21.2. Das Z-Dateisystem (ZFS)
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## 21.2. Das Z-Dateisystem (ZFS)

Das Z-Dateisystem ist eine neue von Sun™ entwickelte Technologie, mit dem Konzept einer gepoolten Speichermethodik. Das bedeutet, dass Speicher nur verwendet wird, wenn dieser als Datenspeicher benutzt wird. ZFS wurde auch für maximale Datenintegrität entwickelt und unterstützt dabei mehrfache Kopien, Schnappschüsse und Prüfsummen für Daten. Ein neues Datenreplikationsmodell, bekannt als RAID-Z, wurde ebenfalls hinzugefügt. Das RAID-Z-Modell ist ähnlich zu RAID5, wurde aber mit dem Ziel entworfen, Datenverfälschung beim Schreiben zu verhindern.

### 21.2.1. ZFS Einstellungen

Das ZFS-Teilsystem benötigt viele Systemressourcen, weshalb gewisse Einstellungen notwendig sind, um maximale Effizienz während des täglichen Gebrauchs zu gewährleisten. Da es sich um eine experimentelle Funktion in FreeBSD handelt, wird sich das in naher Zukunft ändern. Wie dem auch sei, zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird die Anwendung der folgenden Schritte empfohlen.

#### 21.2.1.1. Hauptspeicher

Der verfügbare Hauptspeicher im System sollte mindestens 1 Gigabyte betragen, jedoch werden 2 Gigabyte oder mehr empfohlen. In allen gezeigten Beispielen in diesem Abschnitt verwendet das System 1 Gigabyte Hauptspeicher mit mehreren anderen Einstellungen.

Manche Nutzer hatten Erfolg bei der Verwendung von weniger als 1 GB Hauptspeicher, aber mit dieser begrenzten Menge an RAM ist es sehr wahrscheinlich, dass FreeBSD eine Panic wegen erschöpftem Hauptspeicher erleiden wird, wenn es hohen Belastungen ausgesetzt ist.

#### 21.2.1.2. Kernelkonfiguration

Es wird vorgeschlagen, nicht benötigte Treiber und Optionen aus der Kernelkonfigurationsdatei zu entfernen. Da die meisten Geräte als Module verfügbar sind, können diese einfach mittels der Datei `/boot/loader.conf` geladen werden.

Nutzer der i386™-Architektur sollten die folgende Option in ihrer Kernelkonfigurationsdatei hinzufügen, den Kernel neu erstellen und anschliessend das System neustarten:

options KVA_PAGES=512

Diese Option wird den Adressraum des Kernels vergrössern, was es ermöglicht, die Einstellung `vm.kvm_size` über die momentan verhängte Grenze von 1 GB (2 GB für PAE) zu erhöhen. Um den passenden Wert dieser Option zu ermitteln, teilen Sie den gewünschten Adressraum in Megabyte durch vier. In diesem Fall beträgt er `512` für 2 GB.

#### 21.2.1.3. Einstellungen des Loaders

Der `kmem`-Addressraum sollte auf allen FreeBSD-Architekturen erhöht werden. Die folgende Option, die dem Testsystem mit einem Gigabyte Hauptspeicher der Datei `/boot/loader.conf` hinzugefügt und welches anschliessend neu gestartet wurde, war erfolgreich:

vm.kmem_size="330M" vm.kmem_size_max="330M" vfs.zfs.arc_max="40M" vfs.zfs.vdev.cache.size="5M"

Eine detailliertere Liste von Vorschlägen zu ZFS-verwandten Einstellungen finden Sie unter http://wiki.freebsd.org/ZFSTuningGuide.

### 21.2.2. Verwenden von ZFS

Es existiert ein Startmechanismus, der es FreeBSD erlaubt, ZFS als Pool während des Systemstarts zu initialisieren. Um das zu tun, geben Sie die folgenden Befehle ein:

`#` `echo 'zfs_enable="YES"' >> /etc/rc.conf` `#` `/etc/rc.d/zfs start`

Für den Rest dieses Dokuments wird angenommen, dass drei SCSI-Platten im System verfügbar sind und dass deren Gerätenamen ``da0``, ``da1`` und ``da2`` lauten. Benutzer von IDE-Hardware können ``ad``-Geräte an Stelle von SCSI-Hardware einsetzen.

#### 21.2.2.1. Pool mit nur einer Platte

Um ein einfaches, nicht-redundantes ZFS auf einer einzelnen Festplatte zu erstellen, benutzen Sie das `zpool`-Kommando:

`#` `zpool create example /dev/da0`

Um den neuen Pool anzusehen, überprüfen Sie die Ausgabe von `df`:

`#` `df` Filesystem 1K-blocks Used Avail Capacity Mounted on /dev/ad0s1a 2026030 235230 1628718 13% / devfs 1 1 0 100% /dev /dev/ad0s1d 54098308 1032846 48737598 2% /usr example 17547136 0 17547136 0% /example

Diese Ausgabe zeigt deutlich, dass der `example`-Pool nicht nur erstellt, sondern auch gemountet wurde. Er ist genau wie andere Dateisysteme verfügbar, Dateien können darin erstellt und von den Benutzern aufgelistet werden, wie im folgenden Beispiel gezeigt wird:

`#` `cd /example` `#` `ls` `#` `touch testfile` `#` `ls -al` total 4 drwxr-xr-x 2 root wheel 3 Aug 29 23:15 . drwxr-xr-x 21 root wheel 512 Aug 29 23:12 .. -rw-r--r-- 1 root wheel 0 Aug 29 23:15 testfile

Leider verwendet dieser Pool keine der Vorteile der ZFS-Eigenschaften. Erstellen Sie ein Dateisystem auf diesem Pool und aktivieren Sie die Komprimierung darauf:

`#` `zfs create example/compressed` `#` `zfs set compression=gzip example/compressed`

Jetzt ist `example/compressed` ein von ZFS komprimiertes Dateisystem. Versuchen Sie, ein paar grosse Dateien in das Verzeichnis `/example/compressed` zu kopieren.

Die Komprimierung kann jetzt deaktiviert werden mittels:

`#` `zfs set compression=off example/compressed`

Um das Dateisystem aus dem Verzeichnisbaum abzuhängen, geben Sie den folgenden Befehl ein und vergewissern Sie sich über `df` vom Erfolg dieser Aktion:

`#` `zfs umount example/compressed` `#` `df` Filesystem 1K-blocks Used Avail Capacity Mounted on /dev/ad0s1a 2026030 235232 1628716 13% / devfs 1 1 0 100% /dev /dev/ad0s1d 54098308 1032864 48737580 2% /usr example 17547008 0 17547008 0% /example

Mounten Sie das Dateisystem erneut, um es wieder verfügbar zu machen und bestätigen Sie mit `df`:

`#` `zfs mount example/compressed` `#` `df` Filesystem 1K-blocks Used Avail Capacity Mounted on /dev/ad0s1a 2026030 235234 1628714 13% / devfs 1 1 0 100% /dev /dev/ad0s1d 54098308 1032864 48737580 2% /usr example 17547008 0 17547008 0% /example example/compressed 17547008 0 17547008 0% /example/compressed

Der Pool und das Dateisystem können genausogut über die Ausgabe von `mount` überwacht werden:

`#` `mount` /dev/ad0s1a on / (ufs, local) devfs on /dev (devfs, local) /dev/ad0s1d on /usr (ufs, local, soft-updates) example on /example (zfs, local) example/data on /example/data (zfs, local) example/compressed on /example/compressed (zfs, local)

Wie zu beobachten ist, können ZFS-Dateisysteme nach deren Erstellung genauso wie normale Dateisysteme verwendet werden, jedoch sind auch noch viele andere Eigenschaften verfügbar. Im folgenden Beispiel wird ein neues Dateisystem, `data`, erstellt. Wichtige Dateien sollen hier gespeichert werden, weshalb das Dateisystem angewiesen wird, jeweils zwei Kopien jedes Datenblocks zu unterhalten:

`#` `zfs create example/data` `#` `zfs set copies=2 example/data`

Es ist nun möglich, den Speicherplatzverbrauch der Daten mittels `df` erneut zu betrachten:

`#` `df` Filesystem 1K-blocks Used Avail Capacity Mounted on /dev/ad0s1a 2026030 235234 1628714 13% / devfs 1 1 0 100% /dev /dev/ad0s1d 54098308 1032864 48737580 2% /usr example 17547008 0 17547008 0% /example example/compressed 17547008 0 17547008 0% /example/compressed example/data 17547008 0 17547008 0% /example/data

Beachten Sie, dass jedem Dateisystem des Pools die gleiche Menge an Speicher zur Verfügung steht. Das ist der Grund für die Verwendung von `df` in all diesen Beispielen, da es zeigt, dass das Dateisystem nur den Speicher belegt, den es auch benötigt und alles wird von dem gleichen Pool abgezogen. ZFS macht Konzepte wie Volumen und Partitionen überflüssig und erlaubt mehrere Dateisysteme auf demselben Pool. Zerstören Sie die Datensysteme und anschliessend den Pool, da sie nicht länger gebraucht werden:

`#` `zfs destroy example/compressed` `#` `zfs destroy example/data` `#` `zpool destroy example`

Festplatten werden mit der Zeit schlechter und fallen aus, eine unvermeidliche Tatsache. Wenn diese Platte ausfällt, sind die Daten verloren. Eine Möglichkeit, diesen Datenverlust beim Plattenausfall zu vermeiden, ist die Verwendung von RAID. ZFS unterstützt diese Eigenschaft im Entwurf seiner Pools und wird im nächsten Abschnitt behandelt.

#### 21.2.2.2. ZFS RAID-Z

Wie zuvor bereits erwähnt, wird in diesem Abschnitt angenommen, dass drei SCSI-Geräte vorhanden sind (`da0`, `da1` und `da1` bzw. `ad0` und so weiter, falls IDE-Platten verwendet werden). Um einen RAID-Z Pool zu erstellen, geben Sie das folgende Kommando ein:

`#` `zpool create storage raidz da0 da1 da2`

### Anmerkung:

Sun™ empfiehlt, dass die Anzahl von Geräten in einer RAID-Z Konfiguration drei bis neun beträgt. Falls Ihre Anforderungen unbedingt einen einzelnen Pool, bestehend aus zehn oder mehr Platten, erfordern, sollten Sie überlegen, diesen in kleinere RAID-Z Gruppen aufzuteilen. Sollten Sie nur zwei Platten zur Verfügung haben und trotzdem Redundanz benötigen, ziehen Sie den Einsatz der ZFS-Mirror (Spiegel) Fähigkeiten in Betracht. Lesen Sie die zpool(8) Manualpage, um mehr darüber zu erfahren.

Der `storage`-zPool sollte jetzt erstellt worden sein. Sie können das überprüfen, indem Sie die Befehle mount(8) und df(1) wie zuvor verwenden. Weitere Plattenspeicher können an das Ende der oben stehenden Liste hinzugefügt werden. Erstellen Sie ein neues Dateisystem in dem Pool, `home` genannt, in dem später Dateien von Benutzern platziert werden:

`#` `zfs create storage/home`

Nun kann die Komprimierung aktiviert und zusätzliche Kopien der Benutzerverzeichnisse und der darin enthaltenen Dateien angelegt werden. Dies geschieht über die gleichen Befehle wie bereits zuvor:

`#` `zfs set copies=2 storage/home` `#` `zfs set compression=gzip storage/home`

Um dieses Verzeichnis als neues Benutzerverzeichnis zu verwenden, kopieren Sie die Nutzerdaten dort hin und erstellen Sie die entsprechenden Symlinks:

`#` `cp -rp /home/* /storage/home` `#` `rm -rf /home /usr/home` `#` `ln -s /storage/home /home` `#` `ln -s /storage/home /usr/home`

Anwender sollten jetzt ihre Daten in dem neu angelegten `/storage/home` Dateisystem auffinden. Prüfen Sie das, indem Sie einen neuen Benutzer hinzufügen und sich als dieser Benutzer am System anmelden.

Versuchen Sie, einen Schnappschuss anzulegen, der später wieder zurückgerollt werden kann:

`#` `zfs snapshot storage/home@08-30-08`

Beachten Sie, dass die Schnappschuss-Option nur auf echte Dateisysteme, jedoch nicht auf Verzeichnisse oder eine Datei angewendet werden kann. Das `@`-Zeichen dient als Begrenzer zwischen dem Dateisystem- oder Volumenamen. Wenn ein Benutzerverzeichnis zerstört wird, können Sie es über den folgenden Befehl wieder herstellen:

`#` `zfs rollback storage/home@08-30-08`

Um eine Liste von allen verfügbaren Schnappschüssen zu erhalten, starten Sie das `ls`-Kommando in Verzeichnis `.zfs/snapshot` des entsprechenden Dateisystems. Beispielsweise können Sie den vorhin angelegten Schnappschuss mit dem folgenden Befehl auflisten:

`#` `ls /storage/home/.zfs/snapshot`

Es ist möglich ein Skript zu schreiben, dass monatliche Schnappschüsse der Nutzerdaten anlegt. Allerdings werden die Schnappschüsse mit der Zeit eine grosse Menge an Speicherplatz einnehmen. Den vorherigen Schnappschuss können Sie über das folgende Kommando löschen:

`#` `zfs destroy storage/home@08-30-08`

Nach all diesen Tests gibt es keinen Grund, das Verzeichnis `/storage/home` noch länger in seinem momentanen Zustand zu belassen. Ernennen Sie es zum echten `/home`-Dateisystem:

`#` `zfs set mountpoint=/home storage/home`

Die Eingabe der Befehle `df` und `mount` zeigt, dass das System das Dateisystem nun als das echte `/home` behandelt:

`#` `mount` /dev/ad0s1a on / (ufs, local) devfs on /dev (devfs, local) /dev/ad0s1d on /usr (ufs, local, soft-updates) storage on /storage (zfs, local) storage/home on /home (zfs, local) `#` `df` Filesystem 1K-blocks Used Avail Capacity Mounted on /dev/ad0s1a 2026030 235240 1628708 13% / devfs 1 1 0 100% /dev /dev/ad0s1d 54098308 1032826 48737618 2% /usr storage 26320512 0 26320512 0% /storage storage/home 26320512 0 26320512 0% /home

Damit ist die RAID-Z-Konfiguration abgeschlossen. Um über den Status des Dateisystems mittels des nächtlichen periodic(8)-Skripts auf dem Laufenden gehalten zu werden, geben Sie das folgende Kommando ein:

`#` `echo 'daily_status_zfs_enable="YES"' >> /etc/periodic.conf`

#### 21.2.2.3. Wiederherstellung von RAID-Z

Jedes Software-RAID besitzt Verfahren, um dessen `Zustand` zu überwachen. ZFS ist da keine Ausnahme. Der Status von RAID-Z Geräten kann mittels des folgenden Kommandos betrachtet werden:

`#` `zpool status -x`

Wenn alle Pools gesund sind und alles normal ist, wird die folgende Nachricht zurückgegeben:

all pools are healthy

Wenn ein Problem existiert (möglicherweise ist eine Platte ausgefallen), wird der Zustand des Pools ähnlich dem Folgenden ausgegeben:

pool: storage state: DEGRADED status: One or more devices has been taken offline by the administrator. Sufficient replicas exist for the pool to continue functioning in a degraded state. action: Online the device using 'zpool online' or replace the device with 'zpool replace'. scrub: none requested config: NAME STATE READ WRITE CKSUM storage DEGRADED 0 0 0 raidz1 DEGRADED 0 0 0 da0 ONLINE 0 0 0 da1 OFFLINE 0 0 0 da2 ONLINE 0 0 0 errors: No known data errors

Das bedeutet, dass das Gerät vom Systemadministrator abgeschaltet wurde. In diesem Fall trifft das zu. Um eine Platte abzuschalten, wurde das folgende Kommando eingegeben:

`#` `zpool offline storage da1`

Es ist jetzt möglich, `da1` zu ersetzen, nachdem das System ausgeschaltet wurde. Wenn das System wieder läuft, kann der folgende Befehl benutzt werden, um die Platte zu ersetzen:

`#` `zpool replace storage da1`

Von da an kann der Status erneut überprüft werden, jedoch dieses Mal ohne die Option `-x`, um die Zustandsinformation zu bekommen:

`#` `zpool status storage` pool: storage state: ONLINE scrub: resilver completed with 0 errors on Sat Aug 30 19:44:11 2008 config: NAME STATE READ WRITE CKSUM storage ONLINE 0 0 0 raidz1 ONLINE 0 0 0 da0 ONLINE 0 0 0 da1 ONLINE 0 0 0 da2 ONLINE 0 0 0 errors: No known data errors

Wie in diesem Beispiel gezeigt, scheint alles wieder normal zu sein.

#### 21.2.2.4. Datenüberprüfung

Wie bereits erwähnt, verwendet ZFS `Prüfsummen`, um die Integrität der gespeicherten Daten zu verifizieren. Die Prüfsummen werden automatisch beim Erstellen des Dateisystem aktiviert und können über den folgenden Befehl deaktiviert werden:

`#` `zfs set checksum=off storage/home`

Das ist jedoch kein schlauer Einfall, da die Prüfsummen nur ganz wenig Speicherplatz einnehmen und viel nützlicher sind, wenn Sie aktiviert bleiben. Es scheint auch kein nennenswerter Ressourcenverbrauch mit deren Aktivierung verbunden zu sein. Wenn die Prüfsummen aktiv sind, kann ZFS die Datenintegrität über den Vergleich der Prüfsummen gewährleisten. Dieser Prozess wird als „reinigen“ bezeichnet. Um die Datenintegrität des `storage`-Pools zu überprüfen, geben Sie den folgenden Befehl ein:

`#` `zpool scrub storage`

Dieser Prozess kann einige Zeit in Anspruch nehmen, abhängig davon, wieviele Daten gespeichert sind. Es handelt sich dabei auch um eine I/O-intensive Aktion, weshalb auch jeweils nur eine dieser Operationen durchgeführt werden darf. Nachdem die Reinigung abgeschlossen ist, wird der Status aktualisiert und kann über eine Statusabfrage eingesehen werden:

`#` `zpool status storage` pool: storage state: ONLINE scrub: scrub completed with 0 errors on Sat Aug 30 19:57:37 2008 config: NAME STATE READ WRITE CKSUM storage ONLINE 0 0 0 raidz1 ONLINE 0 0 0 da0 ONLINE 0 0 0 da1 ONLINE 0 0 0 da2 ONLINE 0 0 0 errors: No known data errors

Die Zeit des Abschlusses der Aktion kann in diesem Beispiel direkt abgelesen werden. Die Prüfsummen helfen dabei, sicherzustellen, dass die Datenintegrität über einen langen Zeitraum hinaus erhalten bleibt.

Es gibt viele weitere Optionen für das Z-Dateisystem, lesen Sie dazu die Manualpage zfs(8) und zpool(8).

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