XFS

XFS es un sistema de archivos de diario de alto rendimiento de 64 bits creado por Silicon Graphics, Inc (SGI) en 1993. Era el sistema de archivos predeterminado en el sistema operativo IRIX de SGI a partir de con su versión 5.3. XFS fue portado al kernel de Linux en 2001; a partir de junio de 2014, XFS es compatible con la mayoría de las distribuciones de Linux; Red Hat Enterprise Linux lo usa como sistema de archivos predeterminado.

XFS sobresale en la ejecución de operaciones de entrada/salida (E/S) paralelas debido a su diseño, que se basa en grupos de asignación (un tipo de subdivisión de los volúmenes físicos en los que se usa XFS, también abreviado como AG). Debido a esto, XFS permite una escalabilidad extrema de los subprocesos de E/S, el ancho de banda del sistema de archivos y el tamaño de los archivos y del propio sistema de archivos al abarcar varios dispositivos de almacenamiento físico. XFS garantiza la consistencia de los datos al emplear el registro de metadatos y admitir barreras de escritura. La asignación de espacio se realiza a través de extensiones con estructuras de datos almacenadas en árboles B+, lo que mejora el rendimiento general del sistema de archivos, especialmente cuando se manejan archivos grandes. La asignación retrasada ayuda a prevenir la fragmentación del sistema de archivos; También se admite la desfragmentación en línea. Una característica exclusiva de XFS es la preasignación de ancho de banda de E/S a una tasa predeterminada; esto es adecuado para muchas aplicaciones en tiempo real. Sin embargo, esta función solo se admitía en IRIX y solo con hardware especializado.

Historia

Silicon Graphics comenzó el desarrollo de XFS ("X" debía completarse más adelante, pero nunca se hizo) en 1993.

El sistema de archivos se lanzó bajo la Licencia Pública General GNU (GPL) en mayo de 2000. Un equipo dirigido por Steve Lord en SGI lo transfirió a Linux, y el primer soporte de una distribución de Linux llegó en 2001. Este soporte estuvo disponible gradualmente en casi todas las distribuciones de Linux.

El soporte inicial para XFS en el kernel de Linux llegó a través de parches de SGI. Se fusionó con la línea principal del kernel de Linux para la serie 2.6 y se fusionó por separado en febrero de 2004 con la serie 2.4 en la versión 2.4.25, lo que hace que XFS esté disponible casi universalmente en los sistemas Linux. Gentoo Linux se convirtió en la primera distribución de Linux en introducir una opción para XFS como sistema de archivos predeterminado a mediados de 2002.

FreeBSD agregó soporte de solo lectura para XFS en diciembre de 2005 y en junio de 2006 introdujo soporte de escritura experimental. Sin embargo, esto fue pensado solo como una ayuda en la migración desde Linux, no como un "principal" sistema de archivos FreeBSD 10 eliminó el soporte para XFS.

En 2009, la versión 5.4 de la distribución de Linux Red Hat Enterprise Linux (RHEL) de 64 bits contenía el soporte de kernel necesario para la creación y el uso de sistemas de archivos XFS, pero carecía de las herramientas de línea de comandos correspondientes. Las herramientas disponibles de CentOS podrían funcionar para ese propósito, y Red Hat también las proporcionó a los clientes de RHEL a pedido. RHEL 6.0, lanzado en 2010, incluye compatibilidad con XFS por una tarifa como parte del "complemento de sistema de archivos escalable" de Red Hat. Oracle Linux 6, lanzado en 2011, también incluye una opción para usar XFS.

RHEL 7.0, lanzado en junio de 2014, usa XFS como su sistema de archivos predeterminado, incluida la compatibilidad con el uso de XFS para la partición /boot, que anteriormente no era práctico debido a errores en el cargador de arranque GRUB.

Linux kernel 4.8 en agosto de 2016 agregó una nueva función, "mapeo inverso". Esta es la base para un gran conjunto de funciones planificadas: instantáneas, datos de copia en escritura (COW), deduplicación de datos, copias de reflink, depuración de metadatos y datos en línea, informes de alta precisión de pérdida de datos o sectores defectuosos, y una reconstrucción significativamente mejorada. de sistemas de archivos dañados o corrompidos. Este trabajo requirió cambios en el formato en disco de XFS.

Linux kernel 5.10, lanzado en diciembre de 2020, presentó "bigtime", para almacenar marcas de tiempo de inodo como un contador de nanosegundos de 64 bits en lugar del tradicional contador de segundos de 32 bits. Esto pospone el problema anterior del año 2038 hasta el año 2486.

Características

Capacidad

XFS es un sistema de archivos de 64 bits y admite un tamaño máximo de sistema de archivos de 8 exbibytes menos un byte (2⁶³ − 1 byte), pero las limitaciones impuestas por el sistema operativo del host pueden reducir este tamaño. límite. Los sistemas Linux de 32 bits limitan el tamaño del archivo y del sistema de archivos a 16 tebibytes.

Diario

En la informática moderna, el registro en diario es una capacidad que garantiza la coherencia de los datos en el sistema de archivos, a pesar de los cortes de energía o fallas del sistema que puedan ocurrir. XFS proporciona registro en diario para los metadatos del sistema de archivos, donde las actualizaciones del sistema de archivos se escriben primero en un diario en serie antes de que se actualicen los bloques de disco reales. El diario es un búfer circular de bloques de disco que no se lee en el funcionamiento normal del sistema de archivos.

El diario XFS se puede almacenar dentro de la sección de datos del sistema de archivos (como un registro interno) o en un dispositivo separado para minimizar la contención del disco.

En XFS, el diario contiene principalmente entradas que describen las porciones de los bloques de disco modificados por las operaciones del sistema de archivos. Las actualizaciones del diario se realizan de forma asíncrona para evitar una disminución en la velocidad de rendimiento.

En el caso de un bloqueo del sistema, las operaciones del sistema de archivos que ocurrieron inmediatamente antes del bloqueo se pueden volver a aplicar y completar como se registra en el diario, que es la forma en que los datos almacenados en los sistemas de archivos XFS se mantienen consistentes. La recuperación se realiza automáticamente la primera vez que se monta el sistema de archivos después del bloqueo. La velocidad de recuperación es independiente del tamaño del sistema de archivos, sino que depende de la cantidad de operaciones del sistema de archivos que se vuelvan a aplicar.

Grupos de asignación

Los sistemas de archivos XFS se dividen internamente en grupos de asignación, que son regiones lineales del mismo tamaño dentro del sistema de archivos. Los archivos y directorios pueden abarcar grupos de asignación. Cada grupo de asignación administra sus propios inodos y espacio libre por separado, lo que brinda escalabilidad y paralelismo para que múltiples subprocesos y procesos puedan realizar operaciones de E/S en el mismo sistema de archivos simultáneamente.

Esta arquitectura ayuda a optimizar el rendimiento de E/S paralelas en sistemas con múltiples procesadores y/o núcleos, ya que las actualizaciones de metadatos también se pueden paralelizar. La partición interna proporcionada por los grupos de asignación puede ser especialmente beneficiosa cuando el sistema de archivos abarca varios dispositivos físicos, lo que permite un uso óptimo del rendimiento de los componentes de almacenamiento subyacentes.

Asignación segmentada

Si se va a crear un sistema de archivos XFS en una matriz RAID segmentada, se puede especificar una unidad segmentada cuando se crea el sistema de archivos. Esto maximiza el rendimiento al garantizar que las asignaciones de datos, las asignaciones de inodos y el registro interno (el diario) estén alineados con la unidad de franja.

Asignación basada en la extensión

Los bloques utilizados en archivos almacenados en sistemas de archivos XFS se administran con extensiones de longitud variable donde una extensión describe uno o más bloques contiguos. Esto puede acortar considerablemente la lista de bloques, en comparación con los sistemas de archivos que enumeran todos los bloques utilizados por un archivo individualmente.

Los sistemas de archivos orientados a bloques administran la asignación de espacio con uno o más mapas de bits orientados a bloques; en XFS, estas estructuras se reemplazan con una estructura orientada a la extensión que consta de un par de árboles B+ para cada grupo de asignación del sistema de archivos. Uno de los árboles B+ está indexado por la longitud de las extensiones libres, mientras que el otro está indexado por el bloque inicial de las extensiones libres. Este esquema de indexación dual permite la asignación altamente eficiente de extensiones libres para las operaciones del sistema de archivos.

Tamaños de bloques variables

El tamaño de bloque del sistema de archivos representa la unidad de asignación mínima. XFS permite que se creen sistemas de archivos con tamaños de bloque que oscilan entre 512 bytes y 64 KB, lo que permite ajustar el sistema de archivos para el grado de uso esperado. Cuando se esperan muchos archivos pequeños, un tamaño de bloque pequeño generalmente maximizaría la capacidad, pero para un sistema que se ocupa principalmente de archivos grandes, un tamaño de bloque más grande puede proporcionar una ventaja en la eficiencia del rendimiento.

Asignación retrasada

XFS utiliza técnicas de evaluación perezosas para la asignación de archivos. Cuando un archivo se escribe en el caché del búfer, en lugar de asignar extensiones para los datos, XFS simplemente reserva la cantidad adecuada de bloques del sistema de archivos para los datos almacenados en la memoria. La asignación de bloques real ocurre solo cuando los datos finalmente se descargan en el disco. Esto mejora la posibilidad de que el archivo se escriba en un grupo contiguo de bloques, lo que reduce los problemas de fragmentación y aumenta el rendimiento.

Archivos dispersos

XFS proporciona un espacio de direcciones disperso de 64 bits para cada archivo, lo que permite tamaños de archivo muy grandes y "agujeros" dentro de archivos en los que no se asigna espacio en disco. Como el sistema de archivos utiliza un mapa de extensión para cada archivo, el tamaño del mapa de asignación de archivos se mantiene pequeño. Cuando el tamaño del mapa de asignación es demasiado grande para almacenarlo dentro del inodo, el mapa se mueve a un árbol B+ que permite un acceso rápido a los datos en cualquier lugar del espacio de direcciones de 64 bits provisto para el archivo.

Atributos extendidos

XFS proporciona múltiples flujos de datos para archivos; esto es posible gracias a su implementación de atributos extendidos. Estos permiten el almacenamiento de una serie de pares de nombre/valor adjuntos a un archivo. Los nombres son cadenas de caracteres imprimibles terminadas en nulo que tienen una longitud de hasta 256 bytes, mientras que sus valores asociados pueden contener hasta 64 KB de datos binarios.

Se subdividen en dos espacios de nombres: raíz y usuario. Los atributos extendidos almacenados en el espacio de nombres raíz solo pueden ser modificados por el superusuario, mientras que los atributos en el espacio de nombres de usuario pueden ser modificados por cualquier usuario con permiso para escribir en el archivo.

Los atributos extendidos se pueden adjuntar a cualquier tipo de inodo XFS, incluidos enlaces simbólicos, nodos de dispositivos, directorios, etc. La utilidad attr se puede usar para manipular atributos extendidos desde la línea de comando y el Las utilidades xfsdump y xfsrestore son conscientes de los atributos ampliados y realizarán una copia de seguridad y restaurarán su contenido. La mayoría de los otros sistemas de copia de seguridad no admiten el trabajo con atributos extendidos.

E/S directa

Para las aplicaciones que requieren un alto rendimiento en el disco, XFS proporciona una implementación de E/S directa que permite que las operaciones de E/S no almacenadas en caché se apliquen directamente al espacio de usuario. Los datos se transfieren entre el búfer de la aplicación y el disco mediante DMA, lo que permite el acceso a todo el ancho de banda de E/S de los dispositivos de disco subyacentes.

E/S de velocidad garantizada

El sistema de E/S de velocidad garantizada XFS proporciona una API que permite que las aplicaciones reserven ancho de banda para el sistema de archivos. XFS calcula dinámicamente el rendimiento disponible de los dispositivos de almacenamiento subyacentes y reserva ancho de banda suficiente para cumplir con el rendimiento solicitado durante un tiempo específico. Esta es una función exclusiva del sistema de archivos XFS. Las tarifas garantizadas pueden ser "duras" o "suave", que representa un compromiso entre confiabilidad y rendimiento; sin embargo, XFS solo permitirá "hard" garantiza si el subsistema de almacenamiento subyacente lo admite. Esta función se utiliza principalmente para aplicaciones en tiempo real, como transmisión de video.

La E/S de velocidad garantizada solo se admitía en IRIX y requería hardware especial para ese fin.

DMAPI

XFS implementó la interfaz DMAPI para admitir la gestión de almacenamiento jerárquico en IRIX. A partir de octubre de 2010, la implementación de XFS en Linux admitía los metadatos en disco necesarios para la implementación de DMAPI, pero, según se informa, la compatibilidad con el kernel no se podía utilizar. Durante algún tiempo, SGI alojó un árbol del kernel que incluía los ganchos DMAPI, pero este soporte no se ha mantenido adecuadamente, aunque los desarrolladores del kernel han manifestado su intención de actualizar este soporte.

Instantáneas

XFS aún no brinda soporte directo para instantáneas, ya que actualmente espera que el administrador de volúmenes implemente el proceso de instantáneas. Tomar una instantánea de un sistema de archivos XFS implica detener temporalmente la E/S en el sistema de archivos usando la utilidad xfs_freeze, hacer que el administrador de volumen realice la instantánea real y luego reanudar la E/S para continuar con las operaciones normales. Luego, la instantánea se puede montar como de solo lectura con fines de copia de seguridad.

Las versiones de XFS en IRIX incorporaron un administrador de volumen integrado llamado XLV. Este administrador de volúmenes no ha sido portado a Linux, y XFS funciona con LVM estándar en sistemas Linux en su lugar.

En los kernels de Linux recientes, la funcionalidad xfs_freeze se implementa en la capa VFS y se ejecuta automáticamente cuando se invoca la funcionalidad de instantánea del Administrador de volumen. Esta fue una vez una ventaja valiosa ya que el sistema de archivos ext3 no se podía suspender y el administrador de volumen no podía crear un archivo "caliente" instantánea para hacer una copia de seguridad de una base de datos muy ocupada. Afortunadamente esto ya no es así. Desde Linux 2.6.29, los sistemas de archivos ext3, ext4, GFS2 y JFS también tienen la función de congelación.

Desfragmentación en línea

Aunque la naturaleza basada en la extensión de XFS y la estrategia de asignación retrasada que utiliza mejora significativamente la resistencia del sistema de archivos a los problemas de fragmentación, XFS proporciona una utilidad de desfragmentación del sistema de archivos (xfs_fsr, abreviatura de reorganizador del sistema de archivos XFS) que puede desfragmentar los archivos en un sistema de archivos XFS montado y activo.

Crecimiento en línea

XFS proporciona la utilidad xfs_growfs para realizar la expansión en línea de los sistemas de archivos XFS. Los sistemas de archivos XFS pueden crecer siempre que quede espacio sin asignar en el dispositivo que contiene el sistema de archivos. Esta función generalmente se usa junto con la administración de volumen, ya que, de lo contrario, la partición que contiene el sistema de archivos deberá ampliarse por separado.

Desventajas

• Los sistemas de archivos XFS no pueden (a partir de julio de 2022) ser reducidos, aunque se han discutido varias posibles soluciones de trabajo.
• Las operaciones de metadatos en XFS fueron más lentas en comparación con los sistemas de archivos de revistas implementados más tarde y diseñados para trabajar con registros mucho más grandes, lo que dio lugar, por ejemplo, a un rendimiento más lento con operaciones como deleciones de grandes cantidades de archivos. Sin embargo, una nueva función XFS implementada por John Nelson y llamada retrasos en el registro, disponible desde la versión 2.6.39 de la línea principal del kernel de Linux, se dice que resolver esto; los parámetros de rendimiento realizados por el desarrollador en 2010 revelaron niveles de rendimiento para ser similares a ext4 en los recuentos bajos de hilos, y superior en altos recuentos de hilo.
• La publicación no puede desactivarse. Sin embargo, XFS puede escribir a una revista externa en un dispositivo de bloque separado.