令人心仪的ZFS文件系统

ZFS作为Solaris 10和OpenSolaris的新特性，吸引了开源社区里很多人的关注，Linux之父Linus Torvalds公开表示对Solaris软件的ZFS（Zettabyte文件系统）特别感兴趣，认为该系统管理档案在硬盘的存储方式，具有横跨多个硬盘，同时保持数据完整性的内建功能。但根据他“悲观的”预测，Sun会想办法阻止Linux得到ZFS。在这篇文章里面，我想谈谈自己对ZFS的认识。

什么是ZFS

Solaris ZFS可以说是对传统的磁盘和文件系统管理的革新。操作系统设计在刚刚开始的时候，将磁盘划分为不同的分区（partition），在每个分区上建立管理数据的文件系统，操作系统通过read/write系统调用，提供对文件系统上的文件的读写访问。随着技术的发展，人们发现这种文件管理方法存在很多问题，其中有两点最为突出，首先，由于文件系统的大小实在创建文件系统的时候指定的，同时文件系统的大小又受分区大小的限制，而在使用中如果某个文件系统的空间被用满，那除了重新配置系统，别无选择；另外，文件系统中有一部分空间被文件系统本身有占有，用来存放文件系统的相关信息，比如文件系统的其实块号，大小，根目录节点的block号，文件系统的属性等等。这些信息是在创建文件系统的时候，产生的，这就是为什么在一个空文件系统下du的时候，仍然发现文件系统空间不是100％free的原因。如果说第二个问题还可以被忍受（毕竟知识一小部分而已）的话，那第一个弊端足驱动人们寻找好的解决方法。RAID是很好的解决问题的方法。

RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks），顾名思义是用多个磁盘组成的磁盘阵列来存储数据，文件系统可以建立在多个磁盘上，这样就可以天马行空了。为了增强数据的安全性，防止阵列中一个硬盘损坏，导致所有数据的丢失，RAID还提供了冗余信息，使阵列中损坏的磁盘可以被其他磁盘所代替。目前，比较流行的RAID包括RAID0，RAID1，RAID5和它们的复合。

RAID0提供了stripe的功能，及简单的将阵列中的磁盘拼凑在一起，当中的任何一个磁盘的损坏都导致全军覆没；RAID0提供了mirror的功能，即两个相同的磁盘保存同样的内容，这样任意的磁盘坏了，还有另一个顶着，不过成本上升两倍；RAID5则在多个磁盘（至少3个）上同时建立stripe和冗余的特性，使磁盘的空间得以扩展，同时通过冗余信息来保证任何一个磁盘的可更换性。

目前，RAID有3种实现方法。第一种，RAID的功能由硬件来实现，通过购买昂贵的硬件板卡，来搭建RAID系统，目前市场上RAID控制卡由LSI，Intel，Qlogic所瓜分；第二种，在系统的南桥芯片和BIOS中加入对RAID的功能支持，Intel的服务器平台上几乎都支持这个功能，这种方法比第一种要便宜很多；第三种，所有RAID的功能由操作系统软件来完成，普通的UNIX/Linux系统种都通过称为Volume Manager的工具对RAID功能提供支持，这种方法是最便宜，最容易获得，也是最符合RAID名字所包含的含义：便宜。

然而，便宜没好货在这里并没有成为例外。Volume Manager工具存在两个缺点，首先，工具使用起来比较复杂。笔者曾经用了一个礼拜的时间去学习FreeBSD下面的Volume Manger工具，深深的感到其配置文件的晦涩；其次，也是致命的，那就是RAID5的write hole缺陷。RAID5在写数据的时候，是分为两步的，首先将数据写到磁盘阵列上，然后将该stripe上数据的校验码记录到阵列上，如果在刚写完数据的时候，系统断电，那么该数据对应的校验码就没有机会再恢复了，长期以往，可以想象。

说了这么多，ZFS是如何解决这个问题的呢？如下图所示，

 

传统的Volume Manager不管是用硬件，firmware还是操作系统的软件实现，volume都是预先设定好的，文件系统建立在单个volume上，不同的volume之间的空间不能动态共享，这样文件系统就局限于一个设备，因此文件系统自身会受到该volume大小的限制。而ZFS文件系统不限于任何特定的设备或volume，而是将所有可能的设备都放入一个存储池中，文件系统的大小根据其实际需要在这个池中进行分配，这有点类似于系统对system memory的管理方法，基于这样的管理方法，ZFS文件系统可以充分的利用存储池中的所有存储设备。更可贵的是，所有这一切对用户是透明的，用户可以像创建和删除目录一样，来动态的管理ZFS文件系统，当一个文件系统被创建的时候，它会自动的mount到系统的文件目录树下，这大大简化了ZFS管理的难度。同时，存储池中的设备可以动态的加入，删除或替换，同一个ZFS文件系统还可以在不同的系统之间移植。

说了这么多，我们来试试自己创建并管理一个ZFS，从而体验一下ZFS轻松的管理和强大的功能。

ZFS的管理

下面的一行命令创建一个ZFS存储池：

 

bash-3.00# zpool create test raidz2 c0t1d0s0 c0t1d0s1 c0t1d0s2 c0t1d0s3

 

其中raid2参数指定在其后的设备上建立一个RAID－Z的RAID，它类似RAID5，但解决了RAID 5软件实现的write hole问题。ZFS可以提供4种RAID级别，分别称为stripe（默认），mirror，RAIDZ1和RAIDZ2。将raidz2换为mirror或raidz1将会创建其他类型的RAID。创建好的存储池可以通过下面的命令来查看：

 

bash-3.00# zpool list

NAME                    SIZE    USED   AVAIL    CAP  HEALTH     ALTROOT

test                   15.9G    274K   15.9G     0%  ONLINE     -

bash-3.00# zpool status -v test

  pool: test

 state: ONLINE

 scrub: none requested

config:

 

        NAME          STATE     READ WRITE CKSUM

        test          ONLINE       0     0     0

          raidz2      ONLINE       0     0     0

            c0t1d0s0  ONLINE       0     0     0

            c0t1d0s1  ONLINE       0     0     0

            c0t1d0s2  ONLINE       0     0     0

            c0t1d0s3  ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

 

创建完存储池后，ZFS会在根目录下创建一个和存储池名字相同的目录，并将ZFS根文件系统mount在该目录下，所有基于该ZFS的文件系统都会mount在该ZFS根文件系统之下，可以通过-m参数，将该根目录mount在系统目录树的其他位置：

 

bash-3.00#zpool create -m /export/zfs home c1t0d0

 

删除一个ZFS存储池也比较简单：

 

bash-3.00# zpool destroy test

 

如果当前设备正在使用，从而导致该命令不成功，可以使用-f参数强行销毁（这里默认你知道这样做的后果）。

 

创建和删除一个ZFS文件系统和创建删除一个目录那么简单：

 

bash-3.00# zfs create test/home

bash-3.00# zfs destroy test/home

bash-3.00# zfs rename test/home/user test/home/user2

bash-3.00# zfs list

NAME              USED  AVAIL  REFER  MOUNTPOINT

test              210K  7.78G  29.9K  /test

test/home        56.8K  7.78G  29.9K  /test/home

test/home/user2  26.9K  7.78G  26.9K  /test/home/user2

 

这些文件系统一旦被创建，系统自动将他们mount在ZFS的根目录下，管理员不需要去修改/etc/vfstab文件。另外zfs命令还可以使用quota和reservation属性来规定zfs文件系统的配额和预留空间。

ZFS文件系统还提供了快照（snapshot）和克隆（clone）的功能，由于本文章不准备成为一个完整的ZFS的administration guide，感兴趣的话，可以到docs.sun.com上下载相应的文章。

总结

这篇文章简单介绍了Solaris 10/OpenSolaris下面ZFS相关的背景知识，同时简单介绍了如何创建并管理一个ZFS文件系统。关键字：ZFS，OpenSolaris，Volume Manager，ZPOOL.