Hace un tiempo, publiqué un artículo sobre Nexenta, que aprovecha el ZFS de OpenSolaris para poder hacer un dist-upgrade y retornar a una versión anterior si algo sale mal. Hoy estaba viendo la entrada que escribió Marvin sobre Time Slider, el TimeMachine de OpenSolaris. A partir de esto me dieron ganas de averiguar un poco más sobre ZFS, me puse a buscar un poco en Internet y escribí esta pequeña introducción a ZFS que dejo a continuación.
Sun Solaris 10
Introducción
ZFS es un filesystem desarrollado por Sun Microsystems (por un equipo coordinado por Jeff Bonwick), implementado en Solaris y OpenSolaris desde 2005. Un filesystem (o sistema de archivos) es la parte del sistema operativo que se ocupa de administrar el almacenamiento de información en distintos tipos de unidades (generalmente discos rígidos). En primer lugar, todos los filesystems ofrecen métodos para crear, borrar, mover, copiar y renombrar archivos y directorios. A eso se agregan otras características muy importantes como la gestión de permisos, enlaces (hard links y symbolic links), mecanismos para evitar la fragmentación, mecanismos para asegurar la integridad de los datos (como el journaling, utilizado por ext3, ext4, NTFS, ReiserFS, entre otros), y métodos de gestión de RAIDs entre otras cosas.
Como indica la gente de Sun, ZFS es una nueva aproximación a la organización de la información, orientada a evitar conceptos obsoletos y reducir la complejidad de código, produciendo un sistema de archivos sencillo de administrar, con énfasis en la integridad de los datos y la escalabilidad.
Storage pools
Una de las características novedosas de ZFS es que, a diferencia de los filesystems tradicionales, que se ubican en un único dispositivo y, por lo tanto, requieren de un administrador de volúmenes cuando se quiere trabajar con más de un dispositivo, éste sistema se apoya en virtual storage pools (espacios de almacenamiento virtual) llamados “zpools”. Éstos están formados por virtual devices (dispositivos virtuales), “vdevs”, que a su vez se componen de block devices (dispositivos de bloques): archivos, particiones o discos enteros. De esta forma, se pueden configurar RAIDs de distinto tipo. Además de los tradicionales RAID-0 (dividido o data stripping) y RAID-1 (espejo o data mirroring), ZFS ofrece una variante del RAID-5 (dividido con paridad distribuida) llamada RAID-Z que evita un problema conocido llamado “agujero de escritura” (corrupción de las divisiones por perdida de energía entre la actualización de la información y las partes).
Capacidad y escalabilidad
En cuanto a la capacidad de almacenamiento y su escalabilidad, ZFS fue diseñado para tener límites que nunca fueran alcanzados (el tipo de proposición que sabemos que a la ciencia le encanta hacer para poder romper algunos años más tarde). Algunos límites teóricos de ZFS (tomados de Wikipedia) son:
- 248 — Número de snapshots en cualquier sistema de ficheros (2 × 1014)
- 248 — Número de ficheros en un sistema de ficheros (2 × 1014)
- 16 exabytes — Tamaño máximo de un sistema de ficheros
- 16 exabytes — Tamaño máximo de un fichero
- 16 exabytes — Tamaño máximo de cualquier atributo
- 3 × 1023 petabytes — Tamaño máximo de un zpool
- 256 — Número de atributos de un fichero (realmente limitado a 248 que es el número de ficheros que puede contener un sistema de ficheros ZFS)
- 256 — Número de ficheros en un directorio (realmente limitado a 248 que es el número de ficheros que puede contener un sistema de ficheros ZFS)
- 264 — Número de dispositivos en cualquier zpool
- 264 — Número de zpools en un sistema
- 264 — Número de sistemas de ficheros en un zpool
Copy-on-write
OpenSolaris
Otra característica muy interesante que agrega ZFS es un modelo transaccional llamado copy-on-write (algo así como “copia al escribir”). Este modelo, que se aplica a todas las transacciones, implica que todos los punteros de bloque tienen un checksum de 256 bits que se verifica cada vez que se accede a él. Además, cada los bloques que contienen información activa no son nunca sobreescritos, sino que la información modificada se ubica en otros bloques nuevos, y estos últimos son agrupados en grupos transaccionales para reducir el overhead que esto podría producir. Esto permite una preservación casi perfecta de la información, que hace que no sea necesario ejecutar fsck sobre filesystems ZFS. Además, en configuraciones de discos donde la información es replicada (mirroring), la información es self-healing (es decir que los bloques corruptos se reparan automáticamente en función de la información previamente almacenada).
Snapshots
Al utilizar el modelo de copy-on-write, se preservan los bloques con información antigua, con lo cual es posible crear snapshots (imágenes o “instantáneas”) de la información, las cuales se crean rápidamente y en una forma que es eficiente desde el punto de vista del espacio. Éstas permiten restaurar el sistema con los datos existentes en determinada fecha (lo que hace Time Slider). También se pueden crear snapshots escribibles llamadas clones, lo cual resulta en un par de sistemas de archivos independientes que comparten algunos bloques.
Administración de cache
ZFS utiliza ARC (Adaptive Replacement Cache), un algoritmo que resulta más eficiente que el tradicional sistema de memoria virtual page cache que implementaba Solaris.
Gestión de I/O
ZFS implementa un motor de I/O (Input/Output o Entrada/Salida) segmentado (en inglés es un pipelined I/O engine, basado en el concepto de las CPU pipelines). Esto le brinda una serie de características (scoreboarding, priorities, deadline scheduling, out-of-order issue y I/O aggregation), que hacen que ZFS soporte tranquilamente cargas de entrada y salida que otros filesystems no pueden manejar.
Limitaciones
Existen una serie de limitaciones que están mejor explicadas en la entrada en inglés de la wikipedia. Reproduzco algunas aquí.
- ZFS no soporta la definición de quotas por grupo o por usuario. En cambio, como los filesystems ZFS son muy livianos, uno crea filesystems para cada usuario con sus propias limitaciones de espacio. Sin embargo, no hay una solución para cuando un mismo filesystem debe ser compartido por varios usuarios con quotas distintas.
- Por el momento, no es posible reducir la cantidad de vdevs en un zpool, ni reducir la capacidad de un zpool.
- No se puede agregar un disco a un vdev de un RAID-Z o de un RAID-Z2, pero sí se puede agregar otro vdev al mismo zpool.
- No se pueden mezclar vdevs de distintos tipos en un mismo pool.
- ZFS no es un sistema nativo de cluster, distribuido, ni un sistema paralelo de archivos y no puede proveer acceso concurrente para múltiples hosts porque ZFS es un filesystem local.
Palabras finales
Sin dudas, ZFS es un filesystem muy interesante, con características muy innovadoras. Personalmente tengo cierta reticencia a aceptar las contribuciones de software de las grandes empresas. Lejos de mí está casarme con Sun, que pone sus manos en muchos proyectos muy distintos y no en todos con buenos resultados. Sin embargo, hay algunas cosas que debo reconocerle. Así como me pareció muy interesante la implementación de SMF, este aporte de ZFS, al partir de una reconsideración integral de la estructura de un sistema de archivos (from the scratch), creo que es un avance muy interesante. No como el fin de un camino, sino justamente como un camino alternativo que pueda contribuir al desarrollo general de los sistemas operativos (unix).
¿Ustedes qué opinan?
Fuentes:
