終於有人把 ZFS 文件系統講明白了

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時間 2021-09-24 15:02:03 青雲技術社區

主題: linux openzfs oracle opensolaris freebsd illumos ubuntu

本文主要介紹高級文件系統 ZFS，將討論它的來源、它是什麼以及為什麼它在技術人員和企業中如此受歡迎。

注意： 本文多次提到 ZFS ，當談到 ZFS 功能和安裝時，其實説的是 OpenZFS。自從 Oracle 停止對 OpenSolaris 更新代碼之後[1]，ZFS（由 Oracle 開發）和 OpenZFS 遵循了不同的路徑。

ZFS 的歷史

ZFS 文件系統在 2001 年由 Matthew Ahrens 和 Jeff Bonwick[2] 創建。ZFS 旨在成為 Sun Microsystems Solaris 操作系統[3] 的下一代文件系統。2008 年，ZFS 被移植到 FreeBSD，同年開始將 ZFS 移植到 Linux[4] 中。但是，由於 ZFS 是根據 Common_Development_and_Distribution_License（CDDL）[5] 開發的，該許可證與 GNU General Public License (GPL)[6] 不兼容，因此它不能包含在 Linux 內核中。為了解決這個問題，大多數 Linux 發行版都提供了安裝 ZFS 的方法。

在 Oracle 收購 Sun Microsystems 後不久，OpenSolaris 就成為了閉源。ZFS 的所有後續開發也變成了閉源。當時 ZFS 的許多開發人員對這一轉變感到不滿，於是大約三分之二的 ZFS 核心開發人員（包括 Ahrens 和 Bonwick）離開了 Oracle。他們於 2013 年 9 月加入其他公司並創建了 OpenZFS 項目[7]，該項目引領了 ZFS 的開源。

讓我們回到上面提到的許可證問題。由於 OpenZFS 項目與 Oracle 分開，有些人可能想知道為什麼他們不將許可證更改為與 GPL 兼容的許可證，以便將其包含在 Linux 內核中。根據 OpenZFS 網站介紹[8]，更改許可證將要聯繫所有為 OpenZFS 貢獻過代碼的人（包含 OpenSolaris 之前的初始通用 ZFS 代碼）並獲得他們對更改許可證的同意。由於這項工作幾乎是不可能完成的（因為一些貢獻者可能已經死亡或很難找到），他們決定保留原來的許可證。

什麼是 ZFS？它有什麼特點？

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正如我前面提到的，ZFS 是一種高級文件系統。因此，它具有一些有趣的功能[9]。如：

存儲池

寫時拷貝
快照
數據完整性驗證和自動修復
RAID-Z
最大 16 EiB（2^64byte，即 16x1024x1024TB）的文件大小
最大 256 ZiB（2^78byte）存儲

存儲池

與大多數文件系統不同，ZFS 結合了文件系統和卷系統管理器的功能。這意味着與其他文件系統不同，ZFS 可以創建跨越一系列驅動器或池的文件系統。不僅如此，還可以通過添加另一個驅動器將存儲添加到池中。ZFS 將處理分區和格式化[10]。

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ZFS 中的存儲池

寫時拷貝

寫時拷貝[11] 是另一個有趣（而且很酷）的功能。在大多數文件系統上，當數據被覆蓋時，它會永遠丟失。在 ZFS 上，新信息被寫入不同的塊，寫入完成後，文件系統元數據將更新以指向新信息。這確保如果在寫入過程中系統崩潰（或發生其他事情），舊數據將被保留，這也意味着系統在崩潰後不需要運行文件系統檢查 fsck (file system check)[12]。

快照

寫時拷貝導致另一個 ZFS 功能：快照。ZFS 使用快照來跟蹤文件系統中的更改。“快照包含文件系統的原始版本，實時文件系統包含自快照以來所做的任何更改，不使用額外的空間。當新數據寫入實時文件系統時，會分配新塊來存儲這些數據。” 如果文件被刪除，快照引用也會被刪除。因此，快照主要用於跟蹤文件的更改，而不是文件的添加和創建。

快照能夠以只讀方式掛載以恢復文件的過去版本，還可以將實時系統回滾到以前的快照。一旦快照沒了，所有更改都將丟失。

數據完整性驗證和自動修復

每當新數據寫入 ZFS 時，它都會為該數據創建校驗和（checksum）。當讀取該數據時，校驗和被驗證。如果校驗和不匹配，則 ZFS 知道已檢測到錯誤。然後 ZFS 將自動嘗試更正錯誤。

RAID-Z

ZFS 無需任何額外的軟件或硬件即可處理磁盤陣列 RAID （Redundant Arrays of Independent Disks）。ZFS 有自己的 RAID 實現：RAID-Z。RAID-Z 實際上是 RAID-5 的變體，為了克服 RAID-5 的 WriteHole 問題，即“意外重啟後數據和奇偶校驗信息變得不一致”。要使用基本的 RAID-Z (RAID-Z1)[13]，至少需要 2 塊磁盤用於存儲，1 塊磁盤用於奇偶校驗[14]。RAID-Z2 至少需要 2 個存儲驅動器和 2 個用於奇偶校驗的驅動器。RAID-Z3 則至少需要 2 個存儲驅動器和 3 個用於奇偶校驗的驅動器。將驅動器添加到 RAID-Z 池時，它們必須以 2 的倍數添加。

巨大的存儲潛力

ZFS 在創建之初，就被設計為最後一代文件系統[15]。在大多數文件系統都是 64 位的時候，ZFS 創建者決定直接跳到 128 位以備未來驗證。這意味着 ZFS “提供了 32 位或 64 位系統容量的 160 億倍”。事實上，Jeff Bonwick 表示，“要填滿一個 128 位的文件系統，將耗盡地球上所有存儲設備。除非你擁有煮沸整個海洋的能量，不然你不可能將其填滿”[16]。“fully populating a 128-bit storage pool would, literally, require more energy than boiling the oceans.”