ZFS是什么?使用ZFS的理由及特性介绍

ZFS 的历史

Z 文件系统(Z File System)(ZFS)是由 Matthew Ahrens 和 Jeff Bonwick 在 2001 年开发的。ZFS 是作为 太阳微系统(Sun MicroSystem) 公司的 OpenSolaris 的下一代文件系统而设计的。在 2008 年,ZFS 被移植到了 FreeBSD 。同一年,一个移植 ZFS 到 Linux 的项目也启动了。然而,由于 ZFS 是 通用开发和发布许可证 (Common Development and Distribution License)(CDDL)许可的,它和 GNU 通用公共许可证 不兼容,因此不能将它迁移到 Linux 内核中。为了解决这个问题,绝大多数 Linux 发行版提供了一些方法来安装 ZFS。

在甲骨文公司收购太阳微系统公司之后不久,OpenSolaris 就闭源了,这使得 ZFS 的之后的开发也变成闭源的了。许多 ZFS 开发者对这件事情非常不满。 三分之二的 ZFS 核心开发者 ,包括 Ahrens 和 Bonwick,因为这个决定而离开了甲骨文公司。他们加入了其它公司,并于 2013 年 9 月创立了 OpenZFS 这一项目。该项目引领着 ZFS 的开源开发。

让我们回到上面提到的许可证问题上。既然 OpenZFS 项目已经和 Oracle 公司分离开了,有人可能好奇他们为什么不使用和 GPL 兼容的许可证,这样就可以把它加入到 Linux 内核中了。根据 OpenZFS 官网 的介绍,更改许可证需要联系所有为当前 OpenZFS 实现贡献过代码的人(包括初始的公共 ZFS 代码以及 OpenSolaris 代码),并得到他们的许可才行。这几乎是不可能的(因为一些贡献者可能已经去世了或者很难找到),因此他们决定保留原来的许可证。

ZFS 是什么,它有什么特性?

正如前面所说过的,ZFS 是一个先进的文件系统。因此,它有一些有趣的 特性 。比如:

  • 存储池
  • 写时拷贝
  • 快照
  • 数据完整性验证和自动修复
  • RAID-Z
  • 最大单个文件大小为 16 EB(1 EB = 1024 PB)
  • 最大 256 千万亿(256*1015 )的 ZB(1 ZB = 1024 EB)的存储

让我们来深入了解一下其中一些特性。

如何安装 ZFS?

如果你想立刻使用 ZFS(开箱即用),那么你需要安装 FreeBSD 或一个 使用 illumos 内核的操作系统 。 illumos 是OpenSolaris 内核的一个克隆版本。

事实上,支持 ZFS 是一些有经验的 Linux 用户选择 BSD 的主要原因 。

如果你想在 Linux 上尝试 ZFS,那么只能在存储文件系统上使用。据我所知,没有任何 Linux 发行版可以在根目录上安装 ZFS,实现开箱即用。如果你对在 Linux 上尝试 ZFS 感兴趣,那么 ZFS on Linux 项目 上有大量的教程可以指导你怎么做。

存储池

与大多数文件系统不同,ZFS 结合了文件系统和卷管理器的特性。这意味着,它与其他文件系统不同,ZFS 可以创建跨越一系列硬盘或池的文件系统。不仅如此,你还可以通过添加硬盘来增大池的存储容量。ZFS 可以进行分区和格式化

使用ZFS的十条理由及特性

1. 再也不需要fsck, scandisk

不管你是在用Linux,UNIX还是Windows,相信大家都有过类似的体会:当系统意外断电或者非法关机,系统重起后发现文件系统有inconsistent的问题,这时 候就需要fsck或者scandisk 来修复,这段时间是非常耗时而且最后不一定能够修复成功。更糟糕的是,如果这是一台服务器需要做fsck的时候,只能offline(下线),而且现有应用往往都是大硬盘,相应fsck修 复时间也很长,这对许多使用该服务器的用户来说几乎不能忍受的。

而使用ZFS后大家可以彻底抛弃fsck这种工具,因为ZFS是一个基于COW(Copy on Write)机制的文件系统。COW是不会对硬盘上现有的文件进行重写,保证所有硬盘上的文件都是有效的。所以不会有这种inconsistent的概念,自然就不需要这种工具了。

2. 管理简单

ZFS作为一个全新的文件系统,全面抛弃传统File System + Volume Manager + Storage的架构,所有的存储设备是通过ZFS Pool进行管理,只要把各种存储设备加 入同一个ZFS Pool,大家就可以轻松的在这个ZFS Pool管理配置文件系统。大家再也不用牢记各种专业概念,各种命令newfs, metinit及各种Volume Manager的用法。在ZFS中我们只需要两个命令,zpool(针 对ZFS Pool管理)和zfs(针对ZFS文件系统的管理),就可以轻松管理128位的文件系统。举个例子,我们经常会遇到系统数据增长过 快,现有存储容量不够,需要添加硬盘,如果依照传统的Volume Manager管理方式,那我 们需要预先要考虑很多现有因素,还要预先根据应用计算出需要配置的各种参数。在ZFS情况下,我们的系统管理员可以彻底解放,再也不需要这种人为的复杂 考虑和计算,我们可以把这些交给ZFS,因为ZFS Pool会自动调节,动态适应需求。我们只需一个简单的命令为 这个ZFS Pool加入新的硬盘就可以了:

zpool add zfs_pool mirror c4t0d0 c5t0d0

基于这个动态调节的ZFS Pool之上的所有的文件系统就可以立即使用到这个新的硬盘,并且会自动的选择最优化的参数。而且ZFS同时也提供图形化的管理界面

3.没有任何容量限制

ZFS(Zettabyte File System)文件系统就如其名字所预示,可以提供真正的海量存储,在现实中几乎不可能遇到容量问题。在现有的64位kernel(内 核)下,它可以容纳达到16 Exabytes(264)大小的单个文件,可以使用264个存储设备,可以创建264个文件系统。

4.完全保证 数据 的正确和完整

由于ZFS所有的数据操作都是基 于Transaction(事务),一组相应的操作会被ZFS解 析为一个事务操作,事务的操作就代表着一组操作要么一起失败,要么一起成功。而且如前所说,ZFS对 所有的操作是基于COW(Copy on Write), 从而保证设备上的数 据始终都是有效的,再也不会因为系统崩溃或者意外掉电导致数据文件的inconsistent。

还有一种潜在威胁 数据的可能是来自于硬件设备的问题,比如磁 盘,RAID卡的硬件问题或者驱动bug。现有文件系统通常遇到这个问题,往往只是简单的把错误数据直接交给上层应用,通常我们把这个问题称作Silent Data Corruption。而在ZFS中,对所有数据不管是用户数据还是文件系统自身的metadata数 据都进行256位的Checksum(校 验),当ZFS在提交数据时会进行校验,彻底杜绝这种Silent Data Corruption情况。

5.提供优异 性能和扩展性

和传统File System + Volume Manager + Storage架构不同,ZFS则是直接基于存储设备提供所有的功能,因此有自己独有的创新特性,性能自然非比寻常。

Dynamic Striping vs. Static Striping

由于ZFS是基于COW和一个全局动态的ZFS Pool,任何一次写 操作,都是对一块新数据块(Block)的一次写操作。ZFS从ZFS Pool中动态挑选出一个最优的设备,并且以一个transaction(事 务)线性写入,充分有效地利用了现有设备的带宽,我们把这个特性称为Dynamic Striping。而相对应的Static Striping则是传统文件系统所使用的方式,Static Striping需要管理员预先对这组Stripe进行正确地计算人为 设置,而且如果加入新的设备则需要再次人为的计算和设置,更为严重的是如果人为计算错误,则会直接影响系统的性能。而在使用Dynamic Striping这种特性之后,我们根本不需要人为介入,ZFS会自动调整,智能的为你 提供最佳的设备,最快的操作方式。

支持多种 大小的数据块(Multiple Block Size)

ZFS支持多种大小的数据块定义,从512字节到1M字节。和传统文件系统往往都是固定大小数据块不同,ZFS则是可以动态的根据不同 大小的文件进行计算,动态的选择最佳的数据块。

因为不同大小数据 块,直接影响到实际使用硬盘容量和读取速度。如果使用较小的数据块,存储文件所导致的碎片则较少,读写小文件更快一些,但是会导致需要创建更多的metadata,读写大文件则会更费时。如果使用较大的数据块,使用的metadata较少,更利于读写大文件,但是会导致更多的碎片。ZFS根据实际调查现有文件使 用的情况,分析出一个选择数据块大小的算法,动态的根据实际文件大小确定最佳的数据块。所以ZFS是 非常智能的,在不需要系统管理员介入,就可以得到一个自我调优的结果。当然ZFS也支持用户对单个文件或者整个文件系统 所使用的数据块大小的自定义设置。

智能预读取(Intelligent Prefetch)

多数的操作系统都 有这种将数据预先读取的功能,而ZFS则是建立在文件系统上直接提供的一种更加智能的数据预读取功能。它不仅可以智能地识别出多种读取模式, 进 行提前读取数据,而且可以对每个读取数据流进行这种预读取智能识别,这个对许多流媒体提供者来说是件非常好的事情。

在扩展性上,和现有文件系统多是基于一个受限的静态模型不同,ZFS是采用ZFS Pool这个动态概念,它的metadata也是动态,并且读写操作都是可并行的,并且具有优先级概念,所以即使在大数据量,多设备的情况下仍可以保证性能的线性增长。

6.自我修复功能

ZFS Mirror 和 RAID-Z

传统的硬盘Mirror及RAID 4,RAID 5阵列方式都会遇到前面提到过的问题:Silent Data Corruption。如果发生了某块硬盘物理问题导致数据错误,现有的Mirror,包括RAID 4,RAID 5阵列会默默地把这个错误数据提交给上层应用。如果这个错误发生在Metadata中,则会直接导致系统的Panic。 而且还有一种更为严重的情况是:在RAID 4和RAID 5阵列中,如果系统正在计算Parity数值,并再次写入新数据和新Parity值的时候发生断电,那么整个阵列的所有存储的数据都毫无意义了。

在ZFS中则提出了相对应的ZFS Mirror和RAID-Z方式,它在负责读取数据的时候会自动和256位校验码进行校验,会主动发现这种Silent Data Corruption,然后通过相应的Mirror硬 盘或者通过RAID-Z阵列中其他硬盘得到正确的数据返回给上层应用,并且同时自动修复原硬盘的Data Corruption 。

Fault Manager

在Solaris 10中,包含 一个ZFS诊断引擎和Solaris的 Fault Manager(这也是Solaris 10的 另一个新特性)交互,可以实时地诊断分析并且报告ZFS Pool和存储设备的错误,用户可以通过Fault Manager及时得到一个非常友善的消息。这个诊断引擎虽然不会采取主动的行为去修复或者解决 问题,但是会在消息中提示系统管理员可采取的动作。类似下面一个ZFS报错消息,其中REC-ACTION就是建议采取的动作:

SUNW-MSG-ID: ZFS-8000-D3, TYPE: Fault, VER: 1, SEVERITY: Major

EVENT-TIME: Fri Mar 10 11:09:06 MST 2006

PLATFORM: SUNW,Ultra-60, CSN: -, HOSTNAME: neo

SOURCE: zfs-diagnosis, REV: 1.0

EVENT-ID: b55ee13b-cd74-4dff-8aff-ad575c372ef8

DESC: A ZFS device failed. Refer to http://sun.com/msg/ZFS-8000-D3 for more information.

AUTO-RESPONSE: No automated response will occur.

IMPACT: Fault tolerance of the pool maybe compromised.

REC-ACTION: Run 'zpool status -x' and replace the bad device.

7. 安全

在安全上,ZFS支持类似NT风格NFSv4版的ACL(读取控制列表)。而且前面所提到的256位验证码,用户可选择多种验证方式,包括SHA-256验证算法,从而在物理存储单元级别上保证数据的安全性。

8. 超强功能

ZFS作为“最后一个文件系统”,涵盖了基本的文件系统和Volume管理的功能,同时 一并提供许多企业级别的超强功能:Quota(配额),Reservation(预留), Compression(压 缩), Snapshot(快照),Clone(克隆)。并且速度非常快。有了这个文件系统,大家再也不需要任何Volume Manager了。

9.兼容性

ZFS是一个完全兼容POSIX规范的文件系统,所以处于上层的应用程序是完全不受影响。ZFS也提供一个Emulated Volume模块,可以把任何一个ZFS文件系统作为普通的块设备使用。同时ZFS也可以使用基于Volume Manager构建的Volume作为存储设备单 元。这样在不需要修改应用程序,不修改已有文件系统下,给了大家最大的自由度去获得ZFS提供的各种特性。

10.开源

ZFS是Sun Microsystems公 司作为OpenSolaris的一个开源项目运作并且完全免费使用,这就代表着我们不仅同时可以享受商业公司的高质量,也可以获得开源模式的优点。

虽然目前只有Solaris支持该文件系统,但是这种开源的模式必定会促进更多基于ZFS的应用。现在已经有国外开发者正在将ZFS移植到Linux和Mac OS上来。如果想要体验一下ZFS,由于目前它和Solaris 10绑定在一起,所以需要下载最新版的Solaris 10 6/06 (http://www.sun.com/software/solaris/get.jsp)。

附加说明

这篇文章论述了 ZFS 的优点。现在,让我来告诉你一个关于 ZFS 很现实的问题。使用 RAID-Z 会很贵 ,因为你需要购买大量的磁盘来增大存储空间。

你已经使用过 ZFS 了吗?你的使用经验是什么样的?

总结

以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,谢谢大家对的支持。如果你想了解更多相关内容请查看下面相关链接

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