50      /* future */
247 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK51            51      /* future */
248 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK52            52      /* future */
249 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK53            53      /* future */
250 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK54            54      /* future */
251 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK55            55      /* future */
252 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK56            56      /* future */
253 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK57            57      /* future */
254 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK58            58      /* future */
255 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK59            59      /* future */
256
257 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK60            60      /* future */
258 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK61            61      /* future */
259 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK62            62      /* future */
260 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK63            63      /* future */
261
262 /*
263  * Freemap radii.  Please note that LEVEL 1 blockref array entries
264  * point to 256-byte sections of the bitmap representing 2MB of storage.
265  * Even though the chain structures represent only 256 bytes, they are
266  * mapped using larger 16K or 64K buffer cache buffers.
267  */
268 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL5_RADIX    64      /* 16EB */
269 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL4_RADIX    61      /* 2EB */
270 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL3_RADIX    51      /* 2PB */
271 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL2_RADIX    41      /* 2TB */
272 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL1_RADIX    31      /* 2GB (256KB of bitmap) */
273 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_RADIX    21      /* 2MB (256 bytes of bitmap) */
274
275 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVELN_PSIZE    65536   /* physical bytes */
276 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_PSIZE    256     /* physical bytes */
277
278
279 /*
280  * Two linear areas can be reserved after the initial 2MB segment in the base
281  * zone (the one starting at offset 0).  These areas are NOT managed by the
282  * block allocator and do not fall under HAMMER2 crc checking rules based
283  * at the volume header (but can be self-CRCd internally, depending).
284  */
285 #define HAMMER2_BOOT_MIN_BYTES          HAMMER2_VOLUME_ALIGN
286 #define HAMMER2_BOOT_NOM_BYTES          (64*1024*1024)
287 #define HAMMER2_BOOT_MAX_BYTES          (256*1024*1024)
288
289 #define HAMMER2_REDO_MIN_BYTES          HAMMER2_VOLUME_ALIGN
290 #define HAMMER2_REDO_NOM_BYTES          (256*1024*1024)
291 #define HAMMER2_REDO_MAX_BYTES          (1024*1024*1024)
292
293 /*
294  * Most HAMMER2 types are implemented as unsigned 64-bit integers.
295  * Transaction ids are monotonic.
296  *
297  * We utilize 32-bit iSCSI CRCs.
298  */
299 typedef uint64_t hammer2_tid_t;
300 typedef uint64_t hammer2_off_t;
301 typedef uint64_t hammer2_key_t;
302 typedef uint32_t hammer2_crc32_t;
303
304 /*
305  * Miscellanious ranges (all are unsigned).
306  */
307 #define HAMMER2_MIN_TID         1ULL
308 #define HAMMER2_MAX_TID         0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
309 #define HAMMER2_MIN_KEY         0ULL
310 #define HAMMER2_MAX_KEY         0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
311 #define HAMMER2_MIN_OFFSET      0ULL
312 #define HAMMER2_MAX_OFFSET      0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
313
314 /*
315  * HAMMER2 data offset special cases and masking.
316  *
317  * All HAMMER2 data offsets have to be broken down into a 64K buffer base
318  * offset (HAMMER2_OFF_MASK_HI) and a 64K buffer index (HAMMER2_OFF_MASK_LO).
319  *
320  * Indexes into physical buffers are always 64-byte aligned.  The low 6 bits
321  * of the data offset field specifies how large the data chunk being pointed
322  * to as a power of 2.  The theoretical minimum radix is thus 6 (The space
323  * needed in the low bits of the data offset field).  However, the practical
324  * minimum allocation chunk size is 1KB (a radix of 10), so HAMMER2 sets
325  * HAMMER2_MIN_RADIX to 10.  The maximum radix is currently 16 (64KB), but
326  * we fully intend to support larger extents in the future.
327  */
328 #define HAMMER2_OFF_BAD         ((hammer2_off_t)-1)
329 #define HAMMER2_OFF_MASK        0xFFFFFFFFFFFFFFC0ULL
330 #define HAMMER2_OFF_MASK_LO     (HAMMER2_OFF_MASK & HAMMER2_PBUFMASK64)
331 #define HAMMER2_OFF_MASK_HI     (~HAMMER2_PBUFMASK64)
332 #define HAMMER2_OFF_MASK_RADIX  0x000000000000003FULL
333 #define HAMMER2_MAX_COPIES      6
334
335 /*
336  * HAMMER2 directory support and pre-defined keys
337  */
338 #define HAMMER2_DIRHASH_VISIBLE 0x8000000000000000ULL
339 #define HAMMER2_DIRHASH_USERMSK 0x7FFFFFFFFFFFFFFFULL
340 #define HAMMER2_DIRHASH_LOMASK  0x0000000000007FFFULL
341 #define HAMMER2_DIRHASH_HIMASK  0xFFFFFFFFFFFF0000ULL
342 #define HAMMER2_DIRHASH_FORCED  0x0000000000008000ULL   /* bit forced on */
343
344 #define HAMMER2_SROOT_KEY       0x0000000000000000ULL   /* volume to sroot */
345
346 /*
347  * The media block reference structure.  This forms the core of the HAMMER2
348  * media topology recursion.  This 64-byte data structure is embedded in the
349  * volume header, in inodes (which are also directory entries), and in
350  * indirect blocks.
351  *
352  * A blockref references a single media item, which typically can be a
353  * directory entry (aka inode), indirect block, or data block.
354  *
355  * The primary feature a blockref represents is the ability to validate
356  * the entire tree underneath it via its check code.  Any modification to
357  * anything propagates up the blockref tree all the way to the root, replacing
358  * the related blocks.  Propagations can shortcut to the volume root to
359  * implement the 'fast syncing' feature but this only delays the eventual
360  * propagation.
361  *
362  * The check code can be a simple 32-bit iscsi code, a 64-bit crc,
363  * or as complex as a 192 bit cryptographic hash.  192 bits is the maximum
364  * supported check code size, which is not sufficient for unverified dedup
365  * UNLESS one doesn't mind once-in-a-blue-moon data corruption (such as when
366  * farming web data).  HAMMER2 has an unverified dedup feature for just this
367  * purpose.
368  *
369  * --
370  *
371  * NOTE: The range of keys represented by the blockref is (key) to
372  *       ((key) + (1LL << keybits) - 1).  HAMMER2 usually populates
373  *       blocks bottom-up, inserting a new root when radix expansion
374  *       is required.
375  */
376 struct hammer2_blockref {               /* MUST BE EXACTLY 64 BYTES */
377         uint8_t         type;           /* type of underlying item */
378         uint8_t         methods;        /* check method & compression method */
379         uint8_t         copyid;         /* specify which copy this is */
380         uint8_t         keybits;        /* #of keybits masked off 0=leaf */
381         uint8_t         vradix;         /* virtual data/meta-data size */
382         uint8_t         flags;          /* blockref flags */
383         uint8_t         reserved06;
384         uint8_t         reserved07;
385         hammer2_key_t   key;            /* key specification */
386         hammer2_tid_t   mirror_tid;     /* propagate for mirror scan */
387         hammer2_tid_t   modify_tid;     /* modifications sans propagation */
388         hammer2_off_t   data_off;       /* low 6 bits is phys size (radix)*/
389         union {                         /* check info */
390                 char    buf[24];
391                 struct {
392                         uint32_t value;
393                         uint32_t unused[5];
394                 } iscsi32;
395                 struct {
396                         uint64_t value;
397                         uint64_t unused[2];
398                 } crc64;
399                 struct {
400                         char data[24];
401                 } sha192;
402
403                 /*
404                  * Freemap hints are embedded in addition to the icrc32.
405                  *
406                  * biggest - largest possible allocation 2^N within sub-tree.
407                  *           typically initialized to 64 in freemap_blockref
408                  *           and reduced as-needed when a request fails.
409                  *
410                  *           An allocation > 2^N is guaranteed to fail.  An
411                  *           allocation <= 2^N MAY fail, and if it does the
412                  *           biggest hint will be adjusted downward.
413                  *
414                  *           Used when allocating space.
415                  */
416                 struct {
417                         uint32_t icrc32;
418                         uint8_t biggest;
419                         uint8_t reserved05;
420                         uint8_t reserved06;
421                         uint8_t reserved07;
422                         uint64_t avail;         /* total available bytes */
423                         uint64_t unused;        /* unused must be 0 */
424                 } freemap;
425         } check;
426 };
427
428 typedef struct hammer2_blockref hammer2_blockref_t;
429
430 #if 0
431 #define HAMMER2_BREF_SYNC1              0x01    /* modification synchronized */
432 #define HAMMER2_BREF_SYNC2              0x02    /* modification committed */
433 #define HAMMER2_BREF_DESYNCCHLD         0x04    /* desynchronize children */
434 #define HAMMER2_BREF_DELETED            0x80    /* indicates a deletion */
435 #endif
436
437 #define HAMMER2_BLOCKREF_BYTES          64      /* blockref struct in bytes */
438
439 #define HAMMER2_BREF_TYPE_EMPTY         0
440 #define HAMMER2_BREF_TYPE_INODE         1
441 #define HAMMER2_BREF_TYPE_INDIRECT      2
442 #define HAMMER2_BREF_TYPE_DATA          3
443 #define HAMMER2_BREF_TYPE_UNUSED04      4
444 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP_NODE  5
445 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP_LEAF  6
446 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP       254     /* pseudo-type */
447 #define HAMMER2_BREF_TYPE_VOLUME        255     /* pseudo-type */
448
449 #define HAMMER2_ENC_CHECK(n)            ((n) << 4)
450 #define HAMMER2_DEC_CHECK(n)            (((n) >> 4) & 15)
451
452 #define HAMMER2_CHECK_NONE              0
453 #define HAMMER2_CHECK_ISCSI32           1
454 #define HAMMER2_CHECK_CRC64             2
455 #define HAMMER2_CHECK_SHA192            3
456 #define HAMMER2_CHECK_FREEMAP           4
457
458 #define HAMMER2_ENC_COMP(n)             (n)
459 #define HAMMER2_DEC_COMP(n)             ((n) & 15)
460
461 #define HAMMER2_COMP_NONE               0
462 #define HAMMER2_COMP_AUTOZERO           1
463
464
465 /*
466  * HAMMER2 block references are collected into sets of 8 blockrefs.  These
467  * sets are fully associative, meaning the elements making up a set are
468  * not sorted in any way and may contain duplicate entries, holes, or
469  * entries which shortcut multiple levels of indirection.  Sets are used
470  * in various ways:
471  *
472  * (1) When redundancy is desired a set may contain several duplicate
473  *     entries pointing to different copies of the same data.  Up to 8 copies
474  *     are supported but the set structure becomes a bit inefficient once
475  *     you go over 4.
476  *
477  * (2) The blockrefs in a set can shortcut multiple levels of indirections
478  *     within the bounds imposed by the parent of set.
479  *
480  * When a set fills up another level of indirection is inserted, moving
481  * some or all of the set's contents into indirect blocks placed under the
482  * set.  This is a top-down approach in that indirect blocks are not created
483  * until the set actually becomes full (that is, the entries in the set can
484  * shortcut the indirect blocks when the set is not full).  Depending on how
485  * things are filled multiple indirect blocks will eventually be created.
486  *
487  * Indirect blocks are typically 4KB (64 entres) or 64KB (1024 entries) and
488  * are also treated as fully set-associative.
489  */
490 struct hammer2_blockset {
491         hammer2_blockref_t      blockref[HAMMER2_SET_COUNT];
492 };
493
494 typedef struct hammer2_blockset hammer2_blockset_t;
495
496 /*
497  * Catch programmer snafus
498  */
499 #if (1 << HAMMER2_SET_RADIX) != HAMMER2_SET_COUNT
500 #error "hammer2 direct radix is incorrect"
501 #endif
502 #if (1 << HAMMER2_PBUFRADIX) != HAMMER2_PBUFSIZE
503 #error "HAMMER2_PBUFRADIX and HAMMER2_PBUFSIZE are inconsistent"
504 #endif
505 #if (1 << HAMMER2_MIN_RADIX) != HAMMER2_MIN_ALLOC
506 #error "HAMMER2_MIN_RADIX and HAMMER2_MIN_ALLOC are inconsistent"
507 #endif
508
509 /*
510  * The media indirect block structure.
511  */
512 struct hammer2_indblock_data {
513         hammer2_blockref_t blockref[HAMMER2_IND_COUNT_MAX];
514 };
515
516 typedef struct hammer2_indblock_data hammer2_indblock_data_t;
517
518 struct hammer2_bmap_data {
519         uint64_t    array[HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_PSIZE / sizeof(uint64_t)];
520 };
521
522 typedef struct hammer2_bmap_data hammer2_bmap_data_t;
523
524 /*
525  * In HAMMER2 inodes ARE directory entries, with a special exception for
526  * hardlinks.  The inode number is stored in the inode rather than being
527  * based on the location of the inode (since the location moves every time
528  * the inode or anything underneath the inode is modified).
529  *
530  * The inode is 1024 bytes, made up of 256 bytes of meta-data, 256 bytes
531  * for the filename, and 512 bytes worth of direct file data OR an embedded
532  * blockset.
533  *
534  * Directories represent one inode per blockref.  Inodes are not laid out
535  * as a file but instead are represented by the related blockrefs.  The
536  * blockrefs, in turn, are indexed by the 64-bit directory hash key.  Remember
537  * that blocksets are fully associative, so a certain degree efficiency is
538  * achieved just from that.
539  *
540  * Up to 512 bytes of direct data can be embedded in an inode, and since
541  * inodes are essentially directory entries this also means that small data
542  * files end up simply being laid out linearly in the directory, resulting
543  * in fewer seeks and highly optimal access.
544  *
545  * The compression mode can be changed at any time in the inode and is
546  * recorded on a blockref-by-blockref basis.
547  *
548  * Hardlinks are supported via the inode map.  Essentially the way a hardlink
549  * works is that all individual directory entries representing the same file
550  * are special cased and specify the same inode number.  The actual file
551  * is placed in the nearest parent directory that is parent to all instances
552  * of the hardlink.  If all hardlinks to a file are in the same directory
553  * the actual file will also be placed in that directory.  This file uses
554  * the inode number as the directory entry key and is invisible to normal
555  * directory scans.  Real directory entry keys are differentiated from the
556  * inode number key via bit 63.  Access to the hardlink silently looks up
557  * the real file and forwards all operations to that file.  Removal of the
558  * last hardlink also removes the real file.
559  *
560  * (attr_tid) is only updated when the inode's specific attributes or regular
561  * file size has changed, and affects path lookups and stat.  (attr_tid)
562  * represents a special cache coherency lock under the inode.  The inode
563  * blockref's modify_tid will always cover it.
564  *
565  * (dirent_tid) is only updated when an entry under a directory inode has
566  * been created, deleted, renamed, or had its attributes change, and affects
567  * directory lookups and scans.  (dirent_tid) represents another special cache
568  * coherency lock under the inode.  The inode blockref's modify_tid will
569  * always cover it.
570  */
571 #define HAMMER2_INODE_BYTES             1024    /* (asserted by code) */
572 #define HAMMER2_INODE_MAXNAME           256     /* maximum name in bytes */
573 #define HAMMER2_INODE_VERSION_ONE       1
574
575 struct hammer2_inode_data {
576         uint16_t        version;        /* 0000 inode data version */
577         uint16_t        reserved02;     /* 0002 */
578
579         /*
580          * core inode attributes, inode type, misc flags
581          */
582         uint32_t        uflags;         /* 0004 chflags */
583         uint32_t        rmajor;         /* 0008 available for device nodes */
584         uint32_t        rminor;         /* 000C available for device nodes */
585         uint64_t        ctime;          /* 0010 inode change time */
586         uint64_t        mtime;          /* 0018 modified time */
587         uint64_t        atime;          /* 0020 access time (unsupported) */
588         uint64_t        btime;          /* 0028 birth time */
589         uuid_t          uid;            /* 0030 uid / degenerate unix uid */
590         uuid_t          gid;            /* 0040 gid / degenerate unix gid */
591
592         uint8_t         type;           /* 0050 object type */
593         uint8_t         op_flags;       /* 0051 operational flags */
594         uint16_t        cap_flags;      /* 0052 capability flags */
595         uint32_t        mode;           /* 0054 unix modes (typ low 16 bits) */
596
597         /*
598          * inode size, identification, localized recursive configuration
599          * for compression and backup copies.
600          */
601         hammer2_tid_t   inum;           /* 0058 inode number */
602         hammer2_off_t   size;           /* 0060 size of file */
603         uint64_t        nlinks;         /* 0068 hard links (typ only dirs) */
604         hammer2_tid_t   iparent;        /* 0070 parent inum (recovery only) */
605         hammer2_key_t   name_key;       /* 0078 full filename key */
606         uint16_t        name_len;       /* 0080 filename length */
607         uint8_t         ncopies;        /* 0082 ncopies to local media */
608         uint8_t         comp_algo;      /* 0083 compression request & algo */
609
610         /*
611          * These fields are currently only applicable to PFSROOTs.
612          *
613          * NOTE: We can't use {volume_data->fsid, pfs_clid} to uniquely
614          *       identify an instance of a PFS in the cluster because
615          *       a mount may contain more than one copy of the PFS as
616          *       a separate node.  {pfs_clid, pfs_fsid} must be used for
617          *       registration in the cluster.
618          */
619         uint8_t         target_type;    /* 0084 hardlink target type */
620         uint8_t         reserved85;     /* 0085 */
621         uint8_t         reserved86;     /* 0086 */
622         uint8_t         pfs_type;       /* 0087 (if PFSROOT) node type */
623         uint64_t        pfs_inum;       /* 0088 (if PFSROOT) inum allocator */
624         uuid_t          pfs_clid;       /* 0090 (if PFSROOT) cluster uuid */
625         uuid_t          pfs_fsid;       /* 00A0 (if PFSROOT) unique uuid */
626
627         /*
628          * Quotas and cumulative sub-tree counters.
629          */
630         hammer2_off_t   data_quota;     /* 00B0 subtree quota in bytes */
631         hammer2_off_t   data_count;     /* 00B8 subtree byte count */
632         hammer2_off_t   inode_quota;    /* 00C0 subtree quota inode count */
633         hammer2_off_t   inode_count;    /* 00C8 subtree inode count */
634         hammer2_tid_t   attr_tid;       /* 00D0 attributes changed */
635         hammer2_tid_t   dirent_tid;     /* 00D8 directory/attr changed */
636         uint64_t        reservedE0;     /* 00E0 */
637         uint64_t        reservedE8;     /* 00E8 */
638         uint64_t        reservedF0;     /* 00F0 */
639         uint64_t        reservedF8;     /* 00F8 */
640
641         unsigned char   filename[HAMMER2_INODE_MAXNAME];
642                                         /* 0100-01FF (256 char, unterminated) */
643         union {                         /* 0200-03FF (64x8 = 512 bytes) */
644                 struct hammer2_blockset blockset;
645                 char data[HAMMER2_EMBEDDED_BYTES];
646         } u;
647 };
648
649 typedef struct hammer2_inode_data hammer2_inode_data_t;
650
651 #define HAMMER2_OPFLAG_DIRECTDATA       0x01
652 #define HAMMER2_OPFLAG_PFSROOT          0x02
653 #define HAMMER2_OPFLAG_COPYIDS          0x04    /* copyids override parent */
654
655 #define HAMMER2_OBJTYPE_UNKNOWN         0
656 #define HAMMER2_OBJTYPE_DIRECTORY       1
657 #define HAMMER2_OBJTYPE_REGFILE         2
658 #define HAMMER2_OBJTYPE_FIFO            4
659 #define HAMMER2_OBJTYPE_CDEV            5
660 #define HAMMER2_OBJTYPE_BDEV            6
661 #define HAMMER2_OBJTYPE_SOFTLINK        7
662 #define HAMMER2_OBJTYPE_HARDLINK        8       /* dummy entry for hardlink */
663 #define HAMMER2_OBJTYPE_SOCKET          9
664 #define HAMMER2_OBJTYPE_WHITEOUT        10
665
666 #define HAMMER2_COPYID_NONE             0
667 #define HAMMER2_COPYID_LOCAL            ((uint8_t)-1)
668
669 /*
670  * PEER types identify connections and help cluster controller filter
671  * out unwanted SPANs.
672  */
673 #define HAMMER2_PEER_NONE               DMSG_PEER_NONE
674 #define HAMMER2_PEER_CLUSTER            DMSG_PEER_CLUSTER
675 #define HAMMER2_PEER_BLOCK              DMSG_PEER_BLOCK
676 #define HAMMER2_PEER_HAMMER2            DMSG_PEER_HAMMER2
677
678 #define HAMMER2_COPYID_COUNT            DMSG_COPYID_COUNT
679
680 /*
681  * PFS types identify a PFS on media and in LNK_SPAN messages.
682  */
683 #define HAMMER2_PFSTYPE_NONE            DMSG_PFSTYPE_NONE
684 #define HAMMER2_PFSTYPE_ADMIN           DMSG_PFSTYPE_ADMIN
685 #define HAMMER2_PFSTYPE_CLIENT          DMSG_PFSTYPE_CLIENT
686 #define HAMMER2_PFSTYPE_CACHE           DMSG_PFSTYPE_CACHE
687 #define HAMMER2_PFSTYPE_COPY            DMSG_PFSTYPE_COPY
688 #define HAMMER2_PFSTYPE_SLAVE           DMSG_PFSTYPE_SLAVE
689 #define HAMMER2_PFSTYPE_SOFT_SLAVE      DMSG_PFSTYPE_SOFT_SLAVE
690 #define HAMMER2_PFSTYPE_SOFT_MASTER     DMSG_PFSTYPE_SOFT_MASTER
691 #define HAMMER2_PFSTYPE_MASTER          DMSG_PFSTYPE_MASTER
692 #define HAMMER2_PFSTYPE_SNAPSHOT        DMSG_PFSTYPE_SNAPSHOT
693 #define HAMMER2_PFSTYPE_MAX             DMSG_PFSTYPE_MAX
694
695 /*
696  *                              Allocation Table
697  *
698  */
699
700
701 /*
702  * Flags (8 bits) - blockref, for freemap only
703  *
704  * Note that the minimum chunk size is 1KB so we could theoretically have
705  * 10 bits here, but we might have some future extension that allows a
706  * chunk size down to 256 bytes and if so we will need bits 8 and 9.
707  */
708 #define HAMMER2_AVF_SELMASK             0x03    /* select group */
709 #define HAMMER2_AVF_ALL_ALLOC           0x04    /* indicate all allocated */
710 #define HAMMER2_AVF_ALL_FREE            0x08    /* indicate all free */
711 #define HAMMER2_AVF_RESERVED10          0x10
712 #define HAMMER2_AVF_RESERVED20          0x20
713 #define HAMMER2_AVF_RESERVED40          0x40
714 #define HAMMER2_AVF_RESERVED80          0x80
715 #define HAMMER2_AVF_AVMASK32            ((uint32_t)0xFFFFFF00LU)
716 #define HAMMER2_AVF_AVMASK64            ((uint64_t)0xFFFFFFFFFFFFFF00LLU)
717
718 #define HAMMER2_AV_SELECT_A             0x00
719 #define HAMMER2_AV_SELECT_B             0x01
720 #define HAMMER2_AV_SELECT_C             0x02
721 #define HAMMER2_AV_SELECT_D             0x03
722
723 /*
724  * The volume header eats a 64K block.  There is currently an issue where
725  * we want to try to fit all nominal filesystem updates in a 512-byte section
726  * but it may be a lost cause due to the need for a blockset.
727  *
728  * All information is stored in host byte order.  The volume header's magic
729  * number may be checked to determine the byte order.  If you wish to mount
730  * between machines w/ different endian modes you'll need filesystem code
731  * which acts on the media data consistently (either all one way or all the
732  * other).  Our code currently does not do that.
733  *
734  * A read-write mount may have to recover missing allocations by doing an
735  * incremental mirror scan looking for modifications made after alloc_tid.
736  * If alloc_tid == last_tid then no recovery operation is needed.  Recovery
737  * operations are usually very, very fast.
738  *
739  * Read-only mounts do not need to do any recovery, access to the filesystem
740  * topology is always consistent after a crash (is always consistent, period).
741  * However, there may be shortcutted blockref updates present from deep in
742  * the tree which are stored in the volumeh eader and must be tracked on
743  * the fly.
744  *
745  * NOTE: The copyinfo[] array contains the configuration for both the
746  *       cluster connections and any local media copies.  The volume
747  *       header will be replicated for each local media copy.
748  *
749  *       The mount command may specify multiple medias or just one and
750  *       allow HAMMER2 to pick up the others when it checks the copyinfo[]
751  *       array on mount.
752  *
753  * NOTE: root_blockref points to the super-root directory, not the root
754  *       directory.  The root directory will be a subdirectory under the
755  *       super-root.
756  *
757  *       The super-root directory contains all root directories and all
758  *       snapshots (readonly or writable).  It is possible to do a
759  *       null-mount of the super-root using special path constructions
760  *       relative to your mounted root.
761  *
762  * NOTE: HAMMER2 allows any subdirectory tree to be managed as if it were
763  *       a PFS, including mirroring and storage quota operations, and this is
764  *       prefered over creating discrete PFSs in the super-root.  Instead
765  *       the super-root is most typically used to create writable snapshots,
766  *       alternative roots, and so forth.  The super-root is also used by
767  *       the automatic snapshotting mechanism.
768  */
769 #define HAMMER2_VOLUME_ID_HBO   0x48414d3205172011LLU
770 #define HAMMER2_VOLUME_ID_ABO   0x11201705324d4148LLU
771
772 struct hammer2_volume_data {
773         /*
774          * sector #0 - 512 bytes
775          */
776         uint64_t        magic;                  /* 0000 Signature */
777         hammer2_off_t   boot_beg;               /* 0008 Boot area (future) */
778         hammer2_off_t   boot_end;               /* 0010 (size = end - beg) */
779         hammer2_off_t   aux_beg;                /* 0018 Aux area (future) */
780         hammer2_off_t   aux_end;                /* 0020 (size = end - beg) */
781         hammer2_off_t   volu_size;              /* 0028 Volume size, bytes */
782
783         uint32_t        version;                /* 0030 */
784         uint32_t        flags;                  /* 0034 */
785         uint8_t         copyid;                 /* 0038 copyid of phys vol */
786         uint8_t         freemap_version;        /* 0039 freemap algorithm */
787         uint8_t         peer_type;              /* 003A HAMMER2_PEER_xxx */
788         uint8_t         reserved003B;           /* 003B */
789         uint32_t        reserved003C;           /* 003C */
790
791         uuid_t          fsid;                   /* 0040 */
792         uuid_t          fstype;                 /* 0050 */
793
794         /*
795          * allocator_size is precalculated at newfs time and does not include
796          * reserved blocks, boot, or redo areas.
797          *
798          * Initial non-reserved-area allocations do not use the freemap
799          * but instead adjust alloc_iterator.  Dynamic allocations take
800          * over starting at (allocator_beg).  This makes newfs_hammer2's
801          * job a lot easier and can also serve as a testing jig.
802          */
803         hammer2_off_t   allocator_size;         /* 0060 Total data space */
804         hammer2_off_t   allocator_free;         /* 0068 Free space */
805         hammer2_off_t   allocator_beg;          /* 0070 Initial allocations */
806         hammer2_tid_t   mirror_tid;             /* 0078 best committed tid */
807         hammer2_tid_t   alloc_tid;              /* 0080 Alloctable modify tid */
808         hammer2_blockref_t reserved0088;        /* 0088-00C7 */
809
810         /*
811          * Copyids are allocated dynamically from the copyexists bitmap.
812          * An id from the active copies set (up to 8, see copyinfo later on)
813          * may still exist after the copy set has been removed from the
814          * volume header and its bit will remain active in the bitmap and
815          * cannot be reused until it is 100% removed from the hierarchy.
816          */
817         uint32_t        copyexists[8];          /* 00C8-00E7 copy exists bmap */
818         char            reserved0140[248];      /* 00E8-01DF */
819
820         /*
821          * 32 bit CRC array at the end of the first 512 byte sector.
822          *
823          * icrc_sects[7] - First 512-4 bytes of volume header (including all
824          *                 the other icrc's except this one).
825          *
826          * icrc_sects[6] - Sector 1 (512 bytes) of volume header, which is
827          *                 the blockset for the root.
828          *
829          * icrc_sects[5] - Sector 2
830          * icrc_sects[4] - Sector 3
831          * icrc_sects[3] - Sector 4 (the freemap blockset)
832          */
833         hammer2_crc32_t icrc_sects[8];          /* 01E0-01FF */
834
835         /*
836          * sector #1 - 512 bytes
837          *
838          * The entire sector is used by a blockset.
839          */
840         hammer2_blockset_t sroot_blockset;      /* 0200-03FF Superroot dir */
841
842         /*
843          * sector #2-7
844          */
845         char    sector2[512];                   /* 0400-05FF reserved */
846         char    sector3[512];                   /* 0600-07FF reserved */
847         hammer2_blockset_t freemap_blockset;    /* 0800-09FF freemap  */
848         char    sector5[512];                   /* 0A00-0BFF reserved */
849         char    sector6[512];                   /* 0C00-0DFF reserved */
850         char    sector7[512];                   /* 0E00-0FFF reserved */
851
852         /*
853          * sector #8-71 - 32768 bytes
854          *
855          * Contains the configuration for up to 256 copyinfo targets.  These
856          * specify local and remote copies operating as masters or slaves.
857          * copyid's 0 and 255 are reserved (0 indicates an empty slot and 255
858          * indicates the local media).
859          *
860          * Each inode contains a set of up to 8 copyids, either inherited
861          * from its parent or explicitly specified in the inode, which
862          * indexes into this array.
863          */
864                                                 /* 1000-8FFF copyinfo config */
865         dmsg_vol_data_t copyinfo[HAMMER2_COPYID_COUNT];
866
867         /*
868          * Remaining sections are reserved for future use.
869          */
870         char            reserved0400[0x6FFC];   /* 9000-FFFB reserved */
871
872         /*
873          * icrc on entire volume header
874          */
875         hammer2_crc32_t icrc_volheader;         /* FFFC-FFFF full volume icrc*/
876 };
877
878 typedef struct hammer2_volume_data hammer2_volume_data_t;
879
880 /*
881  * Various parts of the volume header have their own iCRCs.
882  *
883  * The first 512 bytes has its own iCRC stored at the end of the 512 bytes
884  * and not included the icrc calculation.
885  *
886  * The second 512 bytes also has its own iCRC but it is stored in the first
887  * 512 bytes so it covers the entire second 512 bytes.
888  *
889  * The whole volume block (64KB) has an iCRC covering all but the last 4 bytes,
890  * which is where the iCRC for the whole volume is stored.  This is currently
891  * a catch-all for anything not individually iCRCd.
892  */
893 #define HAMMER2_VOL_ICRC_SECT0          7
894 #define HAMMER2_VOL_ICRC_SECT1          6
895
896 #define HAMMER2_VOLUME_BYTES            65536
897
898 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC0_OFF        0
899 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC1_OFF        512
900 #define HAMMER2_VOLUME_ICRCVH_OFF       0
901
902 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC0_SIZE       (512 - 4)
903 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC1_SIZE       (512)
904 #define HAMMER2_VOLUME_ICRCVH_SIZE      (65536 - 4)
905
906 #define HAMMER2_VOL_VERSION_MIN         1
907 #define HAMMER2_VOL_VERSION_DEFAULT     1
908 #define HAMMER2_VOL_VERSION_WIP         2
909
910 #define HAMMER2_NUM_VOLHDRS             4
911
912 union hammer2_media_data {
913         hammer2_volume_data_t   voldata;
914         hammer2_inode_data_t    ipdata;
915         hammer2_indblock_data_t npdata;
916         hammer2_bmap_data_t     bmdata;
917         char                    buf[HAMMER2_PBUFSIZE];
918 };
919
920 typedef union hammer2_media_data hammer2_media_data_t;
921
922 #endif