21.2. Z 文件系统 (ZFS)

Z 文件系统是由 Sun™ 开发使用存储池方法的新技术。 这就是说只有在需要存储数据的时候空间才会被使用。 它也为保护数据最大完整性而设计的,支持数据快照, 多份拷贝和数据校验。增加了被称为 RAID-Z 的新的数据复制类型。RAID-Z 是种类似于 RAID5类型, 但被设计成防止写入漏洞。

21.2.1. 调整 ZFS

ZFS 子系统需利用到大量的系统资源, 所以可能需要一些调校来为日常应用提供最大化的效能。 作为 FreeBSD 的一项试验性的特性,这可能在不久的将来有所变化; 无论如何,下面的这些步骤是我们推荐的:

21.2.1.1. 内存

总共的系统内存至少应有 1GB,推荐 2GB 或者更多。 在此处所有的例子中,我们使用了 1GB 内存的系统并配合了一些恰当的调校。

有些人在少于 1GB 内存的环境有幸正常使用, 但是在这样有限的物理内存的条件下,当系统的负载很高时, FreeBSD 极有可能因于内存耗尽而崩溃。

21.2.1.2. 内核配置

我们建议把未使用的驱动和选项从内核配置文件中去除。 既然大部份的驱动都有以模块的形式存在,它们就可以很容易的通过 /boot/loader.conf 加载。

i386™ 构架的用户应在内核配置文件中加入以下的选项, 重新编译内核并重启机器:

options 	KVA_PAGES=512

这个选项将扩展内核的地址空间, 因而允许 vm.kvm_size 能够超越 1 GB 的限制(PAE为 2 GB)。 为了找出这个选项最合适的值, 把以兆(MB)为单位所需的地址空间除以 4 得到。 在这个例子中,512 则为 2 GB。

21.2.1.3. Loader 可调参数

所有构架上 FreeBSD 都应该加大 kmem 地址空间。在有 1GB 物理内存的测试系统上,在 /boot/loader.conf 中加入如下的参数并且重启后通过了测试。

vm.kmem_size="330M"
vm.kmem_size_max="330M"
vfs.zfs.arc_max="40M"
vfs.zfs.vdev.cache.size="5M"

更多 ZFS 相关推荐调校的细节请参阅 http://wiki.freebsd.org/ZFSTuningGuide.

21.2.2. 使用 ZFS

FreeBSD 有一种启动机制能在系统初始化时挂载 ZFS 存储池。 可以通过以下的命令设置:

# echo 'zfs_enable="YES"' >> /etc/rc.conf
# /etc/rc.d/zfs start

这份文档剩余的部分假定系统中有 3 块 SCSI 磁盘可用, 它们的设备名分别为 da0da1da2IDE 硬件的用户可以使用 ad 代替 SCSI

21.2.2.1. 单个磁盘存储池

在单个磁盘上创建一个简单, 非冗余的 ZFS, 使用 zpool 命令:

# zpool create example /dev/da0

可以通过 df 的输出查看新的存储池:

# df
Filesystem  1K-blocks    Used    Avail Capacity  Mounted on
/dev/ad0s1a   2026030  235230  1628718    13%    /
devfs               1       1        0   100%    /dev
/dev/ad0s1d  54098308 1032846 48737598     2%    /usr
example      17547136       0 17547136     0%    /example

这份输出清楚的表明了 example 存储池不仅创建成功而且被 挂载 了。 我们能像访问普通的文件系统那样访问它, 就像以下例子中演示的那样,用户能够在上面创建文件并浏览:

# cd /example
# ls
# touch testfile
# ls -al
total 4
drwxr-xr-x   2 root  wheel    3 Aug 29 23:15 .
drwxr-xr-x  21 root  wheel  512 Aug 29 23:12 ..
-rw-r--r--   1 root  wheel    0 Aug 29 23:15 testfile

遗憾的是这个存储池并没有利用到 ZFS 的任何特性。 在这个存储池上创建一个文件系统,并启用压缩:

# zfs create example/compressed
# zfs set compression=gzip example/compressed

现在 example/compressed 是一个启用了压缩的 ZFS 文件系统了。 可以尝试复制一些大的文件到 /example/compressed

使用这个命令可以禁用压缩:

# zfs set compression=off example/compressed

使用如下的命令卸载这个文件系统,并用 df 工具确认:

# zfs umount example/compressed
# df
Filesystem  1K-blocks    Used    Avail Capacity  Mounted on
/dev/ad0s1a   2026030  235232  1628716    13%    /
devfs               1       1        0   100%    /dev
/dev/ad0s1d  54098308 1032864 48737580     2%    /usr
example      17547008       0 17547008     0%    /example

重新挂在这个文件系统使之能被访问, 并用 df 确认:

# zfs mount example/compressed
# df
Filesystem         1K-blocks    Used    Avail Capacity  Mounted on
/dev/ad0s1a          2026030  235234  1628714    13%    /
devfs                      1       1        0   100%    /dev
/dev/ad0s1d         54098308 1032864 48737580     2%    /usr
example             17547008       0 17547008     0%    /example
example/compressed  17547008       0 17547008     0%    /example/compressed

存储池与文件系统也可通过 mount 的输出查看:

# mount
/dev/ad0s1a on / (ufs, local)
devfs on /dev (devfs, local)
/dev/ad0s1d on /usr (ufs, local, soft-updates)
example on /example (zfs, local)
example/data on /example/data (zfs, local)
example/compressed on /example/compressed (zfs, local)

正如前面所提到的,ZFS 文件系统, 在创建之后就能像普通的文件系统那样使用。然而, 还有很多其他的特性是可用的。在下面的例子中, 我们将创建一个新的文件系统,data。 并要在上面存储些重要的文件, 所以文件系统需要被设置成把每一个数据块都保存两份拷贝:

# zfs create example/data
# zfs set copies=2 example/data

现在可以再次使用 df 查看数据和空间的使用状况:

# df
Filesystem         1K-blocks    Used    Avail Capacity  Mounted on
/dev/ad0s1a          2026030  235234  1628714    13%    /
devfs                      1       1        0   100%    /dev
/dev/ad0s1d         54098308 1032864 48737580     2%    /usr
example             17547008       0 17547008     0%    /example
example/compressed  17547008       0 17547008     0%    /example/compressed
example/data        17547008       0 17547008     0%    /example/data

请注意存储池上的每一个文件系统都有着相同数量的可用空间。 这就是我们在这些例子中使用 df 的原因, 是为了文件系统都是从相同的存储池取得它们所需的空间。 ZFS 去掉了诸如卷和分区此类的概念, 并允许多个文件系统占用同一个存储池。 不再需要文件系统与存储池的时候能像这样销毁它们:

# zfs destroy example/compressed
# zfs destroy example/data
# zpool destroy example

磁盘无法避免的会坏掉和停止运转。 当这块磁盘坏掉的时候,上面的数据都将丢失。 一个避免因磁盘损坏而丢失数据的方法是使用 RAIDZFS 在它的存储池设计中支持这样的特性, 这便是下一节将探讨的。

21.2.2.2. ZFS RAID-Z

正如前文中所提到的,这一章节将假设存在 3 个 SCSI 设备, da0da1da2 (或者 ad0 和超出此例使用了 IDE 磁盘)。 使用如下的命令创建一个 RAID-Z 存储池:

# zpool create storage raidz da0 da1 da2

注意:

Sun™ 推荐在一个 RAID-Z 配置中使用的磁盘数量为 3 至 9 块。 如果你要求在单独的一个存储池中使用 10 块或更多的磁盘, 请考虑分拆成更小 RAID-z 组。 如果你只有 2 块磁盘, 并仍然需要冗余, 请考虑使用 ZFS 的 mirror 特性。 更多细节请参考 zpool(8) 手册页。

zpool storage 至此就创建好了。 可以如前文提到的那样使用 mount(8)df(1) 确认。 如需配给更多的磁盘设备则把它们加这个列表的后面。 在存储池上创建一个叫 home 的文件系统, 用户的文件最终都将被保存在上面:

# zfs create storage/home

像前文中提到的那样,用户的目录与文件也可启用压缩并保存多份拷贝, 可通过如下的命令完成:

# zfs set copies=2 storage/home
# zfs set compression=gzip storage/home

把用户的数据都拷贝过来并创建一个符号链接, 让他们开始使用这个新的目录:

# cp -rp /home/* /storage/home
# rm -rf /home /usr/home
# ln -s /storage/home /home
# ln -s /storage/home /usr/home

现在用户的数据应该都保存在新创建的 /storage/home 上了。 测试添加一个新用户并以这个身份登录。

尝试创建一个可日后用来回退的快照:

# zfs snapshot storage/home@08-30-08

请注意快照选项将只会抓取一个真实的文件系统, 而不是某个用户目录或文件。@ 字符为文件系统名或卷名的分隔符。 当用户目录被损坏时,可用如下命令恢复:

# zfs rollback storage/home@08-30-08

获得所有可用快照的列表,可使用 ls 命令查看文件系统的 .zfs/snapshot 目录。例如,执行如下命令来查看之前抓取的快照:

# ls /storage/home/.zfs/snapshot

可以编写一个脚本来每月定期抓取用户数据的快照,久而久之, 快照可能消耗掉大量的磁盘空间。 之前创建的快照可用以下命令删除:

# zfs destroy storage/home@08-30-08

在所有这些测试之后,我们没有理由再把 /store/home 这样放置了。让它称为真正的 /home 文件系统:

# zfs set mountpoint=/home storage/home

使用 dfmount 命令将显示现在系统把我们的文件系统真正当作了 /home

# mount
/dev/ad0s1a on / (ufs, local)
devfs on /dev (devfs, local)
/dev/ad0s1d on /usr (ufs, local, soft-updates)
storage on /storage (zfs, local)
storage/home on /home (zfs, local)
# df
Filesystem   1K-blocks    Used    Avail Capacity  Mounted on
/dev/ad0s1a    2026030  235240  1628708    13%    /
devfs                1       1        0   100%    /dev
/dev/ad0s1d   54098308 1032826 48737618     2%    /usr
storage       26320512       0 26320512     0%    /storage
storage/home  26320512       0 26320512     0%    /home

这样就基本完成了 RAID-Z 的配置了。使用夜间 periodic(8) 获取有关文件系统创建之类的状态更新, 执行如下的命令:

# echo 'daily_status_zfs_enable="YES"' >> /etc/periodic.conf

21.2.2.3. 修复 RAID-Z

每一种软 RAID 都有监测它们 状态 的方法。 ZFS 也不例外。 可以使用如下的命令查看 RAID-Z 设备:

# zpool status -x

如果所有的存储池处于健康状态并且一切正常的话, 将返回如下信息:

all pools are healthy

如果存在问题,可能是一个磁盘设备下线了, 那么返回的存储池的状态将看上去是类似这个样子的:

  pool: storage
 state: DEGRADED
status: One or more devices has been taken offline by the administrator.
	Sufficient replicas exist for the pool to continue functioning in a
	degraded state.
action: Online the device using 'zpool online' or replace the device with
	'zpool replace'.
 scrub: none requested
config:

	NAME        STATE     READ WRITE CKSUM
	storage     DEGRADED     0     0     0
	  raidz1    DEGRADED     0     0     0
	    da0     ONLINE       0     0     0
	    da1     OFFLINE      0     0     0
	    da2     ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

在这个例子中,这是由管理员把此设备下线后的状态。 可以使用如下的命令将磁盘下线:

# zpool offline storage da1

现在切断系统电源之后就可以替换下 da1 了。 当系统再次上线时,使用如下的命令替换磁盘:

# zpool replace storage da1

至此可用不带 -x 标志的命令再次检查状态:

# zpool status storage
 pool: storage
 state: ONLINE
 scrub: resilver completed with 0 errors on Sat Aug 30 19:44:11 2008
config:

	NAME        STATE     READ WRITE CKSUM
	storage     ONLINE       0     0     0
	  raidz1    ONLINE       0     0     0
	    da0     ONLINE       0     0     0
	    da1     ONLINE       0     0     0
	    da2     ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

在这个例子中,一切都显示正常。

21.2.2.4. 数据校验

正如前面所提到的,ZFS 使用 校验和(checksum) 来检查存储数据的完整性。 这时在文件系统创建时自动启用的,可使用以下的命令禁用:

# zfs set checksum=off storage/home

这不是个明智的选择,因为校验和 不仅非常有用而且只需占用少量的存储空间。 并且启用它们也不会明显的消耗过多资源。 启用后就可以让 ZFS 使用校验和校验来检查数据的完整。 这个过程通常称为 scrubbing。 可以使用以下的命令检查 storage 存储池里数据的完整性:

# zpool scrub storage

这个过程需花费相当长的时间,取决于存储的数据量。 而且 I/O 非常密集, 所以在任何时间只能执行一个这样的操作。 在 scrub 完成之后,状态就会被更新, 可使用如下的命令查看:

# zpool status storage
 pool: storage
 state: ONLINE
 scrub: scrub completed with 0 errors on Sat Aug 30 19:57:37 2008
config:

	NAME        STATE     READ WRITE CKSUM
	storage     ONLINE       0     0     0
	  raidz1    ONLINE       0     0     0
	    da0     ONLINE       0     0     0
	    da1     ONLINE       0     0     0
	    da2     ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

这个例子中完成时间非常的清楚。 这个特性可以帮助你在很长的一段时间内确保数据的完整。

Z 文件系统有更多的选项,请参阅 zfs(8)zpool(8) 手册页。

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