hammer2 - freemap part 1 - initial block allocator and media support
[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_PBUFSIZE.
98  *
99  *                        XXX currently must be set to MINALLOCSIZE until/if
100  *                            we deal with recursive buffer cache locks.
101  *
102  * HAMMER2_PBUFSIZE     - Topological block size used by files for all
103  *                        blocks except the block straddling EOF.
104  *
105  * HAMMER2_SEGSIZE      - Allocation map segment size, typically 2MB
106  */
107
108 #define HAMMER2_SEGSIZE         (65536 * 8)
109
110 #define HAMMER2_PBUFRADIX       16      /* physical buf (1<<16) bytes */
111 #define HAMMER2_PBUFSIZE        65536
112 #define HAMMER2_LBUFRADIX       14      /* logical buf (1<<14) bytes */
113 #define HAMMER2_LBUFSIZE        16384
114
115 /*
116  * XXX FIXME multiple locked inodes deadlock on the buffer cache
117  */
118 #if 0
119 #define HAMMER2_MINIORADIX      HAMMER2_LBUFRADIX
120 #define HAMMER2_MINIOSIZE       HAMMER2_LBUFSIZE
121 #else
122 #define HAMMER2_MINIORADIX      10
123 #define HAMMER2_MINIOSIZE       1024
124 #endif
125
126 #define HAMMER2_IND_BYTES_MIN   4096    /* first indirect layer only */
127 #define HAMMER2_IND_BYTES_MAX   HAMMER2_PBUFSIZE
128 #define HAMMER2_IND_COUNT_MIN   (HAMMER2_IND_BYTES_MIN / \
129                                  sizeof(hammer2_blockref_t))
130 #define HAMMER2_IND_COUNT_MAX   (HAMMER2_IND_BYTES_MAX / \
131                                  sizeof(hammer2_blockref_t))
132
133 /*
134  * In HAMMER2, arrays of blockrefs are fully set-associative, meaning that
135  * any element can occur at any index and holes can be anywhere.  As a
136  * future optimization we will be able to flag that such arrays are sorted
137  * and thus optimize lookups, but for now we don't.
138  *
139  * Inodes embed either 512 bytes of direct data or an array of 8 blockrefs,
140  * resulting in highly efficient storage for files <= 512 bytes and for files
141  * <= 512KB.  Up to 8 directory entries can be referenced from a directory
142  * without requiring an indirect block.
143  *
144  * Indirect blocks are typically either 4KB (64 blockrefs / ~4MB represented),
145  * or 64KB (1024 blockrefs / ~64MB represented).
146  */
147 #define HAMMER2_SET_COUNT               8       /* direct entries */
148 #define HAMMER2_SET_RADIX               3
149 #define HAMMER2_EMBEDDED_BYTES          512     /* inode blockset/dd size */
150 #define HAMMER2_EMBEDDED_RADIX          9
151
152 #define HAMMER2_PBUFMASK        (HAMMER2_PBUFSIZE - 1)
153 #define HAMMER2_LBUFMASK        (HAMMER2_LBUFSIZE - 1)
154 #define HAMMER2_SEGMASK         (HAMMER2_SEGSIZE - 1)
155
156 #define HAMMER2_LBUFMASK64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_LBUFMASK)
157 #define HAMMER2_PBUFSIZE64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_PBUFSIZE)
158 #define HAMMER2_PBUFMASK64      ((hammer2_off_t)HAMMER2_PBUFMASK)
159 #define HAMMER2_SEGSIZE64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_SEGSIZE)
160 #define HAMMER2_SEGMASK64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_SEGMASK)
161
162 #define HAMMER2_UUID_STRING     "5cbb9ad1-862d-11dc-a94d-01301bb8a9f5"
163
164 /*
165  * A HAMMER2 filesystem is always sized in multiples of 8MB.
166  *
167  * A 4MB segment is reserved at the beginning of each 2GB zone.  This segment
168  * contains the volume header (or backup volume header), the free block
169  * table, and possibly other information in the future.
170  *
171  * 4MB = 64 x 64K blocks.  Each 4MB segment is broken down as follows:
172  *
173  *      +-----------------------+
174  *      |       Volume Hdr      | block 0       volume header & alternates
175  *      +-----------------------+               (first four zones only)
176  *      |   FreeBlk Section A   | block 1-8
177  *      +-----------------------+
178  *      |   FreeBlk Section B   | block 9-16
179  *      +-----------------------+
180  *      |   FreeBlk Section C   | block 17-24
181  *      +-----------------------+
182  *      |   FreeBlk Section D   | block 25-32
183  *      +-----------------------+
184  *      |                       | block 33...63
185  *      |       reserved        |
186  *      |                       |
187  *      +-----------------------+
188  *
189  * The first few 2GB zones contain volume headers and volume header backups.
190  * After that the volume header block# is reserved.
191  *
192  * The freemap utilizes blocks #1-32 for now, see the FREEMAP document.
193  * The Free block table has a resolution of 1KB
194  *
195  * WARNING!  ZONE_SEG and VOLUME_ALIGN must be a multiple of 1<<LEVEL0_RADIX
196  *           (i.e. a multiple of 2MB).  VOLUME_ALIGN must be >= ZONE_SEG.
197  */
198 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGN            (8 * 1024 * 1024)
199 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGN64          ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
200 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK        (HAMMER2_VOLUME_ALIGN - 1)
201 #define HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK64     ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGNMASK)
202
203 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGN             (HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
204 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGN64           ((hammer2_off_t)HAMMER2_VOLUME_ALIGN)
205 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK         (HAMMER2_VOLUME_ALIGN - 1)
206 #define HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK64       ((hammer2_off_t)HAMMER2_NEWFS_ALIGNMASK)
207
208 #define HAMMER2_ZONE_BYTES64            (2LLU * 1024 * 1024 * 1024)
209 #define HAMMER2_ZONE_MASK64             (HAMMER2_ZONE_BYTES64 - 1)
210 #define HAMMER2_ZONE_SEG                (4 * 1024 * 1024)
211 #define HAMMER2_ZONE_SEG64              ((hammer2_off_t)HAMMER2_ZONE_SEG)
212 #define HAMMER2_ZONE_BLOCKS_SEG         (HAMMER2_ZONE_SEG / HAMMER2_PBUFSIZE)
213
214 /*
215  * 64 x 64KB blocks are reserved at the base of each 2GB zone.  These blocks
216  * are used to store the volume header or volume header backups, allocation
217  * tree, and other information in the future.
218  *
219  * All specified blocks are not necessarily used in all 2GB zones.  However,
220  * dead areas are reserved for future use and MUST NOT BE USED for other
221  * purposes.
222  *
223  * The freemap is arranged into four groups.  Modifications rotate through
224  * the groups on a block by block basis (so all the blocks are not necessarily
225  * synchronized to the same group).  Because the freemap is flushed
226  * independent of the main filesystem, the freemap only really needs two
227  * groups to operate efficiently.
228  *
229  *
230  *
231  */
232 #define HAMMER2_ZONE_VOLHDR             0       /* volume header or backup */
233 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_A          1       /* freemap layer group A */
234 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_B          9       /* freemap layer group B */
235 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_C          17      /* freemap layer group C */
236 #define HAMMER2_ZONE_FREEMAP_D          25      /* freemap layer group D */
237
238                                                 /* relative to FREEMAP_x */
239 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL0           0       /* 256KB bitmap (4 blks) */
240 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL1           4       /* 2GB indmap */
241 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL2           5       /* 2TB indmap */
242 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL3           6       /* 2PB indmap */
243 #define HAMMER2_ZONEFM_LEVEL4           7       /* 2EB indmap */
244 /* LEVEL5 is a set of 8 blockrefs in the volume header 16EB */
245
246 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK49            49      /* future */
247 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK50            50      /* future */
248 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK51            51      /* future */
249 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK52            52      /* future */
250 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK53            53      /* future */
251 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK54            54      /* future */
252 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK55            55      /* future */
253 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK56            56      /* future */
254 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK57            57      /* future */
255 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK58            58      /* future */
256 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK59            59      /* future */
257
258 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK60            60      /* future */
259 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK61            61      /* future */
260 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK62            62      /* future */
261 #define HAMMER2_ZONE_BLOCK63            63      /* future */
262
263 /*
264  * Freemap radii.  Please note that LEVEL 1 blockref array entries
265  * point to 256-byte sections of the bitmap representing 2MB of storage.
266  * Even though the chain structures represent only 256 bytes, they are
267  * mapped using larger 16K or 64K buffer cache buffers.
268  */
269 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL5_RADIX    64      /* 16EB */
270 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL4_RADIX    61      /* 2EB */
271 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL3_RADIX    51      /* 2PB */
272 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL2_RADIX    41      /* 2TB */
273 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL1_RADIX    31      /* 2GB (256KB of bitmap) */
274 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_RADIX    21      /* 2MB (256 bytes of bitmap) */
275
276 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVELN_PSIZE    65536   /* physical bytes */
277 #define HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_PSIZE    256     /* physical bytes */
278
279
280 /*
281  * Two linear areas can be reserved after the initial 2MB segment in the base
282  * zone (the one starting at offset 0).  These areas are NOT managed by the
283  * block allocator and do not fall under HAMMER2 crc checking rules based
284  * at the volume header (but can be self-CRCd internally, depending).
285  */
286 #define HAMMER2_BOOT_MIN_BYTES          HAMMER2_VOLUME_ALIGN
287 #define HAMMER2_BOOT_NOM_BYTES          (64*1024*1024)
288 #define HAMMER2_BOOT_MAX_BYTES          (256*1024*1024)
289
290 #define HAMMER2_REDO_MIN_BYTES          HAMMER2_VOLUME_ALIGN
291 #define HAMMER2_REDO_NOM_BYTES          (256*1024*1024)
292 #define HAMMER2_REDO_MAX_BYTES          (1024*1024*1024)
293
294 /*
295  * Most HAMMER2 types are implemented as unsigned 64-bit integers.
296  * Transaction ids are monotonic.
297  *
298  * We utilize 32-bit iSCSI CRCs.
299  */
300 typedef uint64_t hammer2_tid_t;
301 typedef uint64_t hammer2_off_t;
302 typedef uint64_t hammer2_key_t;
303 typedef uint32_t hammer2_crc32_t;
304
305 /*
306  * Miscellanious ranges (all are unsigned).
307  */
308 #define HAMMER2_MIN_TID         1ULL
309 #define HAMMER2_MAX_TID         0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
310 #define HAMMER2_MIN_KEY         0ULL
311 #define HAMMER2_MAX_KEY         0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
312 #define HAMMER2_MIN_OFFSET      0ULL
313 #define HAMMER2_MAX_OFFSET      0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL
314
315 /*
316  * HAMMER2 data offset special cases and masking.
317  *
318  * All HAMMER2 data offsets have to be broken down into a 64K buffer base
319  * offset (HAMMER2_OFF_MASK_HI) and a 64K buffer index (HAMMER2_OFF_MASK_LO).
320  *
321  * Indexes into physical buffers are always 64-byte aligned.  The low 6 bits
322  * of the data offset field specifies how large the data chunk being pointed
323  * to as a power of 2.  The theoretical minimum radix is thus 6 (The space
324  * needed in the low bits of the data offset field).  However, the practical
325  * minimum allocation chunk size is 1KB (a radix of 10), so HAMMER2 sets
326  * HAMMER2_MIN_RADIX to 10.  The maximum radix is currently 16 (64KB), but
327  * we fully intend to support larger extents in the future.
328  */
329 #define HAMMER2_OFF_BAD         ((hammer2_off_t)-1)
330 #define HAMMER2_OFF_MASK        0xFFFFFFFFFFFFFFC0ULL
331 #define HAMMER2_OFF_MASK_LO     (HAMMER2_OFF_MASK & HAMMER2_PBUFMASK64)
332 #define HAMMER2_OFF_MASK_HI     (~HAMMER2_PBUFMASK64)
333 #define HAMMER2_OFF_MASK_RADIX  0x000000000000003FULL
334 #define HAMMER2_MAX_COPIES      6
335
336 /*
337  * HAMMER2 directory support and pre-defined keys
338  */
339 #define HAMMER2_DIRHASH_VISIBLE 0x8000000000000000ULL
340 #define HAMMER2_DIRHASH_USERMSK 0x7FFFFFFFFFFFFFFFULL
341 #define HAMMER2_DIRHASH_LOMASK  0x0000000000007FFFULL
342 #define HAMMER2_DIRHASH_HIMASK  0xFFFFFFFFFFFF0000ULL
343 #define HAMMER2_DIRHASH_FORCED  0x0000000000008000ULL   /* bit forced on */
344
345 #define HAMMER2_SROOT_KEY       0x0000000000000000ULL   /* volume to sroot */
346
347 /*
348  * The media block reference structure.  This forms the core of the HAMMER2
349  * media topology recursion.  This 64-byte data structure is embedded in the
350  * volume header, in inodes (which are also directory entries), and in
351  * indirect blocks.
352  *
353  * A blockref references a single media item, which typically can be a
354  * directory entry (aka inode), indirect block, or data block.
355  *
356  * The primary feature a blockref represents is the ability to validate
357  * the entire tree underneath it via its check code.  Any modification to
358  * anything propagates up the blockref tree all the way to the root, replacing
359  * the related blocks.  Propagations can shortcut to the volume root to
360  * implement the 'fast syncing' feature but this only delays the eventual
361  * propagation.
362  *
363  * The check code can be a simple 32-bit iscsi code, a 64-bit crc,
364  * or as complex as a 192 bit cryptographic hash.  192 bits is the maximum
365  * supported check code size, which is not sufficient for unverified dedup
366  * UNLESS one doesn't mind once-in-a-blue-moon data corruption (such as when
367  * farming web data).  HAMMER2 has an unverified dedup feature for just this
368  * purpose.
369  *
370  * --
371  *
372  * NOTE: The range of keys represented by the blockref is (key) to
373  *       ((key) + (1LL << keybits) - 1).  HAMMER2 usually populates
374  *       blocks bottom-up, inserting a new root when radix expansion
375  *       is required.
376  */
377 struct hammer2_blockref {               /* MUST BE EXACTLY 64 BYTES */
378         uint8_t         type;           /* type of underlying item */
379         uint8_t         methods;        /* check method & compression method */
380         uint8_t         copyid;         /* specify which copy this is */
381         uint8_t         keybits;        /* #of keybits masked off 0=leaf */
382         uint8_t         vradix;         /* virtual data/meta-data size */
383         uint8_t         flags;          /* blockref flags */
384         uint8_t         reserved06;
385         uint8_t         reserved07;
386         hammer2_key_t   key;            /* key specification */
387         hammer2_tid_t   mirror_tid;     /* propagate for mirror scan */
388         hammer2_tid_t   modify_tid;     /* modifications sans propagation */
389         hammer2_off_t   data_off;       /* low 6 bits is phys size (radix)*/
390         union {                         /* check info */
391                 char    buf[24];
392                 struct {
393                         uint32_t value;
394                         uint32_t unused[5];
395                 } iscsi32;
396                 struct {
397                         uint64_t value;
398                         uint64_t unused[2];
399                 } crc64;
400                 struct {
401                         char data[24];
402                 } sha192;
403
404                 /*
405                  * Freemap hints are embedded in addition to the icrc32.
406                  *
407                  * biggest - largest possible allocation 2^N within sub-tree.
408                  *           typically initialized to 64 in freemap_blockref
409                  *           and reduced as-needed when a request fails.
410                  *
411                  *           An allocation > 2^N is guaranteed to fail.  An
412                  *           allocation <= 2^N MAY fail, and if it does the
413                  *           biggest hint will be adjusted downward.
414                  *
415                  *           Used when allocating space.
416                  */
417                 struct {
418                         uint32_t icrc32;
419                         uint8_t biggest;
420                         uint8_t reserved05;
421                         uint8_t reserved06;
422                         uint8_t reserved07;
423                         uint64_t avail;         /* total available bytes */
424                         uint64_t unused;        /* unused must be 0 */
425                 } freemap;
426         } check;
427 };
428
429 typedef struct hammer2_blockref hammer2_blockref_t;
430
431 #if 0
432 #define HAMMER2_BREF_SYNC1              0x01    /* modification synchronized */
433 #define HAMMER2_BREF_SYNC2              0x02    /* modification committed */
434 #define HAMMER2_BREF_DESYNCCHLD         0x04    /* desynchronize children */
435 #define HAMMER2_BREF_DELETED            0x80    /* indicates a deletion */
436 #endif
437
438 #define HAMMER2_BLOCKREF_BYTES          64      /* blockref struct in bytes */
439
440 #define HAMMER2_BREF_TYPE_EMPTY         0
441 #define HAMMER2_BREF_TYPE_INODE         1
442 #define HAMMER2_BREF_TYPE_INDIRECT      2
443 #define HAMMER2_BREF_TYPE_DATA          3
444 #define HAMMER2_BREF_TYPE_UNUSED04      4
445 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP_NODE  5
446 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP_LEAF  6
447 #define HAMMER2_BREF_TYPE_FREEMAP       254     /* pseudo-type */
448 #define HAMMER2_BREF_TYPE_VOLUME        255     /* pseudo-type */
449
450 #define HAMMER2_ENC_CHECK(n)            ((n) << 4)
451 #define HAMMER2_DEC_CHECK(n)            (((n) >> 4) & 15)
452
453 #define HAMMER2_CHECK_NONE              0
454 #define HAMMER2_CHECK_ISCSI32           1
455 #define HAMMER2_CHECK_CRC64             2
456 #define HAMMER2_CHECK_SHA192            3
457 #define HAMMER2_CHECK_FREEMAP           4
458
459 #define HAMMER2_ENC_COMP(n)             (n)
460 #define HAMMER2_DEC_COMP(n)             ((n) & 15)
461
462 #define HAMMER2_COMP_NONE               0
463 #define HAMMER2_COMP_AUTOZERO           1
464
465
466 /*
467  * HAMMER2 block references are collected into sets of 8 blockrefs.  These
468  * sets are fully associative, meaning the elements making up a set are
469  * not sorted in any way and may contain duplicate entries, holes, or
470  * entries which shortcut multiple levels of indirection.  Sets are used
471  * in various ways:
472  *
473  * (1) When redundancy is desired a set may contain several duplicate
474  *     entries pointing to different copies of the same data.  Up to 8 copies
475  *     are supported but the set structure becomes a bit inefficient once
476  *     you go over 4.
477  *
478  * (2) The blockrefs in a set can shortcut multiple levels of indirections
479  *     within the bounds imposed by the parent of set.
480  *
481  * When a set fills up another level of indirection is inserted, moving
482  * some or all of the set's contents into indirect blocks placed under the
483  * set.  This is a top-down approach in that indirect blocks are not created
484  * until the set actually becomes full (that is, the entries in the set can
485  * shortcut the indirect blocks when the set is not full).  Depending on how
486  * things are filled multiple indirect blocks will eventually be created.
487  *
488  * Indirect blocks are typically 4KB (64 entres) or 64KB (1024 entries) and
489  * are also treated as fully set-associative.
490  */
491 struct hammer2_blockset {
492         hammer2_blockref_t      blockref[HAMMER2_SET_COUNT];
493 };
494
495 typedef struct hammer2_blockset hammer2_blockset_t;
496
497 /*
498  * Catch programmer snafus
499  */
500 #if (1 << HAMMER2_SET_RADIX) != HAMMER2_SET_COUNT
501 #error "hammer2 direct radix is incorrect"
502 #endif
503 #if (1 << HAMMER2_PBUFRADIX) != HAMMER2_PBUFSIZE
504 #error "HAMMER2_PBUFRADIX and HAMMER2_PBUFSIZE are inconsistent"
505 #endif
506 #if (1 << HAMMER2_MIN_RADIX) != HAMMER2_MIN_ALLOC
507 #error "HAMMER2_MIN_RADIX and HAMMER2_MIN_ALLOC are inconsistent"
508 #endif
509
510 /*
511  * The media indirect block structure.
512  */
513 struct hammer2_indblock_data {
514         hammer2_blockref_t blockref[HAMMER2_IND_COUNT_MAX];
515 };
516
517 typedef struct hammer2_indblock_data hammer2_indblock_data_t;
518
519 /*
520  * In HAMMER2 inodes ARE directory entries, with a special exception for
521  * hardlinks.  The inode number is stored in the inode rather than being
522  * based on the location of the inode (since the location moves every time
523  * the inode or anything underneath the inode is modified).
524  *
525  * The inode is 1024 bytes, made up of 256 bytes of meta-data, 256 bytes
526  * for the filename, and 512 bytes worth of direct file data OR an embedded
527  * blockset.
528  *
529  * Directories represent one inode per blockref.  Inodes are not laid out
530  * as a file but instead are represented by the related blockrefs.  The
531  * blockrefs, in turn, are indexed by the 64-bit directory hash key.  Remember
532  * that blocksets are fully associative, so a certain degree efficiency is
533  * achieved just from that.
534  *
535  * Up to 512 bytes of direct data can be embedded in an inode, and since
536  * inodes are essentially directory entries this also means that small data
537  * files end up simply being laid out linearly in the directory, resulting
538  * in fewer seeks and highly optimal access.
539  *
540  * The compression mode can be changed at any time in the inode and is
541  * recorded on a blockref-by-blockref basis.
542  *
543  * Hardlinks are supported via the inode map.  Essentially the way a hardlink
544  * works is that all individual directory entries representing the same file
545  * are special cased and specify the same inode number.  The actual file
546  * is placed in the nearest parent directory that is parent to all instances
547  * of the hardlink.  If all hardlinks to a file are in the same directory
548  * the actual file will also be placed in that directory.  This file uses
549  * the inode number as the directory entry key and is invisible to normal
550  * directory scans.  Real directory entry keys are differentiated from the
551  * inode number key via bit 63.  Access to the hardlink silently looks up
552  * the real file and forwards all operations to that file.  Removal of the
553  * last hardlink also removes the real file.
554  *
555  * (attr_tid) is only updated when the inode's specific attributes or regular
556  * file size has changed, and affects path lookups and stat.  (attr_tid)
557  * represents a special cache coherency lock under the inode.  The inode
558  * blockref's modify_tid will always cover it.
559  *
560  * (dirent_tid) is only updated when an entry under a directory inode has
561  * been created, deleted, renamed, or had its attributes change, and affects
562  * directory lookups and scans.  (dirent_tid) represents another special cache
563  * coherency lock under the inode.  The inode blockref's modify_tid will
564  * always cover it.
565  */
566 #define HAMMER2_INODE_BYTES             1024    /* (asserted by code) */
567 #define HAMMER2_INODE_MAXNAME           256     /* maximum name in bytes */
568 #define HAMMER2_INODE_VERSION_ONE       1
569
570 struct hammer2_inode_data {
571         uint16_t        version;        /* 0000 inode data version */
572         uint16_t        reserved02;     /* 0002 */
573
574         /*
575          * core inode attributes, inode type, misc flags
576          */
577         uint32_t        uflags;         /* 0004 chflags */
578         uint32_t        rmajor;         /* 0008 available for device nodes */
579         uint32_t        rminor;         /* 000C available for device nodes */
580         uint64_t        ctime;          /* 0010 inode change time */
581         uint64_t        mtime;          /* 0018 modified time */
582         uint64_t        atime;          /* 0020 access time (unsupported) */
583         uint64_t        btime;          /* 0028 birth time */
584         uuid_t          uid;            /* 0030 uid / degenerate unix uid */
585         uuid_t          gid;            /* 0040 gid / degenerate unix gid */
586
587         uint8_t         type;           /* 0050 object type */
588         uint8_t         op_flags;       /* 0051 operational flags */
589         uint16_t        cap_flags;      /* 0052 capability flags */
590         uint32_t        mode;           /* 0054 unix modes (typ low 16 bits) */
591
592         /*
593          * inode size, identification, localized recursive configuration
594          * for compression and backup copies.
595          */
596         hammer2_tid_t   inum;           /* 0058 inode number */
597         hammer2_off_t   size;           /* 0060 size of file */
598         uint64_t        nlinks;         /* 0068 hard links (typ only dirs) */
599         hammer2_tid_t   iparent;        /* 0070 parent inum (recovery only) */
600         hammer2_key_t   name_key;       /* 0078 full filename key */
601         uint16_t        name_len;       /* 0080 filename length */
602         uint8_t         ncopies;        /* 0082 ncopies to local media */
603         uint8_t         comp_algo;      /* 0083 compression request & algo */
604
605         /*
606          * These fields are currently only applicable to PFSROOTs.
607          *
608          * NOTE: We can't use {volume_data->fsid, pfs_clid} to uniquely
609          *       identify an instance of a PFS in the cluster because
610          *       a mount may contain more than one copy of the PFS as
611          *       a separate node.  {pfs_clid, pfs_fsid} must be used for
612          *       registration in the cluster.
613          */
614         uint8_t         target_type;    /* 0084 hardlink target type */
615         uint8_t         reserved85;     /* 0085 */
616         uint8_t         reserved86;     /* 0086 */
617         uint8_t         pfs_type;       /* 0087 (if PFSROOT) node type */
618         uint64_t        pfs_inum;       /* 0088 (if PFSROOT) inum allocator */
619         uuid_t          pfs_clid;       /* 0090 (if PFSROOT) cluster uuid */
620         uuid_t          pfs_fsid;       /* 00A0 (if PFSROOT) unique uuid */
621
622         /*
623          * Quotas and cumulative sub-tree counters.
624          */
625         hammer2_off_t   data_quota;     /* 00B0 subtree quota in bytes */
626         hammer2_off_t   data_count;     /* 00B8 subtree byte count */
627         hammer2_off_t   inode_quota;    /* 00C0 subtree quota inode count */
628         hammer2_off_t   inode_count;    /* 00C8 subtree inode count */
629         hammer2_tid_t   attr_tid;       /* 00D0 attributes changed */
630         hammer2_tid_t   dirent_tid;     /* 00D8 directory/attr changed */
631         uint64_t        reservedE0;     /* 00E0 */
632         uint64_t        reservedE8;     /* 00E8 */
633         uint64_t        reservedF0;     /* 00F0 */
634         uint64_t        reservedF8;     /* 00F8 */
635
636         unsigned char   filename[HAMMER2_INODE_MAXNAME];
637                                         /* 0100-01FF (256 char, unterminated) */
638         union {                         /* 0200-03FF (64x8 = 512 bytes) */
639                 struct hammer2_blockset blockset;
640                 char data[HAMMER2_EMBEDDED_BYTES];
641         } u;
642 };
643
644 typedef struct hammer2_inode_data hammer2_inode_data_t;
645
646 #define HAMMER2_OPFLAG_DIRECTDATA       0x01
647 #define HAMMER2_OPFLAG_PFSROOT          0x02
648 #define HAMMER2_OPFLAG_COPYIDS          0x04    /* copyids override parent */
649
650 #define HAMMER2_OBJTYPE_UNKNOWN         0
651 #define HAMMER2_OBJTYPE_DIRECTORY       1
652 #define HAMMER2_OBJTYPE_REGFILE         2
653 #define HAMMER2_OBJTYPE_FIFO            4
654 #define HAMMER2_OBJTYPE_CDEV            5
655 #define HAMMER2_OBJTYPE_BDEV            6
656 #define HAMMER2_OBJTYPE_SOFTLINK        7
657 #define HAMMER2_OBJTYPE_HARDLINK        8       /* dummy entry for hardlink */
658 #define HAMMER2_OBJTYPE_SOCKET          9
659 #define HAMMER2_OBJTYPE_WHITEOUT        10
660
661 #define HAMMER2_COPYID_NONE             0
662 #define HAMMER2_COPYID_LOCAL            ((uint8_t)-1)
663
664 /*
665  * PEER types identify connections and help cluster controller filter
666  * out unwanted SPANs.
667  */
668 #define HAMMER2_PEER_NONE               DMSG_PEER_NONE
669 #define HAMMER2_PEER_CLUSTER            DMSG_PEER_CLUSTER
670 #define HAMMER2_PEER_BLOCK              DMSG_PEER_BLOCK
671 #define HAMMER2_PEER_HAMMER2            DMSG_PEER_HAMMER2
672
673 #define HAMMER2_COPYID_COUNT            DMSG_COPYID_COUNT
674
675 /*
676  * PFS types identify a PFS on media and in LNK_SPAN messages.
677  */
678 #define HAMMER2_PFSTYPE_NONE            DMSG_PFSTYPE_NONE
679 #define HAMMER2_PFSTYPE_ADMIN           DMSG_PFSTYPE_ADMIN
680 #define HAMMER2_PFSTYPE_CLIENT          DMSG_PFSTYPE_CLIENT
681 #define HAMMER2_PFSTYPE_CACHE           DMSG_PFSTYPE_CACHE
682 #define HAMMER2_PFSTYPE_COPY            DMSG_PFSTYPE_COPY
683 #define HAMMER2_PFSTYPE_SLAVE           DMSG_PFSTYPE_SLAVE
684 #define HAMMER2_PFSTYPE_SOFT_SLAVE      DMSG_PFSTYPE_SOFT_SLAVE
685 #define HAMMER2_PFSTYPE_SOFT_MASTER     DMSG_PFSTYPE_SOFT_MASTER
686 #define HAMMER2_PFSTYPE_MASTER          DMSG_PFSTYPE_MASTER
687 #define HAMMER2_PFSTYPE_SNAPSHOT        DMSG_PFSTYPE_SNAPSHOT
688 #define HAMMER2_PFSTYPE_MAX             DMSG_PFSTYPE_MAX
689
690 /*
691  *                              Allocation Table
692  *
693  */
694
695
696 /*
697  * Flags (8 bits) - blockref, for freemap only
698  *
699  * Note that the minimum chunk size is 1KB so we could theoretically have
700  * 10 bits here, but we might have some future extension that allows a
701  * chunk size down to 256 bytes and if so we will need bits 8 and 9.
702  */
703 #define HAMMER2_AVF_SELMASK             0x03    /* select group */
704 #define HAMMER2_AVF_ALL_ALLOC           0x04    /* indicate all allocated */
705 #define HAMMER2_AVF_ALL_FREE            0x08    /* indicate all free */
706 #define HAMMER2_AVF_RESERVED10          0x10
707 #define HAMMER2_AVF_RESERVED20          0x20
708 #define HAMMER2_AVF_RESERVED40          0x40
709 #define HAMMER2_AVF_RESERVED80          0x80
710 #define HAMMER2_AVF_AVMASK32            ((uint32_t)0xFFFFFF00LU)
711 #define HAMMER2_AVF_AVMASK64            ((uint64_t)0xFFFFFFFFFFFFFF00LLU)
712
713 #define HAMMER2_AV_SELECT_A             0x00
714 #define HAMMER2_AV_SELECT_B             0x01
715 #define HAMMER2_AV_SELECT_C             0x02
716 #define HAMMER2_AV_SELECT_D             0x03
717
718 /*
719  * The volume header eats a 64K block.  There is currently an issue where
720  * we want to try to fit all nominal filesystem updates in a 512-byte section
721  * but it may be a lost cause due to the need for a blockset.
722  *
723  * All information is stored in host byte order.  The volume header's magic
724  * number may be checked to determine the byte order.  If you wish to mount
725  * between machines w/ different endian modes you'll need filesystem code
726  * which acts on the media data consistently (either all one way or all the
727  * other).  Our code currently does not do that.
728  *
729  * A read-write mount may have to recover missing allocations by doing an
730  * incremental mirror scan looking for modifications made after alloc_tid.
731  * If alloc_tid == last_tid then no recovery operation is needed.  Recovery
732  * operations are usually very, very fast.
733  *
734  * Read-only mounts do not need to do any recovery, access to the filesystem
735  * topology is always consistent after a crash (is always consistent, period).
736  * However, there may be shortcutted blockref updates present from deep in
737  * the tree which are stored in the volumeh eader and must be tracked on
738  * the fly.
739  *
740  * NOTE: The copyinfo[] array contains the configuration for both the
741  *       cluster connections and any local media copies.  The volume
742  *       header will be replicated for each local media copy.
743  *
744  *       The mount command may specify multiple medias or just one and
745  *       allow HAMMER2 to pick up the others when it checks the copyinfo[]
746  *       array on mount.
747  *
748  * NOTE: root_blockref points to the super-root directory, not the root
749  *       directory.  The root directory will be a subdirectory under the
750  *       super-root.
751  *
752  *       The super-root directory contains all root directories and all
753  *       snapshots (readonly or writable).  It is possible to do a
754  *       null-mount of the super-root using special path constructions
755  *       relative to your mounted root.
756  *
757  * NOTE: HAMMER2 allows any subdirectory tree to be managed as if it were
758  *       a PFS, including mirroring and storage quota operations, and this is
759  *       prefered over creating discrete PFSs in the super-root.  Instead
760  *       the super-root is most typically used to create writable snapshots,
761  *       alternative roots, and so forth.  The super-root is also used by
762  *       the automatic snapshotting mechanism.
763  */
764 #define HAMMER2_VOLUME_ID_HBO   0x48414d3205172011LLU
765 #define HAMMER2_VOLUME_ID_ABO   0x11201705324d4148LLU
766
767 struct hammer2_volume_data {
768         /*
769          * sector #0 - 512 bytes
770          */
771         uint64_t        magic;                  /* 0000 Signature */
772         hammer2_off_t   boot_beg;               /* 0008 Boot area (future) */
773         hammer2_off_t   boot_end;               /* 0010 (size = end - beg) */
774         hammer2_off_t   aux_beg;                /* 0018 Aux area (future) */
775         hammer2_off_t   aux_end;                /* 0020 (size = end - beg) */
776         hammer2_off_t   volu_size;              /* 0028 Volume size, bytes */
777
778         uint32_t        version;                /* 0030 */
779         uint32_t        flags;                  /* 0034 */
780         uint8_t         copyid;                 /* 0038 copyid of phys vol */
781         uint8_t         freemap_version;        /* 0039 freemap algorithm */
782         uint8_t         peer_type;              /* 003A HAMMER2_PEER_xxx */
783         uint8_t         reserved003B;           /* 003B */
784         uint32_t        reserved003C;           /* 003C */
785
786         uuid_t          fsid;                   /* 0040 */
787         uuid_t          fstype;                 /* 0050 */
788
789         /*
790          * allocator_size is precalculated at newfs time and does not include
791          * reserved blocks, boot, or redo areas.
792          *
793          * Initial non-reserved-area allocations do not use the freemap
794          * but instead adjust alloc_iterator.  Dynamic allocations take
795          * over starting at (allocator_beg).  This makes newfs_hammer2's
796          * job a lot easier and can also serve as a testing jig.
797          */
798         hammer2_off_t   allocator_size;         /* 0060 Total data space */
799         hammer2_off_t   allocator_free;         /* 0068 Free space */
800         hammer2_off_t   allocator_beg;          /* 0070 Initial allocations */
801         hammer2_tid_t   mirror_tid;             /* 0078 best committed tid */
802         hammer2_tid_t   alloc_tid;              /* 0080 Alloctable modify tid */
803         hammer2_blockref_t reserved0088;        /* 0088-00C7 */
804
805         /*
806          * Copyids are allocated dynamically from the copyexists bitmap.
807          * An id from the active copies set (up to 8, see copyinfo later on)
808          * may still exist after the copy set has been removed from the
809          * volume header and its bit will remain active in the bitmap and
810          * cannot be reused until it is 100% removed from the hierarchy.
811          */
812         uint32_t        copyexists[8];          /* 00C8-00E7 copy exists bmap */
813         char            reserved0140[248];      /* 00E8-01DF */
814
815         /*
816          * 32 bit CRC array at the end of the first 512 byte sector.
817          *
818          * icrc_sects[7] - First 512-4 bytes of volume header (including all
819          *                 the other icrc's except this one).
820          *
821          * icrc_sects[6] - Sector 1 (512 bytes) of volume header, which is
822          *                 the blockset for the root.
823          *
824          * icrc_sects[5] - Sector 2
825          * icrc_sects[4] - Sector 3
826          * icrc_sects[3] - Sector 4 (the freemap blockset)
827          */
828         hammer2_crc32_t icrc_sects[8];          /* 01E0-01FF */
829
830         /*
831          * sector #1 - 512 bytes
832          *
833          * The entire sector is used by a blockset.
834          */
835         hammer2_blockset_t sroot_blockset;      /* 0200-03FF Superroot dir */
836
837         /*
838          * sector #2-7
839          */
840         char    sector2[512];                   /* 0400-05FF reserved */
841         char    sector3[512];                   /* 0600-07FF reserved */
842         hammer2_blockset_t freemap_blockset;    /* 0800-09FF freemap  */
843         char    sector5[512];                   /* 0A00-0BFF reserved */
844         char    sector6[512];                   /* 0C00-0DFF reserved */
845         char    sector7[512];                   /* 0E00-0FFF reserved */
846
847         /*
848          * sector #8-71 - 32768 bytes
849          *
850          * Contains the configuration for up to 256 copyinfo targets.  These
851          * specify local and remote copies operating as masters or slaves.
852          * copyid's 0 and 255 are reserved (0 indicates an empty slot and 255
853          * indicates the local media).
854          *
855          * Each inode contains a set of up to 8 copyids, either inherited
856          * from its parent or explicitly specified in the inode, which
857          * indexes into this array.
858          */
859                                                 /* 1000-8FFF copyinfo config */
860         dmsg_vol_data_t copyinfo[HAMMER2_COPYID_COUNT];
861
862         /*
863          * Remaining sections are reserved for future use.
864          */
865         char            reserved0400[0x6FFC];   /* 9000-FFFB reserved */
866
867         /*
868          * icrc on entire volume header
869          */
870         hammer2_crc32_t icrc_volheader;         /* FFFC-FFFF full volume icrc*/
871 };
872
873 typedef struct hammer2_volume_data hammer2_volume_data_t;
874
875 /*
876  * Various parts of the volume header have their own iCRCs.
877  *
878  * The first 512 bytes has its own iCRC stored at the end of the 512 bytes
879  * and not included the icrc calculation.
880  *
881  * The second 512 bytes also has its own iCRC but it is stored in the first
882  * 512 bytes so it covers the entire second 512 bytes.
883  *
884  * The whole volume block (64KB) has an iCRC covering all but the last 4 bytes,
885  * which is where the iCRC for the whole volume is stored.  This is currently
886  * a catch-all for anything not individually iCRCd.
887  */
888 #define HAMMER2_VOL_ICRC_SECT0          7
889 #define HAMMER2_VOL_ICRC_SECT1          6
890
891 #define HAMMER2_VOLUME_BYTES            65536
892
893 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC0_OFF        0
894 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC1_OFF        512
895 #define HAMMER2_VOLUME_ICRCVH_OFF       0
896
897 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC0_SIZE       (512 - 4)
898 #define HAMMER2_VOLUME_ICRC1_SIZE       (512)
899 #define HAMMER2_VOLUME_ICRCVH_SIZE      (65536 - 4)
900
901 #define HAMMER2_VOL_VERSION_MIN         1
902 #define HAMMER2_VOL_VERSION_DEFAULT     1
903 #define HAMMER2_VOL_VERSION_WIP         2
904
905 #define HAMMER2_NUM_VOLHDRS             4
906
907 union hammer2_media_data {
908         hammer2_volume_data_t   voldata;
909         hammer2_inode_data_t    ipdata;
910         hammer2_indblock_data_t npdata;
911         char                    buf[HAMMER2_PBUFSIZE];
912         uint64_t                bitmap[HAMMER2_FREEMAP_LEVEL0_PSIZE /
913                                        sizeof(uint64_t)];
914 };
915
916 typedef union hammer2_media_data hammer2_media_data_t;
917
918 #endif