Типы файловых систем Linux

Linux поддерживает множество файловых систем, таких как ext4, ZFS, XFS, btrfs, Reiser4 и другие

Img

Различные типы файловых систем решают разные проблемы, и их использование зависит от приложения.

Что такое файловая система Linux

Почти каждый бит данных и программ, необходимых для загрузки системы Linux и поддержания ее работы, сохраняется в файловой системе. Например, сама операционная система, компиляторы, прикладные программы, разделяемые библиотеки, файлы конфигурации, файлы журналов, точки монтирования мультимедиа и т.д.

Файловые системы работают в фоновом режиме. Как и остальная часть ядра операционной системы, они практически невидимы при повседневном использовании.

Файловая система Linux обычно представляет собой встроенный уровень операционной системы Linux, используемый для управления данными хранилища. Он контролирует, как данные хранятся и извлекаются. Он управляет именем файла, размером файла, датой создания и другой информацией о файле.

Файловая система ext4

В 1992 году была запущена файловая Extended File System или ext специально для операционной системы Linux. Она уходит своими корнями в операционную систему Minix. В 1993 году было выпущено обновление под названием Extended File System 2 или ext2, которое в течение многих лет было файловой системой по умолчанию во многих дистрибутивах Linux. К 2001 году ext2 была обновлена до ext3, которая ввела журналирование для защиты от повреждений в случае сбоев или сбоев питания.

ext4 была представлена в 2008 году и является файловой системой Linux по умолчанию с 2010 года. Она была разработана как прогрессивная версия файловой системы ext3 и преодолевает ряд ограничений в ext3. Она имеет значительные преимущества перед своим предшественником, такие как улучшенный дизайн, лучшая производительность, надежность и новые функции.

В настоящее время ext4 является файловой системой по умолчанию в большинстве дистрибутивов Linux. Она может поддерживать файлы и файловые системы размером до 16 терабайт. Она также поддерживает неограниченное количество подкаталогов (файловая система ext3 поддерживает только до 32 000). Кроме того, ext4 обратно совместима с ext3 и ext2, что позволяет монтировать эти старые версии с драйвером ext4.

Есть причина, по которой ext4 является выбором по умолчанию для большинства дистрибутивов Linux. Она опробована, протестирована, стабильна, отлично работает и широко поддерживается. Если вам нужна стабильность, ext4 - лучшая файловая система Linux для вас.

Однако несмотря на все свои функции, ext4 не поддерживает прозрачное сжатие, прозрачное шифрование или дедупликацию данных.

Файловая система XFS

XFS - это высокомасштабируемая файловая система, разработанная Silicon Graphics и впервые развернутая в операционной системе IRIX на базе Unix в 1994 году. Это файловая система с журналированием которая отслеживает изменения в журнале перед фиксацией изменений в основной файловой системе. Преимущество заключается в гарантированной целостности файловой системы и ускоренном восстановлении в случае сбоев питания или сбоев системы.

Первоначально XFS была создана для поддержки чрезвычайно больших файловых систем с размерами до 16 эксабайт и размером файлов до 8 эксабайт. Она имеет долгую историю работы на больших серверах и массивах хранения.

Одной из примечательных особенностей XFS является гарантированная скорость ввода-вывода. Это позволяет приложениям зарезервировать пропускную способность. Файловая система рассчитывает доступную производительность и корректирует свою работу в соответствии с существующими резервированиями.

XFS имеет репутацию системы, работающей в средах, требующих высокой производительности и масштабируемости, и поэтому регулярно оценивается как одна из самых производительных файловых систем в больших системах с корпоративными рабочими нагрузками.

Сегодня XFS поддерживается большинством дистрибутивов Linux и теперь стала файловой системой по умолчанию в Red Hat Enterprise Linux, Oracle Linux, CentOS и многих других дистрибутивах.

Лучшие варианты использования файловой системы XFS

У вас большой сервер? У вас большие требования к хранилищу или у вас есть локальный медленный диск SATA?

Если и ваш сервер, и ваше устройство хранения большие и нет необходимости уменьшать размер файловой системы, XFS, вероятно, будет лучшим выбором. XFS - отличная файловая система, которая хорошо масштабируется для больших серверов. Но даже с меньшими массивами хранения XFS работает очень хорошо, когда средние размеры файлов велики, например, размером в сотни мегабайт.

Файловая система btrfs

btrfs - это файловая система Linux общего назначения нового поколения, которая предлагает уникальные функции, такие как расширенное интегрированное управление устройствами, масштабируемость и надежность. Он распространяется под лицензией GPL и открыт для внесения вклада кем угодно. Для файловой системы используются разные имена, в том числе «Butter FS», «B-tree FS» и «Better FS».

Разработка btrfs началась в Oracle в 2007 году. Она была объединена с основным ядром Linux в начале 2009 года и дебютировала в версии Linux 2.6.29.

btrfs не является преемником файловой системы ext4 по умолчанию, используемой в большинстве дистрибутивов Linux, но предлагает лучшую масштабируемость и надежность. btrfs - это файловая система с копированием при записи (Copy-on-Write - CoW), предназначенная для устранения различных недостатков в текущих файловых системах Linux. Основное внимание уделяется отказоустойчивости, самовосстановлению и простоте администрирования.

btrfs может поддерживать до 16 эксбибайт раздела и файл того же размера. Если вас смущают цифры, все, что вам нужно знать, это то, что btrfs может поддерживать до шестнадцати раз больше данных ext4.

Как работает Copy-on-Write и зачем вам это нужно

В традиционной файловой системе при изменении файла данные считываются, изменяются, а затем записываются обратно в то же место. В файловой системе с копией при записи он считывает данные, изменяет их и записывает в новое место. Это предотвращает потерю данных во время транзакции чтения-изменения-записи, поскольку данные всегда находятся на диске.

Поскольку вы не «перенаправляете» до тех пор, пока новый блок не будет полностью записан, если пропадет питание или выйдет из строя в середине записи, вы получите либо старый блок, либо новый блок, но не наполовину записанный поврежденный блокировать. Таким образом, вам не нужно проверять файловые системы при запуске, и вы снижаете риск повреждения данных.

Вы можете сделать снимок файловой системы в любой момент, создав запись снимка в метаданных с текущим набором указателей. Это защищает старые блоки от последующего сбора мусора и позволяет файловой системе представить том в том виде, в котором он был во время моментального снимка. Другими словами, у вас есть возможность мгновенного отката. Вы даже можете клонировать этот том, чтобы сделать его доступным для записи на основе снимка.

Особенности btrfs

  • Copy-on-Write и создание снепшотов - Сделайте инкрементное резервное копирование безболезненным даже из файловой системы в процессе работы или виртуальной машины (VM).
  • Контрольные суммы на уровне файла - метаданные для каждого файла включают контрольную сумму, которая используется для обнаружения и исправления ошибок.
  • Сжатие - файлы можно сжимать и распаковывать "на лету", что увеличивает скорость чтения.
  • Автоматическая дефрагментация - файловые системы настраиваются фоновым потоком, пока они используются.
  • Подтомы - файловые системы могут совместно использовать единый пул пространства вместо того, чтобы помещаться в свои собственные разделы.
  • RAID - btrfs выполняет свои собственные реализации RAID, поэтому LVM или mdadm не требуются для наличия RAID. В настоящее время поддерживаются RAID 0, 1 и 10. RAID 5 и 6 считаются нестабильными.
  • Разделы необязательны - хотя btrfs может работать с разделами, он может напрямую использовать необработанные устройства (/dev/).
  • Дедупликация данных - поддержка дедупликации данных ограничена; однако дедупликация со временем станет стандартной функцией btrfs. Это позволяет btrfs экономить место, сравнивая файлы через двоичные файлы diff.

    Хотя это правда, что btrfs все еще считается экспериментальным и в настоящее время находится в активной разработке, время, когда btrfs станет файловой системой по умолчанию для систем Linux, приближается. Некоторые дистрибутивы Linux уже начали переходить на него в своих текущих выпусках.

    Файловая система ZFS

    ZFS (Zettabyte File System) остается одной из наиболее технически продвинутых и полнофункциональных файловых систем с момента ее появления в октябре 2005 года. Это локальная файловая система (например, ext4) и менеджер логических томов (например, LVM), созданные Sun Microsystems. ZFS публиковалась под лицензией с открытым исходным кодом, пока Oracle не купила Sun Microsystems и не закрыла лицензию.

    Вы можете думать о ZFS как о диспетчере томов и как о RAID-массиве одновременно, что позволяет добавлять дополнительные диски к вашему тому ZFS, что позволяет одновременно добавить дополнительное пространство в вашу файловую систему. В дополнение к этому ZFS обладает некоторыми другими функциями, которых нет в традиционных RAID.

    ZFS сильно зависит от памяти, поэтому для запуска вам потребуется не менее 8 ГБ. На практике используйте столько, сколько можете получить в соответствии с вашим аппаратным обеспечением или бюджетом.

    ZFS обычно используется сборщиками данных, пользователями NAS и другими гиками, которые предпочитают полагаться на собственную избыточную систему хранения, а не на облако. Это отличная файловая система для управления несколькими дисками с данными, которая может соперничать с некоторыми из лучших конфигураций RAID.

    ZFS похожа на другие подходы к управлению хранилищем, но в некотором смысле радикально отличается. ZFS обычно не использует Linux Logical Volume Manager (LVM) или разделы диска, и обычно удобно удалять разделы и структуры LVM перед подготовкой носителя для zpool.

    Zpool - это аналог LVM. Zpool охватывает одно или несколько устройств хранения, а члены zpool могут быть нескольких различных типов. Основные элементы хранения - одиночные устройства, зеркала и RAIDz. Все эти элементы хранения называются vdevs.

    ZFS может обеспечить целостность хранилища намного лучше, чем любой RAID-контроллер, поскольку он досконально знает структуру файловой системы. Безопасность данных - важная особенность конструкции ZFS. Все блоки, записанные в zpool, тщательно проверяются контрольной суммой для обеспечения согласованности и правильности данных.

    Для использования на сервере, где вы хотите почти полностью исключить любую возможность потери данных и стабильности, вы можете изучить ZFS.

    Возможности ZFS

  • Бесконечная масштабируемость. Что ж, технически она не бесконечна, но это 128-битная файловая система, способная управлять зеттабайтами (одним миллиардом терабайт) данных. Поэтому независимо от того, сколько у вас места на жестком диске, ZFS подойдет для управления им.
  • Максимальная целостность. Все, что вы делаете внутри ZFS, использует контрольную сумму для обеспечения целостности файла. Вы можете быть уверены, что ваши файлы и их резервные копии не испытают скрытого повреждения данных. Кроме того, пока ZFS незаметно проверяет целостность ваших данных, она будет выполнять автоматическое восстановление в любое время.
  • Объединение дисков. Создатели ZFS хотят, чтобы вы думали об этом как о том, как ваш компьютер использует оперативную память. Когда вам нужно больше памяти на вашем компьютере, вы вставляете другую карту, и все готово. Точно так же с ZFS, когда вам нужно больше места на жестком диске, вы вставляете другой жесткий диск, и все готово. Не нужно тратить время на разбиение на разделы, форматирование, инициализацию или что-то еще с вашими дисками. Если вам нужен «пул» хранилища большего размера, просто добавьте диски.
  • RAID. ZFS поддерживает множество различных уровней RAID, обеспечивая при этом производительность, сравнимую с производительностью аппаратных RAID-контроллеров. Это позволяет сэкономить деньги, упростить настройку и получить доступ к превосходным уровням RAID, которые были улучшены в ZFS.

    Файловая система Reiser4

    ReiserFS - это файловая система общего назначения с журналированием, первоначально разработанная и реализованная командой Namesys во главе с Хансом Райзером. Представленная в версии 2.4.1 ядра Linux, это была первая файловая система с журналированием, включенная в стандартное ядро.

    За исключением обновлений безопасности и исправлений критических ошибок, Namesys прекратила разработку ReiserFS. Reiser4 является преемницей файловой системы ReiserFS. Добавилось шифрование, улучшил производительность и многое другое.

    Reiser4 обеспечивает наиболее эффективное использование дискового пространства среди всех файловых систем во всех сценариях и рабочих нагрузках. ReiserFS предлагает преимущества перед другими файловыми системами, особенно когда дело доходит до обработки большого количества небольших файлов. Она поддерживает ведение журнала для быстрого восстановления в случае возникновения проблем. Структура файловой системы основана на деревьях. Кроме того, Reiser4 потребляет немного больше ресурсов ЦП, чем другие файловые системы.

    Reiser4 обладает уникальной способностью оптимизировать дисковое пространство, занимаемое небольшими файлами (менее одного блока). Они полностью хранятся в своем индексном дескрипторе, без выделения блоков в области данных.

    Помимо реализации традиционных функций файловой системы Linux, reiser4 предоставляет пользователям ряд дополнительных возможностей: прозрачное сжатие и шифрование файлов, полное ведение журнала данных, а также практически неограниченную (с помощью архитектуры подключаемых модулей) расширяемость.

    Однако в настоящее время нет поддержки прямого ввода-вывода (началась работа по реализации), квот и POSIX ACL.