ZFS是什么?使用ZFS的理由及特性介绍

ZFS 的历史

Z 文件系统(Z File System)（ZFS）是由 Matthew Ahrens 和 Jeff Bonwick 在 2001 年开发的。ZFS 是作为 太阳微系统(Sun MicroSystem) 公司的 OpenSolaris 的下一代文件系统而设计的。在 2008 年，ZFS 被移植到了 FreeBSD 。同一年，一个移植 ZFS 到 Linux 的项目也启动了。然而，由于 ZFS 是 通用开发和发布许可证 (Common Development and Distribution License)（CDDL）许可的，它和 GNU 通用公共许可证 不兼容，因此不能将它迁移到 Linux 内核中。为了解决这个问题，绝大多数 Linux 发行版提供了一些方法来安装 ZFS。
在甲骨文公司收购太阳微系统公司之后不久，OpenSolaris 就闭源了，这使得 ZFS 的之后的开发也变成闭源的了。许多 ZFS 开发者对这件事情非常不满。 三分之二的 ZFS 核心开发者 ，包括 Ahrens 和 Bonwick，因为这个决定而离开了甲骨文公司。他们加入了其它公司，并于 2013 年 9 月创立了 OpenZFS 这一项目。该项目引领着 ZFS 的开源开发。
让我们回到上面提到的许可证问题上。既然 OpenZFS 项目已经和 Oracle 公司分离开了，有人可能好奇他们为什么不使用和 GPL 兼容的许可证，这样就可以把它加入到 Linux 内核中了。根据 OpenZFS 官网 的介绍，更改许可证需要联系所有为当前 OpenZFS 实现贡献过代码的人（包括初始的公共 ZFS 代码以及 OpenSolaris 代码），并得到他们的许可才行。这几乎是不可能的（因为一些贡献者可能已经去世了或者很难找到），因此他们决定保留原来的许可证。

ZFS 是什么，它有什么特性？

正如前面所说过的，ZFS 是一个先进的文件系统。因此，它有一些有趣的 特性 。比如：

• 存储池
• 写时拷贝
• 快照
• 数据完整性验证和自动修复
• RAID-Z
• 最大单个文件大小为 16 EB（1 EB = 1024 PB）
• 最大 256 千万亿（256*1015 ）的 ZB（1 ZB = 1024 EB）的存储

让我们来深入了解一下其中一些特性。

如何安装 ZFS？

如果你想立刻使用 ZFS（开箱即用），那么你需要安装 FreeBSD 或一个 使用 illumos 内核的操作系统 。 illumos 是OpenSolaris 内核的一个克隆版本。
事实上，支持 ZFS 是一些有经验的 Linux 用户选择 BSD 的主要原因 。
如果你想在 Linux 上尝试 ZFS，那么只能在存储文件系统上使用。据我所知，没有任何 Linux 发行版可以在根目录上安装 ZFS，实现开箱即用。如果你对在 Linux 上尝试 ZFS 感兴趣，那么 ZFS on Linux 项目 上有大量的教程可以指导你怎么做。

存储池

与大多数文件系统不同，ZFS 结合了文件系统和卷管理器的特性。这意味着，它与其他文件系统不同，ZFS 可以创建跨越一系列硬盘或池的文件系统。不仅如此，你还可以通过添加硬盘来增大池的存储容量。ZFS 可以进行分区和格式化

使用ZFS的十条理由及特性

1. 再也不需要fsck, scandisk

不管你是在用Linux，UNIX还是Windows，相信大家都有过类似的体会：当系统意外断电或者非法关机，系统重起后发现文件系统有inconsistent的问题，这时 候就需要fsck或者scandisk 来修复，这段时间是非常耗时而且最后不一定能够修复成功。更糟糕的是，如果这是一台服务器需要做fsck的时候，只能offline（下线），而且现有应用往往都是大硬盘，相应fsck修 复时间也很长，这对许多使用该服务器的用户来说几乎不能忍受的。
而使用ZFS后大家可以彻底抛弃fsck这种工具，因为ZFS是一个基于COW（Copy on Write）机制的文件系统。COW是不会对硬盘上现有的文件进行重写，保证所有硬盘上的文件都是有效的。所以不会有这种inconsistent的概念，自然就不需要这种工具了。

2. 管理简单

ZFS作为一个全新的文件系统，全面抛弃传统File System + Volume Manager + Storage的架构，所有的存储设备是通过ZFS Pool进行管理，只要把各种存储设备加 入同一个ZFS Pool，大家就可以轻松的在这个ZFS Pool管理配置文件系统。大家再也不用牢记各种专业概念，各种命令newfs, metinit及各种Volume Manager的用法。在ZFS中我们只需要两个命令，zpool(针 对ZFS Pool管理)和zfs(针对ZFS文件系统的管理)，就可以轻松管理128位的文件系统。举个例子，我们经常会遇到系统数据增长过 快，现有存储容量不够，需要添加硬盘，如果依照传统的Volume Manager管理方式，那我 们需要预先要考虑很多现有因素，还要预先根据应用计算出需要配置的各种参数。在ZFS情况下，我们的系统管理员可以彻底解放，再也不需要这种人为的复杂 考虑和计算，我们可以把这些交给ZFS，因为ZFS Pool会自动调节，动态适应需求。我们只需一个简单的命令为 这个ZFS Pool加入新的硬盘就可以了：

zpool add zfs_pool mirror c4t0d0 c5t0d0

基于这个动态调节的ZFS Pool之上的所有的文件系统就可以立即使用到这个新的硬盘，并且会自动的选择最优化的参数。而且ZFS同时也提供图形化的管理界面

3.没有任何容量限制

ZFS（Zettabyte File System）文件系统就如其名字所预示，可以提供真正的海量存储，在现实中几乎不可能遇到容量问题。在现有的64位kernel（内 核）下，它可以容纳达到16 Exabytes(264)大小的单个文件，可以使用264个存储设备，可以创建264个文件系统。

4.完全保证 数据 的正确和完整

由于ZFS所有的数据操作都是基 于Transaction（事务），一组相应的操作会被ZFS解 析为一个事务操作，事务的操作就代表着一组操作要么一起失败，要么一起成功。而且如前所说，ZFS对 所有的操作是基于COW（Copy on Write）， 从而保证设备上的数 据始终都是有效的，再也不会因为系统崩溃或者意外掉电导致数据文件的inconsistent。
还有一种潜在威胁 数据的可能是来自于硬件设备的问题，比如磁 盘，RAID卡的硬件问题或者驱动bug。现有文件系统通常遇到这个问题，往往只是简单的把错误数据直接交给上层应用，通常我们把这个问题称作Silent Data Corruption。而在ZFS中，对所有数据不管是用户数据还是文件系统自身的metadata数 据都进行256位的Checksum（校 验），当ZFS在提交数据时会进行校验，彻底杜绝这种Silent Data Corruption情况。

5.提供优异 性能和扩展性

和传统File System + Volume Manager + Storage架构不同，ZFS则是直接基于存储设备提供所有的功能，因此有自己独有的创新特性，性能自然非比寻常。

Dynamic Striping vs. Static Striping

由于ZFS是基于COW和一个全局动态的ZFS Pool，任何一次写 操作，都是对一块新数据块（Block）的一次写操作。ZFS从ZFS Pool中动态挑选出一个最优的设备，并且以一个transaction（事 务）线性写入，充分有效地利用了现有设备的带宽，我们把这个特性称为Dynamic Striping。而相对应的Static Striping则是传统文件系统所使用的方式，Static Striping需要管理员预先对这组Stripe进行正确地计算人为 设置，而且如果加入新的设备则需要再次人为的计算和设置，更为严重的是如果人为计算错误，则会直接影响系统的性能。而在使用Dynamic Striping这种特性之后，我们根本不需要人为介入，ZFS会自动调整，智能的为你 提供最佳的设备，最快的操作方式。

支持多种 大小的数据块（Multiple Block Size）

ZFS支持多种大小的数据块定义，从512字节到1M字节。和传统文件系统往往都是固定大小数据块不同，ZFS则是可以动态的根据不同 大小的文件进行计算，动态的选择最佳的数据块。
因为不同大小数据 块，直接影响到实际使用硬盘容量和读取速度。如果使用较小的数据块，存储文件所导致的碎片则较少，读写小文件更快一些，但是会导致需要创建更多的metadata，读写大文件则会更费时。如果使用较大的数据块，使用的metadata较少，更利于读写大文件，但是会导致更多的碎片。ZFS根据实际调查现有文件使 用的情况，分析出一个选择数据块大小的算法，动态的根据实际文件大小确定最佳的数据块。所以ZFS是 非常智能的，在不需要系统管理员介入，就可以得到一个自我调优的结果。当然ZFS也支持用户对单个文件或者整个文件系统 所使用的数据块大小的自定义设置。

智能预读取（Intelligent Prefetch）

多数的操作系统都 有这种将数据预先读取的功能，而ZFS则是建立在文件系统上直接提供的一种更加智能的数据预读取功能。它不仅可以智能地识别出多种读取模式， 进 行提前读取数据，而且可以对每个读取数据流进行这种预读取智能识别，这个对许多流媒体提供者来说是件非常好的事情。
在扩展性上，和现有文件系统多是基于一个受限的静态模型不同，ZFS是采用ZFS Pool这个动态概念，它的metadata也是动态，并且读写操作都是可并行的，并且具有优先级概念，所以即使在大数据量，多设备的情况下仍可以保证性能的线性增长。

6.自我修复功能

ZFS Mirror 和 RAID-Z

传统的硬盘Mirror及RAID 4，RAID 5阵列方式都会遇到前面提到过的问题：Silent Data Corruption。如果发生了某块硬盘物理问题导致数据错误，现有的Mirror，包括RAID 4，RAID 5阵列会默默地把这个错误数据提交给上层应用。如果这个错误发生在Metadata中，则会直接导致系统的Panic。 而且还有一种更为严重的情况是：在RAID 4和RAID 5阵列中，如果系统正在计算Parity数值，并再次写入新数据和新Parity值的时候发生断电，那么整个阵列的所有存储的数据都毫无意义了。
在ZFS中则提出了相对应的ZFS Mirror和RAID-Z方式，它在负责读取数据的时候会自动和256位校验码进行校验，会主动发现这种Silent Data Corruption，然后通过相应的Mirror硬 盘或者通过RAID-Z阵列中其他硬盘得到正确的数据返回给上层应用，并且同时自动修复原硬盘的Data Corruption 。

Fault Manager

在Solaris 10中，包含 一个ZFS诊断引擎和Solaris的 Fault Manager（这也是Solaris 10的 另一个新特性）交互，可以实时地诊断分析并且报告ZFS Pool和存储设备的错误，用户可以通过Fault Manager及时得到一个非常友善的消息。这个诊断引擎虽然不会采取主动的行为去修复或者解决 问题，但是会在消息中提示系统管理员可采取的动作。类似下面一个ZFS报错消息，其中REC-ACTION就是建议采取的动作：

SUNW-MSG-ID: ZFS-8000-D3, TYPE: Fault, VER: 1, SEVERITY: MajorEVENT-TIME: Fri Mar 10 11:09:06 MST 2006PLATFORM: SUNW,Ultra-60, CSN: -, HOSTNAME: neoSOURCE: zfs-diagnosis, REV: 1.0EVENT-ID: b55ee13b-cd74-4dff-8aff-ad575c372ef8DESC: 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.