ZFS 的歷史

Z 文件系統(tǒng)(Z File System)（ZFS）是由 Matthew Ahrens 和 Jeff Bonwick 在 2001 年開發(fā)的。ZFS 是作為 太陽微系統(tǒng)(Sun MicroSystem) 公司的 OpenSolaris 的下一代文件系統(tǒng)而設計的。在 2008 年，ZFS 被移植到了 FreeBSD 。同一年，一個移植 ZFS 到 Linux 的項目也啟動了。然而，由于 ZFS 是 通用開發(fā)和發(fā)布許可證 (Common Development and Distribution License)（CDDL）許可的，它和 GNU 通用公共許可證 不兼容，因此不能將它遷移到 Linux 內(nèi)核中。為了解決這個問題，絕大多數(shù) Linux 發(fā)行版提供了一些方法來安裝 ZFS。
在甲骨文公司收購太陽微系統(tǒng)公司之后不久，OpenSolaris 就閉源了，這使得 ZFS 的之后的開發(fā)也變成閉源的了。許多 ZFS 開發(fā)者對這件事情非常不滿。 三分之二的 ZFS 核心開發(fā)者 ，包括 Ahrens 和 Bonwick，因為這個決定而離開了甲骨文公司。他們加入了其它公司，并于 2013 年 9 月創(chuàng)立了 OpenZFS 這一項目。該項目引領著 ZFS 的開源開發(fā)。
讓我們回到上面提到的許可證問題上。既然 OpenZFS 項目已經(jīng)和 Oracle 公司分離開了，有人可能好奇他們?yōu)槭裁床皇褂煤?GPL 兼容的許可證，這樣就可以把它加入到 Linux 內(nèi)核中了。根據(jù) OpenZFS 官網(wǎng) 的介紹，更改許可證需要聯(lián)系所有為當前 OpenZFS 實現(xiàn)貢獻過代碼的人（包括初始的公共 ZFS 代碼以及 OpenSolaris 代碼），并得到他們的許可才行。這幾乎是不可能的（因為一些貢獻者可能已經(jīng)去世了或者很難找到），因此他們決定保留原來的許可證。

ZFS 是什么，它有什么特性？

正如前面所說過的，ZFS 是一個先進的文件系統(tǒng)。因此，它有一些有趣的 特性 。比如：

• 存儲池
• 寫時拷貝
• 快照
• 數(shù)據(jù)完整性驗證和自動修復
• RAID-Z
• 最大單個文件大小為 16 EB（1 EB = 1024 PB）
• 最大 256 千萬億（256*1015 ）的 ZB（1 ZB = 1024 EB）的存儲

讓我們來深入了解一下其中一些特性。

如何安裝 ZFS？

如果你想立刻使用 ZFS（開箱即用），那么你需要安裝 FreeBSD 或一個 使用 illumos 內(nèi)核的操作系統(tǒng) 。 illumos 是OpenSolaris 內(nèi)核的一個克隆版本。
事實上，支持 ZFS 是一些有經(jīng)驗的 Linux 用戶選擇 BSD 的主要原因 。
如果你想在 Linux 上嘗試 ZFS，那么只能在存儲文件系統(tǒng)上使用。據(jù)我所知，沒有任何 Linux 發(fā)行版可以在根目錄上安裝 ZFS，實現(xiàn)開箱即用。如果你對在 Linux 上嘗試 ZFS 感興趣，那么 ZFS on Linux 項目 上有大量的教程可以指導你怎么做。

存儲池

與大多數(shù)文件系統(tǒng)不同，ZFS 結合了文件系統(tǒng)和卷管理器的特性。這意味著，它與其他文件系統(tǒng)不同，ZFS 可以創(chuàng)建跨越一系列硬盤或池的文件系統(tǒng)。不僅如此，你還可以通過添加硬盤來增大池的存儲容量。ZFS 可以進行分區(qū)和格式化

使用ZFS的十條理由及特性

1. 再也不需要fsck, scandisk

不管你是在用Linux，UNIX還是Windows，相信大家都有過類似的體會：當系統(tǒng)意外斷電或者非法關機，系統(tǒng)重起后發(fā)現(xiàn)文件系統(tǒng)有inconsistent的問題，這時 候就需要fsck或者scandisk 來修復，這段時間是非常耗時而且最后不一定能夠修復成功。更糟糕的是，如果這是一臺服務器需要做fsck的時候，只能offline（下線），而且現(xiàn)有應用往往都是大硬盤，相應fsck修 復時間也很長，這對許多使用該服務器的用戶來說幾乎不能忍受的。
而使用ZFS后大家可以徹底拋棄fsck這種工具，因為ZFS是一個基于COW（Copy on Write）機制的文件系統(tǒng)。COW是不會對硬盤上現(xiàn)有的文件進行重寫，保證所有硬盤上的文件都是有效的。所以不會有這種inconsistent的概念，自然就不需要這種工具了。

2. 管理簡單

ZFS作為一個全新的文件系統(tǒng)，全面拋棄傳統(tǒng)File System + Volume Manager + Storage的架構，所有的存儲設備是通過ZFS Pool進行管理，只要把各種存儲設備加 入同一個ZFS Pool，大家就可以輕松的在這個ZFS Pool管理配置文件系統(tǒng)。大家再也不用牢記各種專業(yè)概念，各種命令newfs, metinit及各種Volume Manager的用法。在ZFS中我們只需要兩個命令，zpool(針 對ZFS Pool管理)和zfs(針對ZFS文件系統(tǒng)的管理)，就可以輕松管理128位的文件系統(tǒng)。舉個例子，我們經(jīng)常會遇到系統(tǒng)數(shù)據(jù)增長過 快，現(xiàn)有存儲容量不夠，需要添加硬盤，如果依照傳統(tǒng)的Volume Manager管理方式，那我 們需要預先要考慮很多現(xiàn)有因素，還要預先根據(jù)應用計算出需要配置的各種參數(shù)。在ZFS情況下，我們的系統(tǒng)管理員可以徹底解放，再也不需要這種人為的復雜 考慮和計算，我們可以把這些交給ZFS，因為ZFS Pool會自動調(diào)節(jié)，動態(tài)適應需求。我們只需一個簡單的命令為 這個ZFS Pool加入新的硬盤就可以了：

zpool add zfs_pool mirror c4t0d0 c5t0d0

基于這個動態(tài)調(diào)節(jié)的ZFS Pool之上的所有的文件系統(tǒng)就可以立即使用到這個新的硬盤，并且會自動的選擇最優(yōu)化的參數(shù)。而且ZFS同時也提供圖形化的管理界面

3.沒有任何容量限制

ZFS（Zettabyte File System）文件系統(tǒng)就如其名字所預示，可以提供真正的海量存儲，在現(xiàn)實中幾乎不可能遇到容量問題。在現(xiàn)有的64位kernel（內(nèi) 核）下，它可以容納達到16 Exabytes(264)大小的單個文件，可以使用264個存儲設備，可以創(chuàng)建264個文件系統(tǒng)。

4.完全保證 數(shù)據(jù) 的正確和完整

由于ZFS所有的數(shù)據(jù)操作都是基 于Transaction（事務），一組相應的操作會被ZFS解 析為一個事務操作，事務的操作就代表著一組操作要么一起失敗，要么一起成功。而且如前所說，ZFS對 所有的操作是基于COW（Copy on Write）， 從而保證設備上的數(shù) 據(jù)始終都是有效的，再也不會因為系統(tǒng)崩潰或者意外掉電導致數(shù)據(jù)文件的inconsistent。
還有一種潛在威脅 數(shù)據(jù)的可能是來自于硬件設備的問題，比如磁 盤，RAID卡的硬件問題或者驅(qū)動bug?，F(xiàn)有文件系統(tǒng)通常遇到這個問題，往往只是簡單的把錯誤數(shù)據(jù)直接交給上層應用，通常我們把這個問題稱作Silent Data Corruption。而在ZFS中，對所有數(shù)據(jù)不管是用戶數(shù)據(jù)還是文件系統(tǒng)自身的metadata數(shù) 據(jù)都進行256位的Checksum（校 驗），當ZFS在提交數(shù)據(jù)時會進行校驗，徹底杜絕這種Silent Data Corruption情況。

5.提供優(yōu)異 性能和擴展性

和傳統(tǒng)File System + Volume Manager + Storage架構不同，ZFS則是直接基于存儲設備提供所有的功能，因此有自己獨有的創(chuàng)新特性，性能自然非比尋常。

Dynamic Striping vs. Static Striping

由于ZFS是基于COW和一個全局動態(tài)的ZFS Pool，任何一次寫 操作，都是對一塊新數(shù)據(jù)塊（Block）的一次寫操作。ZFS從ZFS Pool中動態(tài)挑選出一個最優(yōu)的設備，并且以一個transaction（事 務）線性寫入，充分有效地利用了現(xiàn)有設備的帶寬，我們把這個特性稱為Dynamic Striping。而相對應的Static Striping則是傳統(tǒng)文件系統(tǒng)所使用的方式，Static Striping需要管理員預先對這組Stripe進行正確地計算人為 設置，而且如果加入新的設備則需要再次人為的計算和設置，更為嚴重的是如果人為計算錯誤，則會直接影響系統(tǒng)的性能。而在使用Dynamic Striping這種特性之后，我們根本不需要人為介入，ZFS會自動調(diào)整，智能的為你 提供最佳的設備，最快的操作方式。

支持多種 大小的數(shù)據(jù)塊（Multiple Block Size）

ZFS支持多種大小的數(shù)據(jù)塊定義，從512字節(jié)到1M字節(jié)。和傳統(tǒng)文件系統(tǒng)往往都是固定大小數(shù)據(jù)塊不同，ZFS則是可以動態(tài)的根據(jù)不同 大小的文件進行計算，動態(tài)的選擇最佳的數(shù)據(jù)塊。
因為不同大小數(shù)據(jù) 塊，直接影響到實際使用硬盤容量和讀取速度。如果使用較小的數(shù)據(jù)塊，存儲文件所導致的碎片則較少，讀寫小文件更快一些，但是會導致需要創(chuàng)建更多的metadata，讀寫大文件則會更費時。如果使用較大的數(shù)據(jù)塊，使用的metadata較少，更利于讀寫大文件，但是會導致更多的碎片。ZFS根據(jù)實際調(diào)查現(xiàn)有文件使 用的情況，分析出一個選擇數(shù)據(jù)塊大小的算法，動態(tài)的根據(jù)實際文件大小確定最佳的數(shù)據(jù)塊。所以ZFS是 非常智能的，在不需要系統(tǒng)管理員介入，就可以得到一個自我調(diào)優(yōu)的結果。當然ZFS也支持用戶對單個文件或者整個文件系統(tǒng) 所使用的數(shù)據(jù)塊大小的自定義設置。

智能預讀取（Intelligent Prefetch）

多數(shù)的操作系統(tǒng)都 有這種將數(shù)據(jù)預先讀取的功能，而ZFS則是建立在文件系統(tǒng)上直接提供的一種更加智能的數(shù)據(jù)預讀取功能。它不僅可以智能地識別出多種讀取模式， 進 行提前讀取數(shù)據(jù)，而且可以對每個讀取數(shù)據(jù)流進行這種預讀取智能識別，這個對許多流媒體提供者來說是件非常好的事情。
在擴展性上，和現(xiàn)有文件系統(tǒng)多是基于一個受限的靜態(tài)模型不同，ZFS是采用ZFS Pool這個動態(tài)概念，它的metadata也是動態(tài)，并且讀寫操作都是可并行的，并且具有優(yōu)先級概念，所以即使在大數(shù)據(jù)量，多設備的情況下仍可以保證性能的線性增長。

6.自我修復功能

ZFS Mirror 和 RAID-Z

傳統(tǒng)的硬盤Mirror及RAID 4，RAID 5陣列方式都會遇到前面提到過的問題：Silent Data Corruption。如果發(fā)生了某塊硬盤物理問題導致數(shù)據(jù)錯誤，現(xiàn)有的Mirror，包括RAID 4，RAID 5陣列會默默地把這個錯誤數(shù)據(jù)提交給上層應用。如果這個錯誤發(fā)生在Metadata中，則會直接導致系統(tǒng)的Panic。 而且還有一種更為嚴重的情況是：在RAID 4和RAID 5陣列中，如果系統(tǒng)正在計算Parity數(shù)值，并再次寫入新數(shù)據(jù)和新Parity值的時候發(fā)生斷電，那么整個陣列的所有存儲的數(shù)據(jù)都毫無意義了。
在ZFS中則提出了相對應的ZFS Mirror和RAID-Z方式，它在負責讀取數(shù)據(jù)的時候會自動和256位校驗碼進行校驗，會主動發(fā)現(xiàn)這種Silent Data Corruption，然后通過相應的Mirror硬 盤或者通過RAID-Z陣列中其他硬盤得到正確的數(shù)據(jù)返回給上層應用，并且同時自動修復原硬盤的Data Corruption 。

Fault Manager

在Solaris 10中，包含 一個ZFS診斷引擎和Solaris的 Fault Manager（這也是Solaris 10的 另一個新特性）交互，可以實時地診斷分析并且報告ZFS Pool和存儲設備的錯誤，用戶可以通過Fault Manager及時得到一個非常友善的消息。這個診斷引擎雖然不會采取主動的行為去修復或者解決 問題，但是會在消息中提示系統(tǒng)管理員可采取的動作。類似下面一個ZFS報錯消息，其中REC-ACTION就是建議采取的動作：

SUNW-MSG-ID: ZFS-8000-D3, TYPE: Fault, VER: 1, SEVERITY: Major
EVENT-TIME: Fri Mar 10 11:09:06 MST 2006
PLATFORM: SUNW,Ultra-60, CSN: -, HOSTNAME: neo
SOURCE: zfs-diagnosis, REV: 1.0
EVENT-ID: b55ee13b-cd74-4dff-8aff-ad575c372ef8
DESC: A ZFS device failed. Refer to http://sun.com/msg/ZFS-8000-D3 for more information.
AUTO-RESPONSE: No automated response will occur.
IMPACT: Fault tolerance of the pool maybe compromised.
REC-ACTION: Run 'zpool status -x' and replace the bad device.

7. 安全

在安全上，ZFS支持類似NT風格NFSv4版的ACL（讀取控制列表）。而且前面所提到的256位驗證碼，用戶可選擇多種驗證方式，包括SHA-256驗證算法，從而在物理存儲單元級別上保證數(shù)據(jù)的安全性。

8. 超強功能

ZFS作為“最后一個文件系統(tǒng)”，涵蓋了基本的文件系統(tǒng)和Volume管理的功能，同時 一并提供許多企業(yè)級別的超強功能：Quota(配額)，Reservation(預留), Compression(壓 縮)， Snapshot(快照)，Clone（克?。?。并且速度非常快。有了這個文件系統(tǒng)，大家再也不需要任何Volume Manager了。

9.兼容性

ZFS是一個完全兼容POSIX規(guī)范的文件系統(tǒng)，所以處于上層的應用程序是完全不受影響。ZFS也提供一個Emulated Volume模塊，可以把任何一個ZFS文件系統(tǒng)作為普通的塊設備使用。同時ZFS也可以使用基于Volume Manager構建的Volume作為存儲設備單 元。這樣在不需要修改應用程序，不修改已有文件系統(tǒng)下，給了大家最大的自由度去獲得ZFS提供的各種特性。

10.開源

ZFS是Sun Microsystems公 司作為OpenSolaris的一個開源項目運作并且完全免費使用，這就代表著我們不僅同時可以享受商業(yè)公司的高質(zhì)量，也可以獲得開源模式的優(yōu)點。
雖然目前只有Solaris支持該文件系統(tǒng)，但是這種開源的模式必定會促進更多基于ZFS的應用?，F(xiàn)在已經(jīng)有國外開發(fā)者正在將ZFS移植到Linux和Mac OS上來。如果想要體驗一下ZFS，由于目前它和Solaris 10綁定在一起，所以需要下載最新版的Solaris 10 6/06 (http://www.sun.com/software/solaris/get.jsp)。

附加說明

這篇文章論述了 ZFS 的優(yōu)點?，F(xiàn)在，讓我來告訴你一個關于 ZFS 很現(xiàn)實的問題。使用 RAID-Z 會很貴 ，因為你需要購買大量的磁盤來增大存儲空間。
你已經(jīng)使用過 ZFS 了嗎？你的使用經(jīng)驗是什么樣的？

總結

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