Linux文件系統(tǒng)中的NiLFS(2)和exofs怎么使用

本篇內(nèi)容介紹了“Linux文件系統(tǒng)中的NiLFS(2)和exofs怎么使用”的有關(guān)知識，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

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使用日志和對象發(fā)展 Linux 文件系統(tǒng)

Linux? 在文件系統(tǒng)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。它支持任何操作系統(tǒng)上的眾多不同文件系統(tǒng)。它還提供尖端文件系統(tǒng)技術(shù)。Linux 最近又引入兩種新的文件系統(tǒng)，它們是 NiLFS(2) 日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)和 exofs 基于對象的存儲系統(tǒng)。探索這兩種文件系統(tǒng)背后的動機(jī)和它們的優(yōu)點(diǎn)。

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現(xiàn)在就開始免費(fèi)試用

一種新的 Linux 文件系統(tǒng)的公布總是令人既興奮又恐懼。興奮是因?yàn)槲募到y(tǒng)意味著新的發(fā)展空間?？謶质且?yàn)槲募到y(tǒng)在早期還是試驗(yàn)性的，尚未迎來黃金時期。但是有時候，新文件系統(tǒng)的公布也意味著對 Linux 未來的投資，而最近 2.6.30-rc1 的公布確實(shí)標(biāo)示著令人感興趣的前景。在過去幾個季度，Linux 主要公布了三種文件系統(tǒng)。2008 年底引入了 B-Tree File System（Btrf），最近又引入了兩種獨(dú)特的文件系統(tǒng)：NiLFS(2) 和 exofs。

文件系統(tǒng)背景知識

我們首先了解這些非傳統(tǒng)文件系統(tǒng)，然后探索 NiLFS(2) 和 exofs 的細(xì)節(jié)。

日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)

日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)和 SSDs

日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)是用于由 NAND 閃存組成的固態(tài)硬盤（solid-state disks，SSD）的理想格式。閃存的基本問題是寫擦周期數(shù)量有限。日志可以寫到整個設(shè)備上，盡量寫滿設(shè)備，從而最大程度地減少擦的周期。由于這個原因，日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)在 SSD 上（連續(xù)寫）表現(xiàn)非常好，并且提供更好的損耗均衡。

日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)在現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)中有豐富的歷史。第一個日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)由 John Ousterhout 和 Fred Douglis 在 1988 年提出，隨后由 Sprite 操作系統(tǒng)在 1992 年實(shí)現(xiàn)。顧名思義，日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)將文件系統(tǒng)視為一個循環(huán)日志，將新的數(shù)據(jù)和文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)寫到日志的頭部，并且從尾部回收空閑空間（如圖 1 所示）。這意味著數(shù)據(jù)可能在日志中出現(xiàn)兩次或更多次，但是由于日志是按時間先后順序發(fā)展的，最近的數(shù)據(jù)被視作活動數(shù)據(jù)。日志中保留數(shù)據(jù)的多個副本可以帶來一些有趣的優(yōu)點(diǎn)，后面將詳細(xì)談到這些優(yōu)點(diǎn)。

圖 1. 日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)的示意圖

     

與其說日志結(jié)構(gòu)方法是一個賣點(diǎn)，不如說它是體系結(jié)構(gòu)上的一個細(xì)節(jié)，不過這種方法確實(shí)有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。一個關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)崩潰后的數(shù)據(jù)恢復(fù)，當(dāng)使用日志結(jié)構(gòu)方法時，這種恢復(fù)更簡單。

另一個優(yōu)點(diǎn)是利用底層存儲系統(tǒng)挖掘性能。您也許還記得，連續(xù)寫到硬盤比隨機(jī) I/O 要快得多。如果所有的寫都是連續(xù)的，那么查找的開銷隨之減少，從而可以獲得更快的硬盤 I/O，進(jìn)而得到更快的文件系統(tǒng)。

基于對象的存儲系統(tǒng)

傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)依賴于磁盤驅(qū)動器和它們的本地接口持久地存儲數(shù)據(jù)。這些接口依賴于塊存儲語義，大小固定的數(shù)據(jù)小塊與它們的映射（文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)）相關(guān)聯(lián)。對象存儲系統(tǒng)則采用截然不同的方法：它們不是管理大小固定的數(shù)據(jù)塊，而是管理大小可變的對象以及相關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)（提供關(guān)于對象的系統(tǒng)級信息）。

對象存儲設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)

對象存儲設(shè)備基于 T-10 Object Storage Devices（OSD）標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范詳細(xì)描述了用于支持對象級管理的對標(biāo)準(zhǔn) SCSI 命令集的擴(kuò)展。除了定義對象級訪問方法外，該規(guī)范還包括安全性和元數(shù)據(jù)管理。

對象存儲系統(tǒng)是解決包含多租戶和安全性的可伸縮存儲的唯一途徑。構(gòu)建作為一種標(biāo)準(zhǔn)的 OSD（見側(cè)邊欄）的方式有很多種。例如可以使用遵從 OSD 的組件（例如 OSD 驅(qū)動器和啟動器）或更高級的組件（在傳統(tǒng)驅(qū)動器上構(gòu)建 OSD 行為的目標(biāo)系統(tǒng)）。但是，基于塊的存儲系統(tǒng)與基于對象的存儲系統(tǒng)之間的根本區(qū)別在于，在基于塊的存儲系統(tǒng)中，是從塊集合創(chuàng)建對象的，塊中既包括數(shù)據(jù)，又包括使用某種協(xié)議與塊通信的元數(shù)據(jù)。而在基于對象的存儲系統(tǒng)中，是與對象和它們的關(guān)聯(lián)元數(shù)據(jù)通信的（如圖 2 所示）。于是，對象存儲設(shè)備成為對象的平面名稱空間（flat namespace），必要時，在存儲系統(tǒng)棧中的更高層建立層次結(jié)構(gòu)。

圖 2. 基于塊的存儲系統(tǒng)與基于對象的存儲系統(tǒng)

     

本文探索基于對象的存儲系統(tǒng)上的一種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

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日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)的一種新的實(shí)現(xiàn)：NiLFS(2)

NiLFS(2) 是日本 Nippon Telegraph and Telephone（NTT）開發(fā)的一種日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)的第二次迭代。該文件系統(tǒng)的開發(fā)非常活躍，最近已進(jìn)入主流 Linux 內(nèi)核（另外還有 NetBSD 內(nèi)核）。第一版的 NILFS（version 1）出現(xiàn)于 2005 年，這個版本沒有任何形式的垃圾收集。在 2007 年，第 2 版首次發(fā)布，其中包括一個垃圾收集器，并且可以創(chuàng)建和維護(hù)多個快照。今年（2009），NiLFS(2) 文件系統(tǒng)進(jìn)入主流內(nèi)核，可通過安裝它的可裝載模塊方便地啟用它。

NiLFS(2) 一個有趣的方面是，它支持連續(xù)快照（continuous snap-shotting）技術(shù)。由于 NILFS 是基于日志結(jié)構(gòu)的，新數(shù)據(jù)被寫到日志的頭部，而舊數(shù)據(jù)仍然保留（直到需要對舊數(shù)據(jù)進(jìn)行垃圾收集）。由于舊數(shù)據(jù)仍被保留，因此可以在時間線上回滾，以檢查文件系統(tǒng)的不同時期（epoch）。在 NiLFS(2) 中，這些時期被稱作檢查點(diǎn)，它們是文件系統(tǒng)中不可或缺的一部分。每當(dāng)發(fā)生改變時，NiLFS(2) 都會創(chuàng)建這些檢查點(diǎn)，但是也可以強(qiáng)制創(chuàng)建檢查點(diǎn)。

包含快照的文件系統(tǒng)

NiLFS(2) 是眾多包含快照行為的文件系統(tǒng)中的一種。其他包含快照的文件系統(tǒng)有 ZFS、LFS 和 Ext3cow。

可以在快照中查看和更改檢查點(diǎn)（恢復(fù)點(diǎn)）?？梢韵衿渌募到y(tǒng)一樣將快照掛載到 Linux 文件系統(tǒng)空間中，但是目前它們還是只讀的。這一點(diǎn)非常有用，因?yàn)榭梢話燧d快照，然后恢復(fù)之前刪除的文件，或者檢查之前版本的文件。

除了連續(xù)快照外，NiLFS(2) 還具有很多其他的優(yōu)點(diǎn)。從可用性的角度看，最重要的優(yōu)點(diǎn)是快速重啟。如果當(dāng)前檢查點(diǎn)失效，文件系統(tǒng)只需回滾到上一個有效的檢查點(diǎn)，重新獲得有效的文件系統(tǒng)。這顯然好于 fsck 進(jìn)程。

NiLFS(2) 的挑戰(zhàn)

NiLFS(2) 版本和內(nèi)核

這個 NiLFS(2) 演示 是在 2.6.27 Linux 內(nèi)核中完成的。2.6.30-rc1 內(nèi)核在 mainline 中包括 NiLFS(2)，但是在這里，NILFS 文件系統(tǒng)模塊和工具是從源代碼安裝的。請參閱 參考資料 了解關(guān)于如何將 NiLFS(2) 安裝到內(nèi)核中的信息。

雖然連續(xù)快照是一個很好的特性，但是也有一定的副作用。前面已經(jīng)提到，它的優(yōu)點(diǎn)在于它是日志結(jié)構(gòu)的，采用連續(xù)寫的方式（減少物理磁盤的查找行為），因此非?？?。而缺點(diǎn)在于，它是日志結(jié)構(gòu)的，所以需要垃圾收集，以便清理舊的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。一般情況下，這種文件系統(tǒng)非?？欤且坏┬枰M(jìn)行垃圾收集，性能就會慢下來。

探索 NiLFS(2)

我們來看看 NiLFS(2) 的實(shí)際應(yīng)用。這個演示展示如何在循環(huán)設(shè)備上創(chuàng)建一個 NiLFS(2) 文件系統(tǒng)（測試文件系統(tǒng)的一種簡單方法），然后看看 NiLFS(2) 的一些特性。首先安裝 NiLFS(2) 內(nèi)核模塊：

$ sudo modprobe nilfs2 $

接下來，創(chuàng)建一個文件，該文件將包含文件系統(tǒng)（主機(jī)操作系統(tǒng)上的一個區(qū)域，可通過循環(huán)設(shè)備將它掛載為操作系統(tǒng)本身的文件系統(tǒng)），然后使用 mkfs 在其中構(gòu)建 NiLFS(2) 文件系統(tǒng)（如圖 1 所示）。

清單 1. 準(zhǔn)備 NiLFS(2) 文件系統(tǒng)

$ dd if=/dev/zero of=/tmp/disk.img bs=384M count=1 1+0 records in
1+0 records out
402653184 bytes (403 MB) copied, 60.7253 s, 6.6 MB/s
$ mkfs.nilfs2 /tmp/disk.img mkfs.nilfs2 ver 2.0
Start writing file system initial data to the device
       Blocksize:4096  Device:/tmp/disk.img  Device Size:402653184
File system initialization succeeded !!
$

現(xiàn)在，您有了自己的以 NiLFS(2) 文件系統(tǒng)格式初始化的磁盤鏡像。接下來，使用循環(huán)設(shè)備將該文件系統(tǒng)掛載到一個掛載點(diǎn)上（如清單 2 所示）。注意，當(dāng)掛載文件系統(tǒng)時，會啟動一個用戶空間程序 nilfs_cleanerd，以提供垃圾收集服務(wù)。

清單 2. 使用循環(huán)設(shè)備掛載 NiLFS(2)

$ sudo losetup /dev/loop0 /tmp/disk.img $ sudo mkdir /mnt/nilfs $ sudo mount -t nilfs2 /dev/loop0 /mnt/nilfs/ mount.nilfs2: WARNING! - The NILFS on-disk format may change at any time.
mount.nilfs2: WARNING! - Do not place critical data on a NILFS filesystem.
$ ls /mnt/nilfs $

現(xiàn)在，在該文件系統(tǒng)中添加一些文件，然后使用 lscp 命令列出當(dāng)前可用的檢查點(diǎn)（如清單 3 所示）。使用 mkcp 命令定義一個快照，然后再次查看檢查點(diǎn)。第二次執(zhí)行 lscp 命令時可以看到新創(chuàng)建的快照（所有檢查點(diǎn)和快照都有一個 CNO，或檢查點(diǎn)號）。

清單 3. 列出檢查點(diǎn)和創(chuàng)建快照

$ cd /mnt/nilfs $ sudo touch file1.txt file2.txt $ lscp CNO        DATE     TIME  MODE  FLG   NBLKINC       ICNT
                   1  2009-08-21 22:29:31   cp    -         11          3
                   2  2009-08-21 22:36:44   cp    -         11          5
$ sudo mkcp -s $ lscp CNO        DATE     TIME  MODE  FLG   NBLKINC       ICNT
                   1  2009-08-21 22:29:31   cp    -         11          3
                   2  2009-08-21 22:36:44   ss    -         11          5
                   3  2009-08-21 22:39:47   cp    i          7          5
$

現(xiàn)在有了一個快照，接下來同樣使用 touch 命令再將一些文件添加到當(dāng)前文件系統(tǒng)中（如清單 4 所示）。

清單 4. 將更多文件添加到 NiLFS(2) 文件系統(tǒng)中

$ sudo touch file3.txt file4.txt $ ls file1.txt  file2.txt  file3.txt  file4.txt
$

現(xiàn)在，掛載快照作為一個只讀文件系統(tǒng)。這和之前的掛載類似，但是需要指定掛載的快照。為此可以使用 cp 選項(xiàng)。從之前的 lscp 命令中可以看出，快照是 CNO=2。在 mount 命令中使用這個 CNO 掛載只讀文件系統(tǒng)。掛載后，首先使用 ls 命令列出掛載的讀/寫文件系統(tǒng)，然后查看所有的文件。在只讀快照中，只能看到兩個文件，這兩個文件是創(chuàng)建快照時存在的兩個文件（如清單 5 所示）。

清單 5. 掛載只讀 NiLFS(2) 快照

$ sudo mkdir /mnt/nilfs-ss2 $ sudo mount.nilfs2 -r /dev/loop0 /mnt/nilfs-ss2/ -o cp=2 $ ls /mnt/nilfs file1.txt  file2.txt  file3.txt  file4.txt
$ ls /mnt/nilfs-ss2/ file1.txt  file2.txt
$

注意，一旦將檢查點(diǎn)轉(zhuǎn)換為快照，這些快照將持久存在。當(dāng)需要清理出空間時，檢查點(diǎn)會被從文件系統(tǒng)中回收，而快照可以持久存在。

該演示展示了用于 NiLFS(2) 的兩個命令行實(shí)用程序：lscp（列出檢查點(diǎn)和快照）和 mkcp（創(chuàng)建檢查點(diǎn)或快照）。有一個名為 chcp 的實(shí)用程序，用于將檢查點(diǎn)轉(zhuǎn)換為快照，或者將快照轉(zhuǎn)換為檢查點(diǎn)；還有一個 rmcp 實(shí)用程序，用于使檢查點(diǎn)或快照無效。

鑒于這種文件系統(tǒng)是臨時性的，NTT 已經(jīng)為將來考慮了一些非常有創(chuàng)新性的工具 — 例如，tls（臨時 ls）、tdiff（臨時 diff）和 tgrep（臨時 grep）。下一步引入基于時間的功能似乎是合乎情理的。

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Extended Object File System（exofs）

Extended Object File System（exofs）是構(gòu)建在對象存儲系統(tǒng)上的一種傳統(tǒng)的 Linux 文件系統(tǒng)。exofs 最初由 IBM 的 Avnishay Traeger 開發(fā)，當(dāng)時被稱作 OSD 文件系統(tǒng)，或稱作 osdfs。然后，Panasas（一家構(gòu)建對象存儲系統(tǒng)的公司）接管該項(xiàng)目，并將它重新命名為 exofs（因?yàn)樗淖嫦葋碜?ext2 文件系統(tǒng)）。

對象存儲系統(tǒng)上的文件系統(tǒng)

從概念上講，對象存儲系統(tǒng)可以視作對象的平面名稱空間和它們的關(guān)聯(lián)元數(shù)據(jù)。而在基于塊的傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)，元數(shù)據(jù)要占用一些塊，以提供語義黏合劑。圖 3 顯示 exofs 的架構(gòu)圖。Virtual File System Switch（VFS）為 exofs 提供一條途徑，在其中，exofs 通過一個本地 OSD 啟動器與對象存儲系統(tǒng)通信。OSD 啟動器實(shí)現(xiàn) OSD T-10 標(biāo)準(zhǔn) SCSI 命令集。

圖 3. exofs/OSD 生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)圖

     

exofs 背后的思想是在 OSD 后備存儲上提供一個傳統(tǒng)文件系統(tǒng)。這樣一來，就更容易遷移到對象級存儲，因?yàn)樘峁┑奈募到y(tǒng)本身是傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)映射

OSD 中的每個對象由平面名稱空間中一個 64 位的標(biāo)識符表示。為了將標(biāo)準(zhǔn) POSIX 接口疊加到對象存儲系統(tǒng)上，需要一個映射。exofs 提供一個簡單的映射，這種映射還是可伸縮、可擴(kuò)展的。

文件系統(tǒng)中的文件由 inode 唯一地表示。exofs 將 inode 映射到對象系統(tǒng)中的對象標(biāo)識符（OID）。在對象系統(tǒng)中，使用對象表示文件系統(tǒng)的所有元素。文件被直接映射到對象，目錄也是文件，只不過是引用目錄中所含文件的文件（采用文件名和 inode-OID 對的形式）。圖 4 簡明地闡釋了這一點(diǎn)。另外還有一些其他的對象，用于支持 inode 位圖（用于 inode 分配）等。

圖 4. OSD 表示法示意圖

     

用于表示對象空間中的對象的 OID 長度為 64 位，因此支持非常多的對象。

為什么選擇對象存儲？

對象存儲是一個有趣的思想，可大幅提高系統(tǒng)的可伸縮性。它將文件系統(tǒng)的一些部分從主機(jī)轉(zhuǎn)移到存儲子系統(tǒng)中。為此需付出一定的代價，但是通過將文件系統(tǒng)的一些部分分布到多個端點(diǎn)，可以分散工作負(fù)載，使基于對象的方法更易于伸縮到更大的存儲系統(tǒng)。主機(jī)操作系統(tǒng)不再需要考慮塊到文件的映射，存儲設(shè)備本身會提供這種映射，因此主機(jī)可以在文件級進(jìn)行操作。

對象存儲系統(tǒng)還提供查詢可用元數(shù)據(jù)的能力。這可以帶來更多的好處，因?yàn)樗阉髂芰梢苑植嫉蕉它c(diǎn)對象系統(tǒng)。

最近，對象存儲在云存儲領(lǐng)域回歸。云存儲提供商（將存儲作為服務(wù)出售）以對象的形式提供他們的存儲，而不是以傳統(tǒng)的塊 API 的形式提供存儲。這些提供商實(shí)現(xiàn)用于對象傳輸、管理和元數(shù)據(jù)管理的 API。

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“Linux文件系統(tǒng)中的NiLFS(2)和exofs怎么使用”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！

本文題目：Linux文件系統(tǒng)中的NiLFS(2)和exofs怎么使用
轉(zhuǎn)載源于：http://muchs.cn/article8/gddeop.html

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