Fix segfault in replay_sub when verbose is 1
[blktrace.git] / btreplay / doc / btreplay.tex
1 %
2 % Copyright (C) 2007 Alan D. Brunelle <Alan.Brunelle@hp.com>
3 %
4 %  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5 %  it under the terms of the GNU General Public License as published by
6 %  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7 %  (at your option) any later version.
8 %
9 %  This program is distributed in the hope that it will be useful,
10 %  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11 %  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12 %  GNU General Public License for more details.
13 %
14 %  You should have received a copy of the GNU General Public License
15 %  along with this program; if not, write to the Free Software
16 %  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
17 %
18 %  vi :set textwidth=75
19 %
20 \documentclass{article}
21 \usepackage{multirow,graphicx,placeins}
22
23 \begin{document}
24 %---------------------
25 \title{\texttt{btrecord} and \texttt{btreplay} User Guide}
26 \author{Alan D. Brunelle (Alan.Brunelle@hp.com)}
27 \date{\today}
28 \maketitle
29 \begin{abstract}
30 \input{abstract.tex}
31 \end{abstract}
32 \thispagestyle{empty}\newpage
33 %---------------------
34 \tableofcontents\thispagestyle{empty}\newpage
35 %---------------------
36 \section{Introduction}
37 \input{abstract.tex}
38
39 \bigskip 
40 This document presents the command line overview for
41 \texttt{btrecord} and \texttt{btreplay}, and shows some commonly used
42 example usages of it in everyday work here at OSLO's Scalability and
43 Performance Group.
44
45 \subsection*{Build Note}
46
47 To build these tools, one needs to
48 place the source directory next to a valid
49 \texttt{blktrace}\footnote{\texttt{git://git.kernel.dk/blktrace.git}}
50 directory, as it includes \texttt{../blktrace} in the \texttt{Makefile}.
51
52
53 %---------------------
54 \newpage\section{\texttt{btrecord} and \texttt{btreplay} Operating Model}
55
56 The \texttt{blktrace} utility provides the ability to collect detailed
57 traces from the kernel for each IO processed by the block IO layer. The
58 traces provide a complete timeline for each IO processed, including
59 detailed information concerning when an IO was first received by the block
60 IO layer -- indicating the device, CPU number, time stamp, IO direction,
61 sector number and IO size (number of sectors). Using this information,
62 one is able to \emph{replay} the IO again on the same machine or another
63 set up entirely.
64
65 \subsection{Basic Workflow}
66 The basic operating work-flow to replay IOs would be something like:
67
68 \begin{enumerate}
69   \item Run \texttt{blktrace} to collect traces. Here you specify the
70   device or devices that you wish to trace and later replay IOs upon. Note:
71   the only traces you are interested in are \emph{QUEUE} requests --
72   thus, to save system resources (including storage for traces), one could
73   specify the \texttt{-a queue} command line option to \texttt{blktrace}.
74
75   \item While \texttt{blktrace} is running, you run the workload that you
76   are interested in. 
77
78   \item When the work load has completed, you stop the \texttt{blktrace}
79   utility (thus saving all traces over the complete workload). 
80
81   \item You extract the pertinent IO information from the traces saved by
82   \texttt{blktrace} using the \texttt{btrecord} utility. This will parse
83   each trace file created by \texttt{blktrace}, and crafty IO descriptions
84   to be used in the next phase of the workload processing.
85
86   \item Once \texttt{btrecord} has successfully created a series of data
87   files to be processed, you can run the \texttt{btreplay} utility which
88   attempts to generate the same IOs seen during the sample workload phase.
89 \end{enumerate}
90
91 \subsection{IO Stream Replay Characteristics}
92   The major characteristics of the IO stream that are kept intact include:
93
94   \begin{description}
95     \item[Device] The IOs are replayed on the same device as was seen
96     during the sample workload.
97
98     \item[IO direction] The same IO direction (read/write) is maintained.
99
100     \item[IO offset] The same device offset is maintained.
101
102     \item[IO size] The same number of sectors are transferred.
103
104     \item[Time differential] The time stamps stored during the
105     \texttt{blktrace} run are used to determine the amount of time between
106     IOs during the sample workload. \texttt{btreplay} \emph{attempts} to
107     maintain the same time differential between IOs, but no guarantees as
108     to complete accuracy are provided by the utility.
109
110     \item[Device IO Stream Ordering] All IOs on a device are submitted in
111     the precise order they were seen during the sample workload run. 
112   \end{description}
113
114   As noted above, the time between IOs may not be accurately maintained
115   during replays. In addition the actual ordering of IOs \emph{between}
116   devices is not necessarily maintained. (Each device with an IO stream
117   maintains its own concept of time, and thus there may be slippage of the
118   time kept between managing threads.)
119
120   \begin{quotation}
121     We have prototyped a different approach, wherein a single managing
122     thread handles all IOs across all devices. This approach, while
123     guaranteeing correct ordering of IOs across all devices, resulted in
124     much worse timing on a per IO basis. 
125   \end{quotation}
126
127 \subsection{\texttt{btrecord/btreplay} Method of Operation}
128
129 As noted above, \texttt{btrecord} extracts \texttt{QUEUE} operations from
130 \texttt{blktrace} output. These \texttt{QUEUE} operations indicate the
131 entrance of IOs into the block IO layer. In order to replay these IOs with
132 some accuracy in regards to ordering and timeliness, we decided to take
133 multiple sequential (in time) IOs and put them in a single \emph{bunch} of
134 IOs that will be processed as a single \emph{asynchronous IO} call to the
135 kernel\footnote{Attempts to do them individually resulted in too large of a
136 turnaround time penalty (user-space to kernel and back). Note that in a
137 number of workloads, the IOs are coming in from the page cache handling
138 code, and thus are submitted to the block IO layer with \emph{very small}
139 time intervals between issues.}. To manage the size of the \emph{bunches},
140 the \texttt{btrecord} utility provides you with two controlling knobs:
141
142 \begin{description}
143   \item[\texttt{--max-bunch-time}] This is the amount of time to encompass
144   in one bunch -- only IOs within the time specified are eligible
145   for \emph{bunching.} The default time is 10 milliseconds (10,000,000
146   nanoseconds). Refer to section~\ref{sec:c-o-m} on page~\pageref{sec:c-o-m}
147   for more information.
148
149   \item[\texttt{--max-pkts}] A \emph{bunch} size can be anywhere from
150   1 to 512 packets in size and by default we max a bunch to contain no
151   more than 8 individual IOs. With this option, one can increase or
152   decrease the maximum \emph{bunch} size.  Refer to section~\ref{sec:c-o-M}
153   on page~\pageref{sec:c-o-M} for more information.
154 \end{description}
155
156 Each input data file (one per device per CPU) results in a new record
157 data file (again, one per device per CPU) which contains information
158 about \emph{bunches} of IOs to be replayed. \texttt{btreplay} operates on
159 these record data files by spawning a new pair of threads per file. One
160 thread managed the submitting of AIOs per bunch in the record data file,
161 while the other thread manages reclaiming AIOs completed\footnote{We
162 have found that having the same thread do both results in a further
163 reduction in replay timing accuracty.}.
164
165 Each submitting thread simply reads the input file of \emph{bunches}
166 recorded by \texttt{btrecord}, and attempts to faithfully reproduce the
167 ordering and timing of IOs seen during the sample workload. The reclaiming
168 thread simply wait for AIO completions, freeing up resources for the
169 submitting thread to utilize to submit new AIOs.
170
171 The number of CPUs being used on the replay system can be different from
172 the number on the recorded system. To help with mappings here the
173 \texttt{--cpus} option allows one to state how many CPUs on the replay
174 system to utilize. If the number of CPUs on the replay system is less than
175 on the recording system, we wrap CPU IDs. This \emph{may} result in an
176 overload of CPU processing capabilities on the replay system. (Refer to
177 section~\ref{sec:p-o-c} on page~\pageref{sec:p-o-c} for more details about the
178 \texttt{--cpus} option.)
179
180 \newpage\subsection{Known Deficiencies and Proposed Possible Fixes}
181
182 The overall known deficiencies with this current set of utilities is
183 outlined here, in some cases ideas on additions and/or improvements are
184 included as well.
185
186 \begin{enumerate}
187   \item Lack of IO ordering across devices. 
188
189   \begin{quote}
190     \emph{We could institute the notion of global time across threads,
191     and thus ensure IO ordering across devices, with some reduction in
192     timing accuracy.}
193   \end{quote}
194
195   \item Lack of IO timing accuracy -- additional time between IO bunches.
196
197   \begin{quote}
198     \emph{This is the primary problem with any IO replay mechanism -- how
199     to guarantee per-IO timing accuracy with respect to other replayed IOs?
200     One idea to reduce errors in this area would be to push the IO replay
201     into the kernel, where you \emph{may} receive more responsive timings.}
202   \end{quote}
203
204   \item Bunching of IOs results in reduced time amongst IOs within a bunch.
205
206   \begin{quote}
207     \emph{The user has \emph{some} control over this (via the
208     \texttt{--max-pkts} option). One \emph{could} simply specify
209     \texttt{-max-pkts=1} and then each IO would be treated individualy. Of
210     course, this would probably then run into the problem of excessive
211     inter-IO times.}
212   \end{quote}
213
214   \item 1-to-1 mapping of devices -- for now the devices on the replay
215   machine must be the same as on the recording machine. 
216
217   \begin{quote}
218     \emph{It should be relatively trivial to add in the notion of
219     mapping -- simply include a file that is read which maps devices
220     on one machine to devices (with offsets and sizes) on the replay
221     machine\footnote{The notion of an offset and device size to replay on
222     could be used to both allow for a single device to masquerade as more
223     than one device, and could be utilized in case the replay device is
224     smaller than the recorded device.}.}
225     
226     \medskip\emph{One could also add in the notion of CPU mappings as well --
227     device $D_{rec}$ managed by CPU $C_{rec}$ on the recorded system
228     shall be replayed on device $D_{rep}$ and CPU $C_{rep}$ on the
229     replay machine.}
230
231     \bigskip
232     \begin{quote}
233       With version 0.9.1 we now support the \texttt{-M} option to do this
234       -- see section~\ref{sec:p-o-M} on page~\pageref{sec:p-o-M} for more
235       information on device mapping.
236     \end{quote}
237   \end{quote}
238
239 \end{enumerate}
240
241 %---------------------
242 \newpage\section{\label{sec:command-line}Command Line Options}
243 \subsection{\texttt{btrecord} Command Line Options}
244 \begin{figure}[h!]
245 \begin{verbatim}
246 Usage: btrecord -- version 0.9.3
247
248         [ -d <dir>  : --input-directory=<dir> ] Default: .
249         [ -D <dir>  : --output-directory=<dir>] Default: .
250         [ -F        : --find-traces           ] Default: Off
251         [ -h        : --help                  ] Default: Off
252         [ -m <nsec> : --max-bunch-time=<nsec> ] Default: 10 msec
253         [ -M <pkts> : --max-pkts=<pkts>       ] Default: 8
254         [ -o <base> : --output-base=<base>    ] Default: replay
255         [ -v        : --verbose               ] Default: Off
256         [ -V        : --version               ] Default: Off
257         <dev>...                                Default: None
258 \end{verbatim}
259 \caption{\label{fig:btrecord--help}\texttt{btrecord --help} Output}
260 \end{figure}
261 \FloatBarrier
262
263 \subsubsection{\label{sec:c-o-d}\texttt{-d} or
264 \texttt{--input-directory}\\Set Input Directory}
265
266 The \texttt{-d} option requires a single parameter providing the directory
267 name for where input files are to be found. The default directory is the
268 current directory (\texttt{.}).
269
270 \subsubsection{\label{sec:c-o-D}\texttt{-D} or
271 \texttt{--output-directory}\\Set Output Directory}
272
273 The \texttt{-D} option requires a single parameter providing the directory
274 name for where output files are to be placed. The default directory is the
275 current directory (\texttt{.}).
276
277 \subsubsection{\texttt{-F} or \texttt{--find-traces}\\Find Trace Files
278 Automatically}
279
280 The \texttt{-F} option instructs \texttt{btrecord} to go find all the
281 trace files in the directory specified (either via the \texttt{-d}
282 option, or in the default directory '.').
283
284 \subsubsection{\texttt{-h} or \texttt{--help}\\Display Help Message}
285 \subsubsection{\texttt{-V} or \texttt{--version}\\Display
286 \texttt{btrecord}Version}
287
288 The \texttt{-h} option displays the command line options and
289 defaults, as presented in figure~\ref{fig:btrecord--help} on
290 page~\pageref{fig:btrecord--help}.
291
292 The \texttt{-V} option displays the \texttt{btreplay} version, as shown here:
293
294 \begin{verbatim}
295 $ btrecord --version
296 btrecord -- version 0.9.0
297 \end{verbatim}
298
299 Both commands exit immediately after processing the option.
300
301 \subsubsection{\label{sec:c-o-m}\texttt{-m} or
302 \texttt{--max-bunch-time}\\Set Maximum Time Per Bunch}
303
304 The \texttt{-m} option requires a single parameter which specifies an
305 amount of time (in nanoseconds) to include in any one bunch of IOs that
306 are to be processed. The smaller the value, the smaller the number of
307 IOs processed at one time -- perhaps yielding in more realistic replay.
308 However, after a certain point the amount of overhead per bunch may result
309 in additonal real replay time, thus yielding less accurate replay times.
310
311 The default value is 10,000,000 nanoseconds (10 milliseconds).
312
313 \subsubsection{\label{sec:c-o-M}\texttt{-M} or
314 \texttt{--max-pkts}\\Set Maximum Packets Per Bunch}
315
316 The \texttt{-M} option requires a single parameter which specifies the
317 maximum number of IOs to store in a single bunch. As with the \texttt{-m}
318 option (section~\ref{sec:c-o-m}), smaller values \emph{may} or \emph{may not}
319 yield more accurate replay times.
320
321 The default value is 8, with a maximum value of up to 512 being supported.
322
323 \subsubsection{\label{sec:c-o-o}\texttt{-o} or
324 \texttt{--output-base}\\Set Base Name for Output Files}
325
326 Each output file has 3 fields:
327
328 \begin{enumerate}
329   \item Device identifier (taken directly from the device name of the
330   \texttt{blktrace} output file).
331
332   \item \texttt{btrecord} base name -- by default ``replay''.
333
334   \item And the CPU number (again, taken directly from the
335   \texttt{blktrace} output file name).
336 \end{enumerate}
337
338 This option requires a single parameter that will override the default name
339 (replay), and replace it with the specified value.
340
341 \subsubsection{\label{sec:c-o-v}\texttt{-v} or
342 \texttt{--verbose}\\Select Verbose Output}
343
344 This option will output some simple statistics at the end of a successful
345 run. Figure~\ref{fig:verb-out} (page~\pageref{fig:verb-out}) shows
346 an example of some output, while figure~\ref{fig:verb-defs}
347 (page~\pageref{fig:verb-defs}) shows what the fields mean.
348
349 \begin{figure}[h!]
350 \begin{verbatim}
351 sdab:0: 580661 pkts (tot), 126030 pkts (replay), 89809 bunches, 1.4 pkts/bunch
352 sdab:1: 2559775 pkts (tot), 430172 pkts (replay), 293029 bunches, 1.5 pkts/bunch
353 sdab:2: 653559 pkts (tot), 136522 pkts (replay), 102288 bunches, 1.3 pkts/bunch
354 sdab:3: 474773 pkts (tot), 117849 pkts (replay), 69572 bunches, 1.7 pkts/bunch
355 \end{verbatim}
356 \caption{\label{fig:verb-out}Verbose Output Example}
357 \end{figure}
358 \FloatBarrier
359
360 \begin{figure}[h!]
361 \begin{description}
362   \item[Field 1] The first field contains the device name and CPU
363   identrifer. Thus: \texttt{sdab:0:} means the device \texttt{sdab} and
364   traces on CPU 0. 
365
366   \item[Field 2] The second field contains the total number of packets
367   processed for each device file. 
368
369   \item[Field 3] The next field shows the number of packets eligible for
370   replay. 
371
372   \item[Field 4] The fourth field contains the total number of IO bunches. 
373
374   \item[Field 5] The last field shows the average number of IOs per bunch
375   recorded.
376 \end{description}
377 \caption{\label{fig:verb-defs}Verbose Field Definitions}
378 \end{figure}
379 \FloatBarrier
380
381 %---------------------
382 \newpage\subsection{\texttt{btreplay} Command Line Options}
383 \begin{figure}[h!]
384 \begin{verbatim}
385 Usage: btreplay -- version 0.9.3
386
387         [ -c <cpus> : --cpus=<cpus>           ] Default: 1
388         [ -d <dir>  : --input-directory=<dir> ] Default: .
389         [ -F        : --find-records           ] Default: Off
390         [ -h        : --help                  ] Default: Off
391         [ -i <base> : --input-base=<base>     ] Default: replay
392         [ -I <iters>: --iterations=<iters>    ] Default: 1
393         [ -M <file> : --map-devs=<file>       ] Default: None
394         [ -N        : --no-stalls             ] Default: Off
395         [ -v        : --verbose               ] Default: Off
396         [ -V        : --version               ] Default: Off
397         [ -W        : --write-enable          ] Default: Off
398         <dev...>                                Default: None
399 \end{verbatim}
400 \caption{\label{fig:btreplay--help}\texttt{btreplay --help} Output}
401 \end{figure}
402 \FloatBarrier
403
404 \subsubsection{\label{sec:p-o-c}\texttt{-c} or
405 \texttt{--cpus}\\Set Number of CPUs to Use}
406
407 \subsubsection{\label{sec:p-o-d}\texttt{-d} or
408 \texttt{--input-directory}\\Set Input Directory}
409
410 The \texttt{-d} option requires a single parameter providing the directory
411 name for where input files are to be found. The default directory is the
412 current directory (\texttt{.}).
413
414 \subsubsection{\texttt{-F} or \texttt{--find-records}\\Find RecordFiles
415 Automatically}
416
417 The \texttt{-F} option instructs \texttt{btreplay} to go find all the
418 record files in the directory specified (either via the \texttt{-d}
419 option, or in the default directory '.').
420
421 \subsubsection{\texttt{-h} or \texttt{--help}\\Display Help Message}
422 \subsubsection{\texttt{-V} or \texttt{--version}\\Display
423 \texttt{btreplay}Version}
424
425 The \texttt{-h} option displays the command line options and
426 defaults, as presented in figure~\ref{fig:btreplay--help} on
427 page~\pageref{fig:btreplay--help}.
428
429 The \texttt{-V} option displays the \texttt{btreplay} version, as show here:
430
431 \begin{verbatim}
432 $ btreplay --version
433 btreplay -- version 0.9.0
434 \end{verbatim}
435
436 Both commands exit immediately after processing the option.
437
438 \subsubsection{\label{sec:p-o-i}\texttt{-i} or
439 \texttt{--input-base}\\Set Base Name for Input Files}
440
441 Each input file has 3 fields:
442
443 \begin{enumerate}
444   \item Device identifier (taken directly from the device name of the
445   \texttt{blktrace} output file).
446
447   \item \texttt{btrecord} base name -- by default ``replay''.
448
449   \item And the CPU number (again, taken directly from the
450   \texttt{blktrace} output file name).
451 \end{enumerate}
452
453 This option requires a single parameter that will override the default name
454 (replay), and replace it with the specified value.
455
456 \subsubsection{\label{sec:p-o-I}\texttt{-I} or
457 \texttt{--iterations}\\Set Number of Iterations to Run}
458
459 This option requires a single parameter which specifies the number of times
460 to run through the input files. The default value is 1.
461
462 \subsubsection{\label{sec:p-o-M}\texttt{-M} or \texttt{map-devs}\\
463 Specify Device Mappings}
464
465 This option requires a single paramter which specifies the name of a
466 file contain device mappings. The file must be very simply managed, with
467 just two pieces of data per line:
468
469 \begin{enumerate}
470   \item The device name on the recorded system (with the \texttt{'/dev/'}
471   removed). Example: \texttt{/dev/sda} would just be \texttt{sda}.
472
473   \item The device name on the replay system to use (again, without the
474   \texttt{'/dev/'} path prepended).
475 \end{enumerate}
476
477 An example file for when one would map devices \texttt{/dev/sda} and
478 \texttt{/dev/sdb} on the recorded system to \texttt{dev/sdg} and
479 \texttt{sdh} on the replay system would be:
480
481 \begin{verbatim}
482 sda sdg
483 sdb sdh
484 \end{verbatim}
485
486 The only entries in the file that are allowed are these two element lines
487 -- we do not (yet?) support the notion of blank lines, or comment lines, or
488 the like.
489
490 The utility \emph{does} allow for multiple \texttt{-M} options to be
491 supplied on the command line.
492
493 \subsubsection{\label{sec:o-N}\texttt{-N} or \texttt{--no-stalls}\\Disable
494 Pre-bunch Stalls}
495
496 When specified on the command line, all pre-bunch stall indicators will be
497 ignored. IOs will be replayed without inter-bunch delays.
498
499 \subsubsection{\label{sec:p-o-v}\texttt{-v} or
500 \texttt{--verbose}\\Select Verbose Output}
501
502 When specified on the command line, this option instructs \texttt{btreplay}
503 to store information concerning each \emph{stall} and IO operation
504 performed by \texttt{btreplay}. The name of each file so created will be
505 the input file name used with an extension of \texttt{.rep} appended onto
506 it. Thus, an input file of the name \texttt{sdab.replay.3} would generate a
507 verbose output file with the name \texttt{sdab.replay.3.rep} in the
508 directory specified for input files.
509
510 In addition, \texttt{btreplay} will also output to \texttt{stderr} the
511 names of the input files being processed.
512
513 \subsubsection{\label{sec:p-o-W}\texttt{-W} or
514 \texttt{--write-enable}\\Enable Writing During Replay}
515
516 As a precautionary measure, by default \texttt{btreplay} will \emph{not}
517 process \emph{write} requests. In order to enable \texttt{btreplay} to
518 actually \emph{write} to devices one must explicitly specify the
519 \texttt{-W} option.
520
521 \end{document}