Анатомия журналируемых файловых систем Linux

Существует множество определений журналируемых файловых систем, однако давайте приведем формулировку, понятную каждому: журналируемая файловая система - это систем для тех, кому надоела программа проверки fsck во время загрузки. Также это система для тех, кому близка идея устойчивых к сбоям систем. Если некорректно отключить питание в обычной системе, где отсутствует журналирование, то ОС обнаруживает этот факт и запускает утилиту проверки целостности диска fsck при следующей загрузке. Эта утилита сканирует файловую систему и пытается устранить проблемы, не нанося вреда данным. Процесс проверки может занять довольно много времени. Иногда файловая система повреждается настолько сильно, что ОС загружается только в однопользовательском режиме и предлагает пользователю провести дальнейшее восстановление.

Итак, теперь вы знаете, кто нуждается в журналируемых файловых системах, однако почему таким системам не нужны проверки fsck? Вкратце - потому, что в них ведется специальный журнал. Журнал - это файл, представляющий собой кольцевой буфер, в который заносятся все действия, связанные с изменением файловой системы. Периодически эти изменения применяются к файловой системе. В случае сбоя, журнал может быть использован в качестве отправной точки для восстановления несохраненных данных и для предотвращения повреждения метаданных.

Резюмируя, скажем, что журналируемая файловая система - это устойчивая к сбоям файловая система, команды изменения для которой заносятся в журнал, прежде чем быть исполненными, что помогает избежать повреждения метаданных. (См. рисунок 1). Как обычно в Linux, существует множество вариантов таких систем. Давайте сделаем небольшой обзор истории файловых систем, а затем рассмотрим имеющиеся на сегодня файловые системы и их различия.

История журналируемых файловых систем Linux

IBM первой разработала журналируемую файловую систему, которая называлась JFS (Journaled File System). Первая версия JFS была представлена в 1990 году, а современная версия поддерживается в Linux как JFS2, разработанная позже. В 1994 году компания Silicon Graphics представила высокопроизводительную файловую систему XFS для ОС IRIX. В 2001 году XFS была портирована для Linux. В 1998 году для систем Amiga была разработана файловая система Smart File System (SFS), которая впоследствии выпускалась под лицензией GNU Lesser General Public License (LGPL) и получила поддержку в Linux 2005 году. Наибольшее распространение получила файловая система ext3fs (от англ. third extended file system), которая является расширением системы ext2 с добавлением журналирования. Поддержка ext3fs появилась в Linux в 2001 году. И наконец, получившая широкое распространение журналируемая файловая система ReiserFS открыла много новых путей и возможностей для развития. Однако развитие этой системы замедлилось в связи с юридическими проблемами ее автора.

Разновидности журналирования

Все журналируемые файловые системы ведут журнал для буферизации изменений файловой системы (который также нужен для аварийного восстановления), однако существуют различные стратегии того, что и когда заносить в журнал. Существует три наиболее распространенные стратегии - режим обратной записи, режим упорядочивания и режим данных.

В режиме обратной записи журналированию подвергаются только метаданные, а блоки с данными записываются непосредственно на диск. Это способствует нерушимости структуры файловой системы и защищает от повреждений, однако повреждение самих данных все же возможно (например, если крах системы наступает после записи метаданных в журнал, но до записи блока с данными). Решить указанную проблему позволяет режим упорядочивания . В этом режиме в журнал заносятся также только метаданные, но сами данные записываются до журналирования метаданных. Этим гарантируется согласованность данных файловой системы после восстановления. И наконец, возможно журналирование в режиме данных , при котором в журнал заносятся как метаданные, так и сами данные. Этот режим обладает наивысшим уровнем устойчивости к повреждению и потере данных, но имеет недостаток в виде низкой производительности, поскольку все данные записываются дважды (сначала в журнал, потом на диск).

Правила применения изменений, зафиксированных в журнале, также могут быть разными в разных подходах. Например, когда следует применять изменения? Когда журнал полон? Или когда истекает некий таймаут?

Журналируемые файловые системы сегодня

На сегодняшний день активно используется несколько журналируемых файловых систем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Ниже представлена четверка самых популярных журналируемых файловых систем.

JFS2

JFS2 (также известная как улучшенная журналируемая файловая система ) является первой журналируемой файловой системой и долгое время применялась в ОС IBM AIX®, прежде чем была перенесена в Linux. JFS2 - это 64-разрядная файловая система, которая, имея корни оригинальной JFS, была заметно усовершенствована в плане масштабируемости и поддержки многопроцессорных архитектур.

JFS2 поддерживает упорядоченное журналирование, обладает высокой производительностью и временем восстановления менее секунды. Для повышения быстродействия в ней применяется метод размещения файлов на основе экстентов. Размещение на основе экстентов означает размещение файла в виде нескольких непрерывных участков, а не множества одинаковых блоков. Благодаря непрерывности, эти участки обеспечивают более быстрое чтение и запись. Дополнительное преимущество экстентов - меньшие расходы на работу с метаданными. При размещении файла блоками записи подлежат метаданные каждого блока. Если используются экстенты, то изменяются метаданные для экстентов, которые обычно состоят из нескольких блоков.

JFS2 также использует B+-деревья как для эффективного поиска по каталогам, так и для управления дескрипторами экстентов. JFS2 не имеет собственной политики переноса изменений на диск, - вместо этого она основывается на таймауте демона kupdate.

XFS

XFS - еще одна из ранних журналируемых файловых систем, первоначально разработанная Silicon Graphics в 1995 году для ОС IRIX. В 2001 году XFS была реализована в Linux, уже будучи на тот момент продуманной и надежной файловой системой.

XFS использует полноценную 64-разрядную адресацию и обеспечивает очень высокую производительность за счет применения B+-деревьев для размещения каталогов и файлов. XFS хранит данные в виде экстентов, поддерживая переменный размер экстентов (от 512 байт до 64 килобайт). Наряду с экстентами в XFS применяется отложенное размещение, при котором размещение блоков задерживается до тех пор, пока не наступит время их записи на диск. Такая особенность повышает вероятность заполнения подряд нескольких дисковых блоков, поскольку на момент записи будет известно их количество.

Другие интересные свойства XFS - это гарантированная скорость ввода/вывода, когда пользователям файловой системы выделяется резерв пропускной способности для операций ввода/вывода, и прямой ввод/вывод, при котором данные копируются напрямую между диском и буфером приложения (вместо того чтобы проходить несколько буферов). Журналирование в XFS ведется методом обратной записи.

Третья расширенная файловая система (ext3fs)

Третья расширенная файловая система (ext3fs) - наиболее популярная журналируемая файловая система, возникшая как эволюция известной файловой системы ext2. На самом деле она совместима с ext2, так как оперирует идентичными структурами, но с добавлением журнала. Более того, возможно смонтировать раздел ext3 как ext2 либо преобразовать ext2 в ext3, используя утилиту tune2fs.

В ext3fs поддерживаются все три стратегии журналирования (обратная запись, упорядочивание и режим данных), однако по умолчанию используется режим упорядочивания. Политику переноса данных журнала на диск можно настраивать, но изначально она такова, что перенос происходит либо по заполнении 1/4 журнала, либо по истечении одного из таймеров переноса.

Один из главных недостатков ext3fs происходит из того, что она изначально не задумывалась как именно журналируемая файловая система. Поскольку она основана на ext2fs, в ней отсутствуют многие прогрессивные нововведения, имеющиеся в других файловых системах (например, экстенты). Также она обычно показывает слабую производительность по сравнению с ReiserFs, JFS и XFS, однако меньше нагружает процессор и потребляет памяти, чем многие другие файловые системы.

ReiserFS

Файловая система ReiserFS с самого начала создавалась как журналируемая. В 2001 году она была добавлена в главную ветку ядра 2.4 и стала первой журналируемой файловой системой, появившейся в Linux. Основной метод журналирования - упорядочивание. Поддерживается увеличение размера файловой системы "на лету". ReiserFS также поддерживает уплотнение хвостов для динамического уменьшения фрагментации, что позволяет ей обгонять по скорости ext3fs при работе с маленькими файлами.

В ReiserFS (также ее называют ReiserFS v3) применяется много современных подходов, например B+-деревья. Формат файловой системы базируется на единственном B+-дереве, что делает операции поиска особенно быстрыми и масштабируемыми. Политика переноса данных из журнала на диск зависит от размера журнала и основана на количестве блоков, требующих переноса.

Репутация ReiserFS была несколько раз подпорчена: последний раз - проблемами автора системы с законом.

Будущее журналируемых файловых систем

Ознакомившись с журналируемыми файловыми системами настоящего и прошлого, давайте посмотрим, что их ждет в будущем (и что не ждет).

Reiser4

После успешного внедрения ReiserFS в ядро и применения во многих дистрибутивах Linux компания Namesys (которая стоит за ReiserFS) начала работу над новой журналируемой файловой системой, Reiser4, которая была создана полностью с нуля и включает в себя множество передовых возможностей.

Улучшенное журналирование в Reiser4 достигается за счет использования блуждающих записей и отложенного размещения блоков до момента переноса данных журнала (как это было сделано в XFS). В архитектуре Reiser4 предусматривалась гибкая поддержка плагинов (например, чтобы добавить функции сжатия или шифрования), но эта идея была отвергнута Linux-сообществом, которое считало, что место этим расширенным функциям - в подсистеме виртуальной файловой системы (VFS).

После вынесения обвинения владельцу Namesys и одновременно автору ReiserFS вся коммерческая деятельность вокруг Reiser4 была приостановлена.

Четвертая расширенная файловая система

Четвертая расширенная файловая система (ext4fs) - это дальнейшее развитие ext3fs. Ext4fs была задумана как замена ext3fs, имеющая с ней прямую и обратную совместимость, но включающая в себя множество улучшений (некоторые из которых нарушают эту совместимость). На практике можно монтировать раздел ext4 как ext3 и наоборот.

Во-первых, ext4fs - это 64-разрядная файловая система с поддержкой томов огромного размера (до 1 эксабайта). Она также может использовать экстенты, но в этом случае теряется совместимость с ext3fs. Аналогично XFS и Reiser4, в ext4fs размещение блоков на диске задерживается и происходит по необходимости (что уменьшает фрагментацию). Журнал также хранит контрольные суммы содержимого для большей надежности. Вместо B+- или B*-деревьев применяется специальная разновидность B-дерева, т.н. H-дерево , что позволяет поддиректориям иметь намного больший размер (в ext3 он ограничен 32Кб).

Хотя отложенное размещение уменьшает фрагментацию, со временем файловая система большого размера все равно фрагментируется. Для решения этой проблемы была разработана утилита e4defrag, которую можно использовать для дефрагментации отдельных файлов или целой файловой системы.

Еще одно интересное отличие ext4fs от ext3fs заключается в точности временной метки файлов. В ext3 размерность временной метки - одна секунда. Ext4fs смотрит в будущее: при непрекращающемся росте скоростей процессора и интерфейсов требуется более точное измерение. Поэтому в качестве размерности времени была взята одна наносекунда.

Хотя ext4fs включена в ядро Linux в версии 2.6.19, она уже может считаться стабильной. Эта система, разработка которой продолжается, является отправной точкой для создания журналируемой файловой системой будущего в Linux.

Двигаясь дальше

Журналируемые файловые системы обеспечивают надежность и защиту от повреждения данных при крахе системы или потере питания. Помимо этого, время восстановления в таких системах намного меньше, чем в традиционных файловых системах (например таких в которых применяется fsck). Разработка новых методов журналирования основывается как на прошлом опыте, идущем от JFS и XFS, так и на поиске новых алгоритмов и структур. Не совсем ясно, как будут развиваться журналируемые файловые системы в будущем, однако их полезность очевидна, и они уже стали новым стандартом файловых систем.