bcache 對比 dm-cache：Linux 上的 SSD 快取

SSD 速度快，但每 GB 單價較高；HDD 價格低廉，但速度較慢。Linux 提供兩種內核級工具來結合這兩者：bcache 和 dm-cache。兩者皆將 SSD 作為大型 HDD 前端的透明快取，但在架構、設定要求以及最佳運作情境方面有所不同。

bcache 的運作原理

Bcache 自 Linux 核心 3.10 版（2013 年 6 月）起便已內建。它運作於區塊層，因此可與任何支援 UUID 的檔案系統配合使用。

在內部，bcache 採用混合式的 B+ 樹/日誌結構。它將 SSD 儲存空間分割為固定大小的區塊（128K 至 2MB），並對齊至擦除區塊邊界。此機制將隨機寫入轉換為順序寫入，從而降低寫入放大效應並延長 SSD 使用壽命。超過 4MB 的順序 I/O 操作會自動繞過快取，使 SSD 專注於其最具價值的隨機存取模式。

Bcache 還會即時監控 SSD 的延遲。若讀取延遲超過 2 毫秒或寫入延遲超過 20 毫秒，系統便會限制流量，以防止快取裝置成為瓶頸。

設定

安裝 bcache-tools，然後格式化您的後端裝置與快取裝置：

make-bcache -B /dev/sdb          # format HDD as backing device
make-bcache -C /dev/sdc          # format SSD as cache device
echo <UUID> > /sys/block/bcache0/bcache/attach   # attach cache

運行時調校可透過 /sys/block/bcache<N>/bcache/ sysfs 介面進行，您可在其中調整快取模式、順序 I/O 閾值及延遲目標。對於 RAID 陣列，請使用 --data-offset 來對齊您的條帶寬度。

注意事項：此設定會造成資料遺失。兩個裝置都必須格式化為 bcache 目標，因此您無法在不先清除現有檔案系統的情況下，將 bcache 新增至該檔案系統。此外，bcache 裝置在建立後亦無法調整大小。

效能

Bcache 的寫入整合功能使其具備強大的隨機寫入表現。在基準測試中，其隨機 4K 寫入 IOPS 約達 18,500，相較於單純使用原始 SSD 時的 12,200 IOPS。若搭配效能足夠的硬體，隨機讀取吞吐量可達約 1,000,000 IOPS。

針對加密工作負載，建議在 /dev/bcache<N> ，而非分別加密底層硬碟。此方式通常效能更佳，因為 Bcache 仍可在加密前進行寫入整合。

dm-cache 的運作原理

dm-cache 是一種位於現有邏輯卷之上層的 Device Mapper 目標。它使用三個子裝置：原始裝置（HDD）、快取裝置（SSD 或 NVMe），以及用於追蹤區塊位置和髒資料狀態的元資料裝置。預設的快取策略為 smq（隨機多佇列），可在混合工作負載中識別熱資料。

關鍵優勢在於：dm-cache 可在不破壞現有資料的情況下，疊加於正在運作的 LVM 卷上。您亦可透過標準 LVM 指令調整其大小。

透過 LVM 進行設定

配置 dm-cache 的實用方法是透過 lvmcache。手動 dmsetup 配置雖可行，但容易出錯且無法在重新開機後保留設定。LVM 方法如下：

1. 在 HDD 和 SSD 上分別建立實體卷 (PV)。
2. 將兩個 PV 加入同一個卷組 (VG) 中。
3. 建立三個邏輯卷：一個用於儲存資料（HDD）、一個用於快取（SSD）、一個用於元資料（SSD）。
4. 將快取與元資料邏輯卷組合成一個快取池：
   lvconvert --type cache-pool --poolmetadata <meta_lv> <cache_lv>
5. 將快取池掛載至原始資料源：
   lvconvert --type cache --cachepool <pool_lv> <data_lv>

需注意一點：請透過其 /dev/mapper/ 路徑掛載，而非透過 UUID。若透過 UUID 掛載，可能會繞過快取層並直接讀取原始裝置。

效能與記憶體

在 90/10 讀寫比例的 Zipf 工作負載下，dm-cache 的寫回模式已達到約 193 MB/s 的讀取速度與約 21 MB/s 的寫入速度。在另一項基準測試中，透過 10 GB NVMe 分區對 100 GB HDD 進行快取，隨機寫入 IOPS 從 118 提升至 798。

其代價在於記憶體消耗。dm-cache 的元資料開銷取決於區塊大小。若採用 512 位元組的區塊大小，每 100 GB 快取可能消耗超過 16 GB 的 RAM；若將區塊大小提升至 4,096 位元組，每 100 GB 的記憶體使用量則會降至約 2 GB。 請選擇接近平均 I/O 大小（64 KB 是個合理的起點）的區塊大小，並確保其為 64 個磁區（32 KB）的倍數，且落在 32 KB 至 1 GB 的範圍內。

元資料會在每次執行 FLUSH 或 FUA 寫入時進行刷新，或至少每秒刷新一次。為確保高可用性，請對元資料裝置進行鏡像，以避免單點故障。

快取模式

bcache 與 dm-cache 均支援相同的核心快取模式。選擇哪種模式將同時影響效能與資料安全性。

對這兩款工具而言，寫入直通是安全的預設選項。寫入回傳雖然速度較快，但會帶來實際風險：若 SSD 在保留未寫入資料時發生故障，該資料將永久遺失，且檔案系統可能受損。僅在您擁有冗餘 SSD 或能容忍偶發性資料遺失時，才應使用寫入回傳。

bcache 與 dm-cache：該選用哪一個

當您從頭建置新系統且希望獲得最佳隨機 I/O 效能時，請使用 bcache。對於資料庫和虛擬機器儲存等寫入密集型工作負載，以及隨機寫入開銷嚴重的 RAID 6 陣列，這是更佳的選擇。

若需為已投入生產的伺服器新增快取功能，請使用 dm-cache。其與 LVM 的整合意味著您可在無需停機或資料遷移的情況下掛載快取裝置。此方案更適合讀取密集型工作負載，以及需要靈活調整儲存空間大小或即時重新配置儲存環境的場景。

結論

這兩款工具雖解決相同的問題，但適用於不同的情境。對於全新建置的系統，Bcache 是性能的首選；對於現有的 LVM 系統，dm-cache 則是實用的選擇。無論您選擇哪一款，建議先從寫入直通模式開始，直到您確信 SSD 的可靠性後，若需要寫入性能，再切換至寫入回寫模式。

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