bluesky/bluesky-private.h

   1 /* Blue Sky: File Systems in the Cloud
   2  *
   3  * Copyright (C) 2009  The Regents of the University of California
   4  * Written by Michael Vrable <mvrable@cs.ucsd.edu>
   5  *
   6  * TODO: Licensing
   7  */
   8
   9 /* Declarations internal to the BlueSky library.  This header file should not
  10  * be included by any users of the library (such as any filesystem
  11  * proxy)--external users should only include bluesky.h. */
  12
  13 #ifndef _BLUESKY_PRIVATE_H
  14 #define _BLUESKY_PRIVATE_H
  15
  16 #include "bluesky.h"
  17
  18 #ifdef __cplusplus
  19 extern "C" {
  20 #endif
  21
  22 extern int bluesky_verbose;
  23
  24 /* Target cache size levels. */
  25 extern int bluesky_watermark_low_dirty;
  26 extern int bluesky_watermark_medium_dirty;
  27 extern int bluesky_watermark_high_dirty;
  28
  29 extern int bluesky_watermark_low_total;
  30 extern int bluesky_watermark_medium_total;
  31 extern int bluesky_watermark_high_total;
  32
  33 /* TODO: Make this go away entirely. */
  34 BlueSkyFS *bluesky_new_fs(gchar *name);
  35
  36 void bluesky_inode_free_resources(BlueSkyInode *inode);
  37
  38 /* Linked list update functions for LRU lists. */
  39 void bluesky_list_unlink(GList *head, GList *item);
  40 GList *bluesky_list_prepend(GList *head, BlueSkyInode *inode);
  41 GList *bluesky_list_append(GList *head, BlueSkyInode *inode);
  42 BlueSkyInode *bluesky_list_head(GList *head);
  43 BlueSkyInode *bluesky_list_tail(GList *head);
  44
  45 /* Serialization and deserialization of filesystem data for storing to
  46  * persistent storage. */
  47 void bluesky_serialize_superblock(GString *out, BlueSkyFS *fs);
  48 BlueSkyFS *bluesky_deserialize_superblock(const gchar *buf);
  49 BlueSkyCloudLog *bluesky_serialize_inode(BlueSkyInode *inode);
  50 gboolean bluesky_deserialize_inode(BlueSkyInode *inode, BlueSkyCloudLog *item);
  51
  52 void bluesky_deserialize_cloudlog(BlueSkyCloudLog *item,
  53                                   const char *data,
  54                                   size_t len);
  55
  56 void bluesky_serialize_cloudlog(BlueSkyCloudLog *log,
  57                                 GString *encrypted,
  58                                 GString *authenticated,
  59                                 GString *writable);
  60
  61 /* Cryptographic operations. */
  62 #define CRYPTO_BLOCK_SIZE 16        /* 128-bit AES */
  63 #define CRYPTO_KEY_SIZE   16
  64 #define CRYPTO_HASH_SIZE  32        /* SHA-256 */
  65
  66 typedef struct BlueSkyCryptKeys {
  67     uint8_t encryption_key[CRYPTO_KEY_SIZE];
  68     uint8_t authentication_key[CRYPTO_HASH_SIZE];
  69 } BlueSkyCryptKeys;
  70
  71 void bluesky_crypt_init();
  72 void bluesky_crypt_hash_key(const char *keystr, uint8_t *out);
  73 void bluesky_crypt_random_bytes(guchar *buf, gint len);
  74 void bluesky_crypt_derive_keys(BlueSkyCryptKeys *keys, const gchar *master);
  75 BlueSkyRCStr *bluesky_crypt_encrypt(BlueSkyRCStr *in, const uint8_t *key);
  76 BlueSkyRCStr *bluesky_crypt_decrypt(BlueSkyRCStr *in, const uint8_t *key);
  77
  78 void bluesky_crypt_block_encrypt(gchar *cloud_block, size_t len,
  79                                  BlueSkyCryptKeys *keys);
  80 gboolean bluesky_crypt_block_decrypt(gchar *cloud_block, size_t len,
  81                                      BlueSkyCryptKeys *keys);
  82 void bluesky_cloudlog_encrypt(GString *segment, BlueSkyCryptKeys *keys);
  83 void bluesky_cloudlog_decrypt(char *segment, size_t len,
  84                               BlueSkyCryptKeys *keys,
  85                               BlueSkyRangeset *items);
  86
  87 /* Storage layer.  Requests can be performed asynchronously, so these objects
  88  * help keep track of operations in progress. */
  89 typedef enum {
  90     STORE_OP_NONE,
  91     STORE_OP_GET,
  92     STORE_OP_PUT,
  93     STORE_OP_DELETE,
  94     STORE_OP_BARRIER,       // Waits for other selected operations to complete
  95 } BlueSkyStoreOp;
  96
  97 typedef enum {
  98     ASYNC_NEW,              // Operation not yet submitted to storage layer
  99     ASYNC_PENDING,          // Submitted to storage layer
 100     ASYNC_RUNNING,          // Operation is in progress
 101     ASYNC_COMPLETE,         // Operation finished, results available
 102 } BlueSkyAsyncStatus;
 103
 104 struct BlueSkyNotifierList;
 105 typedef struct BlueSkyStoreAsync BlueSkyStoreAsync;
 106 struct BlueSkyStoreAsync {
 107     BlueSkyStore *store;
 108
 109     GMutex *lock;
 110     GCond *completion_cond;     /* Used to wait for operation to complete. */
 111
 112     gint refcount;              /* Reference count for destruction. */
 113
 114     BlueSkyAsyncStatus status;
 115
 116     BlueSkyStoreOp op;
 117     gchar *key;                 /* Key to read/write */
 118     BlueSkyRCStr *data;         /* Data read/to write */
 119
 120     /* For range requests on reads: starting byte offset and length; len 0
 121      * implies reading to the end of the object.  At completion, the backend
 122      * should set range_done if a range read was made; if not set the entire
 123      * object was read and the storage layer will select out just the
 124      * appropriate bytes. */
 125     size_t start, len;
 126     gboolean range_done;
 127
 128     int result;                 /* Result code; 0 for success. */
 129     struct BlueSkyNotifierList *notifiers;
 130     gint notifier_count;
 131
 132     /* The barrier waiting on this operation.  Support for more than one
 133      * barrier for a single async is not well-supported and should be avoided
 134      * if possible. */
 135     BlueSkyStoreAsync *barrier;
 136
 137     bluesky_time_hires start_time;  /* Time operation was submitted. */
 138     bluesky_time_hires exec_time;   /* Time processing started on operation. */
 139
 140     gpointer store_private;     /* For use by the storage implementation */
 141
 142     /* If storage operations should be charged to any particular profile, which
 143      * one? */
 144     BlueSkyProfile *profile;
 145 };
 146
 147 /* Support for notification lists.  These are lists of one-shot functions which
 148  * can be called when certain events--primarily, competed storage
 149  * events--occur.  Multiple notifiers can be added, but no particular order is
 150  * guaranteed for the notification functions to be called. */
 151 struct BlueSkyNotifierList {
 152     struct BlueSkyNotifierList *next;
 153     GFunc func;
 154     BlueSkyStoreAsync *async;
 155     gpointer user_data;     // Passed to the function when called
 156 };
 157
 158 /* The abstraction layer for storage, allowing multiple implementations. */
 159 typedef struct {
 160     /* Create a new store instance and return a handle to it. */
 161     gpointer (*create)(const gchar *path);
 162
 163     /* Clean up any resources used by this store. */
 164     void (*destroy)(gpointer store);
 165
 166     /* Submit an operation (get/put/delete) to the storage layer to be
 167      * performed asynchronously. */
 168     void (*submit)(gpointer store, BlueSkyStoreAsync *async);
 169
 170     /* Clean up any implementation-private data in a BlueSkyStoreAsync. */
 171     void (*cleanup)(gpointer store, BlueSkyStoreAsync *async);
 172
 173     /* Find the lexicographically-largest file starting with the specified
 174      * prefix. */
 175     char * (*lookup_last)(gpointer store, const gchar *prefix);
 176 } BlueSkyStoreImplementation;
 177
 178 void bluesky_store_register(const BlueSkyStoreImplementation *impl,
 179                             const gchar *name);
 180
 181 char *bluesky_store_lookup_last(BlueSkyStore *store, const char *prefix);
 182 BlueSkyStoreAsync *bluesky_store_async_new(BlueSkyStore *store);
 183 gpointer bluesky_store_async_get_handle(BlueSkyStoreAsync *async);
 184 void bluesky_store_async_ref(BlueSkyStoreAsync *async);
 185 void bluesky_store_async_unref(BlueSkyStoreAsync *async);
 186 void bluesky_store_async_wait(BlueSkyStoreAsync *async);
 187 void bluesky_store_async_add_notifier(BlueSkyStoreAsync *async,
 188                                       GFunc func, gpointer user_data);
 189 void bluesky_store_async_mark_complete(BlueSkyStoreAsync *async);
 190 void bluesky_store_async_submit(BlueSkyStoreAsync *async);
 191 void bluesky_store_sync(BlueSkyStore *store);
 192
 193 void bluesky_store_add_barrier(BlueSkyStoreAsync *barrier,
 194                                BlueSkyStoreAsync *async);
 195
 196 void bluesky_inode_start_sync(BlueSkyInode *inode);
 197
 198 void bluesky_block_touch(BlueSkyInode *inode, uint64_t i);
 199 void bluesky_block_fetch(BlueSkyInode *inode, BlueSkyBlock *block,
 200                          BlueSkyStoreAsync *barrier);
 201 void bluesky_block_flush(BlueSkyInode *inode, BlueSkyBlock *block,
 202                          GList **log_items);
 203 void bluesky_file_flush(BlueSkyInode *inode, GList **log_items);
 204 void bluesky_file_drop_cached(BlueSkyInode *inode);
 205
 206 /* Writing of data to the cloud in log segments and tracking the location of
 207  * various pieces of data (both where in the cloud and where cached locally).
 208  * */
 209
 210 /* Eventually we'll want to support multiple writers.  But for now, hard-code
 211  * separate namespaces in the cloud for the proxy and the cleaner to write to.
 212  * */
 213 #define BLUESKY_CLOUD_DIR_PRIMARY 0
 214 #define BLUESKY_CLOUD_DIR_CLEANER 1
 215
 216 typedef struct {
 217     char bytes[16];
 218 } BlueSkyCloudID;
 219
 220 typedef struct {
 221     uint32_t directory;
 222     uint32_t sequence;
 223     uint32_t offset;
 224     uint32_t size;
 225 } BlueSkyCloudPointer;
 226
 227 typedef enum {
 228     LOGTYPE_INVALID = -1,
 229     LOGTYPE_UNKNOWN = 0,
 230     LOGTYPE_DATA = 1,
 231     LOGTYPE_INODE = 2,
 232     LOGTYPE_INODE_MAP = 3,
 233     LOGTYPE_CHECKPOINT = 4,
 234
 235     /* Used only as metadata in the local journal, not loaded as a
 236      * BlueSkyCloudLogState nor stored in the cloud */
 237     LOGTYPE_JOURNAL_MARKER = 16,
 238     LOGTYPE_JOURNAL_CHECKPOINT = 17,
 239 } BlueSkyCloudLogType;
 240
 241 /* Headers that go on items in local log segments and cloud log segments. */
 242 struct log_header {
 243     uint32_t magic;             // HEADER_MAGIC
 244     uint8_t type;               // Object type + '0'
 245     uint32_t offset;            // Starting byte offset of the log header
 246     uint32_t size1;             // Size of the data item (bytes)
 247     uint32_t size2;             //
 248     uint32_t size3;             //
 249     uint64_t inum;              // Inode which owns this data, if any
 250     BlueSkyCloudID id;          // Object identifier
 251 } __attribute__((packed));
 252
 253 struct log_footer {
 254     uint32_t magic;             // FOOTER_MAGIC
 255     uint32_t crc;               // Computed from log_header to log_footer.magic
 256 } __attribute__((packed));
 257
 258 struct cloudlog_header {
 259     char magic[4];
 260     uint8_t crypt_auth[CRYPTO_HASH_SIZE];
 261     uint8_t crypt_iv[CRYPTO_BLOCK_SIZE];
 262     uint8_t type;
 263     BlueSkyCloudID id;
 264     uint64_t inum;
 265     uint32_t size1, size2, size3;
 266 } __attribute__((packed));
 267
 268 #define JOURNAL_MAGIC "\nLog"
 269 #define CLOUDLOG_MAGIC "AgI-"
 270 #define CLOUDLOG_MAGIC_ENCRYPTED "AgI="     // CLOUDLOG_MAGIC[3] ^= 0x10
 271
 272 /* A record which tracks an object which has been written to a local log,
 273  * cached, locally, and/or written to the cloud. */
 274 #define CLOUDLOG_JOURNAL    0x01
 275 #define CLOUDLOG_CLOUD      0x02
 276 #define CLOUDLOG_CACHE      0x04
 277 #define CLOUDLOG_UNCOMMITTED 0x10
 278 struct BlueSkyCloudLog {
 279     gint refcount;
 280     GMutex *lock;
 281     GCond *cond;
 282
 283     BlueSkyFS *fs;
 284
 285     BlueSkyCloudLogType type;
 286
 287     // Bitmask of CLOUDLOG_* flags indicating where the object exists.
 288     int location_flags;
 289     int pending_read, pending_write;
 290
 291     // A stable identifier for the object (only changes when authenticated data
 292     // is written out, but stays the same when the in-cloud cleaner relocates
 293     // the object).
 294     BlueSkyCloudID id;
 295
 296     // The inode which owns this data, if any, and an offset.
 297     uint64_t inum;
 298     int32_t inum_offset;
 299
 300     // The size of encrypted object data, not including any headers
 301     int data_size;
 302
 303     // The location of the object in the cloud, if available.
 304     BlueSkyCloudPointer location;
 305
 306     // TODO: Location in journal/cache
 307     int log_seq, log_offset, log_size;
 308
 309     // Pointers to other objects.  Each link counts towards the reference count
 310     // of the pointed-to object.  To avoid memory leaks there should be no
 311     // cycles in the reference graph.
 312     GArray *links;
 313
 314     // Serialized data, if available in memory (otherwise NULL), and a lock
 315     // count which tracks if there are users that require the data to be kept
 316     // around.
 317     BlueSkyRCStr *data;
 318     int data_lock_count;
 319 };
 320
 321 /* Serialize objects into a log segment to be written to the cloud. */
 322 struct BlueSkyCloudLogState {
 323     GString *data;
 324     BlueSkyCloudPointer location;
 325     GList *inode_list;
 326     GSList *writeback_list;     // Items which are being serialized right now
 327     GList *pending_segments;    // Segments which are being uploaded now
 328
 329     /* What is the most recent sequence number written by the cleaner which we
 330      * have processed and incorporated into our own log?  This gets
 331      * incorporated into the version vector written out with our checkpoint
 332      * records. */
 333     int latest_cleaner_seq_seen;
 334 };
 335
 336 gboolean bluesky_cloudlog_equal(gconstpointer a, gconstpointer b);
 337 guint bluesky_cloudlog_hash(gconstpointer a);
 338 BlueSkyCloudLog *bluesky_cloudlog_new(BlueSkyFS *fs, const BlueSkyCloudID *id);
 339 gchar *bluesky_cloudlog_id_to_string(BlueSkyCloudID id);
 340 BlueSkyCloudID bluesky_cloudlog_id_from_string(const gchar *idstr);
 341 void bluesky_cloudlog_threads_init(BlueSkyFS *fs);
 342 void bluesky_cloudlog_ref(BlueSkyCloudLog *log);
 343 void bluesky_cloudlog_unref(BlueSkyCloudLog *log);
 344 void bluesky_cloudlog_unref_delayed(BlueSkyCloudLog *log);
 345 void bluesky_cloudlog_erase(BlueSkyCloudLog *log);
 346 void bluesky_cloudlog_stats_update(BlueSkyCloudLog *log, int type);
 347 void bluesky_cloudlog_sync(BlueSkyCloudLog *log);
 348 void bluesky_cloudlog_insert(BlueSkyCloudLog *log);
 349 void bluesky_cloudlog_insert_locked(BlueSkyCloudLog *log);
 350 BlueSkyCloudLog *bluesky_cloudlog_get(BlueSkyFS *fs, BlueSkyCloudID id);
 351 void bluesky_cloudlog_prefetch(BlueSkyCloudLog *log);
 352 void bluesky_cloudlog_fetch(BlueSkyCloudLog *log);
 353 BlueSkyCloudPointer bluesky_cloudlog_serialize(BlueSkyCloudLog *log,
 354                                                BlueSkyFS *fs);
 355 void bluesky_cloudlog_flush(BlueSkyFS *fs);
 356
 357 /* Logging infrastructure for ensuring operations are persistently recorded to
 358  * disk. */
 359 #define BLUESKY_CRC32C_SEED (~(uint32_t)0)
 360 #define BLUESKY_CRC32C_VALIDATOR ((uint32_t)0xb798b438UL)
 361 uint32_t crc32c(uint32_t crc, const char *buf, unsigned int length);
 362 uint32_t crc32c_finalize(uint32_t crc);
 363
 364 struct BlueSkyLog {
 365     BlueSkyFS *fs;
 366     char *log_directory;
 367     GAsyncQueue *queue;
 368     int fd, dirfd;
 369     int seq_num;
 370     GSList *committed;
 371
 372     /* The currently-open log file. */
 373     BlueSkyCacheFile *current_log;
 374
 375     /* Cache of log segments which have been memory-mapped. */
 376     GMutex *mmap_lock;
 377     GHashTable *mmap_cache;
 378
 379     /* A count of the disk space consumed (in 1024-byte units) by all files
 380      * tracked by mmap_cache (whether mapped or not, actually). */
 381     gint disk_used;
 382
 383     /* The smallest journal sequence number which may still contain data that
 384      * must be preserved (since it it not yet in the cloud). */
 385     int journal_watermark;
 386 };
 387
 388 /* An object for tracking log files which are stored locally--either the
 389  * journal for filesystem consistency or log segments which have been fetched
 390  * back from cloud storage. */
 391 struct BlueSkyCacheFile {
 392     GMutex *lock;
 393     GCond *cond;
 394     gint refcount;
 395     int type;                   // Only one of CLOUDLOG_{JOURNAL,CLOUD}
 396     int log_dir;
 397     int log_seq;
 398     char *filename;             // Local filename, relateive to log directory
 399     gint mapcount;              // References to the mmaped data
 400     const char *addr;           // May be null if data is not mapped in memory
 401     size_t len;
 402     int disk_used;
 403     BlueSkyFS *fs;
 404     BlueSkyLog *log;
 405     gboolean fetching, ready;   // Cloud data: downloading or ready for use
 406     int64_t atime;              // Access time, for cache management
 407     BlueSkyRangeset *items;     // Locations of valid items
 408     BlueSkyRangeset *prefetches;// Locations we have been requested to prefetch
 409 };
 410
 411 BlueSkyLog *bluesky_log_new(const char *log_directory);
 412 void bluesky_log_item_submit(BlueSkyCloudLog *item, BlueSkyLog *log);
 413 void bluesky_log_finish_all(GList *log_items);
 414 BlueSkyCloudLog *bluesky_log_get_commit_point(BlueSkyFS *fs);
 415 void bluesky_log_write_commit_point(BlueSkyFS *fs, BlueSkyCloudLog *marker);
 416
 417 BlueSkyRCStr *bluesky_log_map_object(BlueSkyCloudLog *item, gboolean map_data);
 418 void bluesky_mmap_unref(BlueSkyCacheFile *mmap);
 419 void bluesky_cachefile_unref(BlueSkyCacheFile *cachefile);
 420
 421 BlueSkyCacheFile *bluesky_cachefile_lookup(BlueSkyFS *fs,
 422                                            int clouddir, int log_seq,
 423                                            gboolean start_fetch);
 424 void bluesky_cachefile_gc(BlueSkyFS *fs);
 425
 426 void bluesky_replay(BlueSkyFS *fs);
 427
 428 /* Used to track log segments that are being written to the cloud. */
 429 typedef struct {
 430     BlueSkyRCStr *data;
 431     GSList *items;
 432     GMutex *lock;
 433     GCond *cond;
 434     gboolean complete;
 435 } SerializedRecord;
 436
 437 /***** Inode map management *****/
 438
 439 /* Mapping information for a single inode number.  These are grouped together
 440  * into InodeMapRange objects. */
 441 typedef struct {
 442     uint64_t inum;
 443
 444     /* A pointer to the cloud log entry for this inode.  This may or may not
 445      * actually have data loaded (it might just contain pointers to the data
 446      * location, and in fact this will likely often be the case). */
 447     BlueSkyCloudLog *item;
 448 } InodeMapEntry;
 449
 450 typedef struct {
 451     /* Starting and ending inode number values that fall in this section.
 452      * Endpoint values are inclusive. */
 453     uint64_t start, end;
 454
 455     /* A sorted list (by inode number) of InodeMapEntry objects. */
 456     GSequence *map_entries;
 457
 458     /* The serialized version of the inode map data. */
 459     BlueSkyCloudLog *serialized;
 460
 461     /* Have there been changes that require writing this section out again? */
 462     gboolean dirty;
 463 } InodeMapRange;
 464
 465 InodeMapEntry *bluesky_inode_map_lookup(GSequence *inode_map, uint64_t inum,
 466                                         int action);
 467 BlueSkyCloudLog *bluesky_inode_map_serialize(BlueSkyFS *fs);
 468 void bluesky_inode_map_minimize(BlueSkyFS *fs);
 469
 470 gboolean bluesky_checkpoint_load(BlueSkyFS *fs);
 471
 472 #ifdef __cplusplus
 473 }
 474 #endif
 475
 476 #endif