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Btrfsの基礎 part1 機能編

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This document is the basic introduction to Btrfs, the next generation linux file system. It covers Btrfs's basic concept and important features. It contains many figures to make it easy for readers to understand this file system.

Publié dans : Technologie
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Btrfsの基礎 part1 機能編

  1. 1. Copyright 2014 FUJITSU LIMITED Btrfsの基礎 - part1. 機能編 - 2014年9月17日 Satoru Takeuchi Linux Development Div. Fujitsu LTD.
  2. 2. 目次 はじめに 概要 基本設計 機能紹介 1 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  3. 3. はじめに 前提知識  Linux上でXFS, ext4の使用経験あり  btreeの知識[1] 説明方針  設計(data構造とalgorithmの概要)の説明を重視 • それさえわかれば、codeの詳細は一目瞭然 • 一般的&重要な機能に絞って、簡単なものから一つずつ  一度にたくさん詰め込んで説明しない 調査に使用したkernel version  3.16 2 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  4. 4. 概要 Linuxの次世代main streamになる予定のfile system  ZFSの影響を受けており、機能も類似(equalではない。UIも異なる) 主な特長  XFSやext4より高信頼な設計 • CoW形式のdata更新、checksum, RAID構成  XFSと同等のscalability(最大file/file system sizeは16EiB。XFSは8EiB) • 性能は発展途上(改善中)  LVMのようなvolume management機能 • snapshot採取 • file systemへのpartition/deviceのonline追加/削除/置換 • LVMより運用が容易、かつ高速 3 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  5. 5. 基本設計 中心技術  btreeを核とした媒体構造  Copy on Write(CoW)型のfile更新 既存dataの更新処理を例に、高信頼性を説明  比較対象: 一般的なoverride型のfile更新: ext4, XFSなどが採用 • 詳細は説明しないがmetadata journalingが有効とする 4 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  6. 6. やりたいこと 注意: 以下はあくまで概念図。正確なdata構造とは異な る(これ以降の図も同様) 5 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED この2つのdataを更新したい
  7. 7. やりたいこと: 付随作業 6 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data この2つのdataを更新したい 関連するmetadataも 要更新
  8. 8. override型: 更新前の状態 7 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data この2つのdataを更新したい
  9. 9. override型: 更新 8 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data 既存dataを上書き(override)して更新
  10. 10. override型: 更新中の障害発生 ここでkernel panicが発生したらどうなるか? 9 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data 更新済 未更新
  11. 11. override型: 障害発生後の復旧 metadata: journalingによって更新前後いずれかの整合 性のとれた状態を保証 data: 更新中の中途半端な状態になりうる 10 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data 更新前の状態 更新中の中途半端な状態
  12. 12. CoW型: 更新前の状態 11 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data この2つのdataを更新したい 関連するmetadataも 要更新
  13. 13. CoW型: 更新用copyの作成 まず変更予定sub treeのcopyを作成  root nodeを除く 12 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  14. 14. CoW型: copyを更新 copyした領域を更新 13 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  15. 15. CoW型: pointer張り替え root nodeのpointerを張り替えれば終了 参照されなくなった古いsub treeは後ほど非同期に廃棄 14 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  16. 16. CoW型: 更新中の障害発生 ここでkernel panicが発生したらどうなるか? 15 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  17. 17. CoW型: 障害発生後の復旧 元のtree構造は全く変化なし  data, metadata共に整合性を保証 作成途中のsub treeは後ほど非同期に廃棄 16 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED 後で捨てる 元の状態
  18. 18. 実例: overwrite型 vs CoW型 1,000回の強制電源断testの結果[2]  Btrfs: 一切問題発生せず  ext4(ordered mode): metadata破壊によりdisk full状態に • なぜかmetadataが壊れているが… 17 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  19. 19. 高信頼化用の更なる仕組み RAID構成  file system levelで実施  管理単位はbtreeのnode, およびdata extent(詳細は媒体構造編を参照)  checksum: 全metadata,dataのchecksumを管理  管理単位はRAID構成のときと同じ  read/write時&user指定時(scrub command発行時)に整合性check  不整合検出時の対処 • mirroringあり(RAID1, RAID10): 正しいchecksumを持つ別のdata copyを元に正し いdataを復元 • mirroringなし: 不整合検出dataをfile systemから切り離し 18 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  20. 20. 機能説明 次のcategoryに分けて説明  基本機能  volume管理機能  耐障害機能  復旧用機能 重要な機能に絞って説明  詳細はmanを参照 19 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  21. 21. 基本機能 作成/mount 状態確認 透過的data圧縮 SSD向け最適化 20 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  22. 22. 作成/mount 任意の個数のdeviceから作成可能  各deviceのsize, 性能、種類(HDD or SSD)は同程度のものにしておくほうが 無用なtroubleを回避可能 使用方法  単一deviceから作成: mkfs.btrfs [<options>] <device>  複数deviceから作成: mkfs.btrfs [<options>] <device list>  mount: mount -o <options> <device> • mount時に指定したdevice listの中から任意のdeviceを指定可能 • 他のdeviceの情報は自動検出 21 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  23. 23. 状態確認 file systemの様々な状態を確認 使い方  label, uuid, device構成情報など: btrfs filesystem show <path>  diskの空き領域: btrfs filesystem df <device> <path> • 詳細は後述 • [注意] 通常のdf commandは使用不可(結果が信用できない)  device構成情報: btrfs device status <path> 22 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  24. 24. 透過的data圧縮 storageへのI/O前の圧縮/伸張によりI/O高速化&storage 使用量削減  CPU intensiveなsystemよりI/O intensiveなsystemで真価を発揮  組み込みCPUなどの低速なCPUでは性能劣化の可能性も  適用可否の判断には要性能測定 使用できるmode  no(default), lzo, zlib: 右側ほど圧縮に長時間を要するが、高圧縮率 使用方法(file system全体): mount optionにより指定  compress=<lzo|zlib>: 圧縮率が悪ければ圧縮しない  compress-force=<lzo|zlib>: 圧縮率が悪くても強制圧縮 使用方法(個々のfile): chattrにより指定 23 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  25. 25. 透過的data圧縮の流れ: write 24 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED user buffer storage データ 圧縮後のデータデータ 1) データのcopy 2) 圧縮&書き込み page cache Userは圧縮の有無を認識しない 計算量は増加 storageへのデータ転送量縮小 => I/O高速化 => storage利用効率向上
  26. 26. 透過的data圧縮の流れ: read 25 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED user buffer storage データ 圧縮後のデータデータ 2) データのcopy 1) 展開&読み出し page cache Userは圧縮の有無を認識しない 計算量は増加 storageへのデータ転送量縮小 => I/O高速化 => storage利用効率向上
  27. 27. SSD向け最適化 SSDの特性を考慮した動作論理に変更 使い方: mount optionによって指定  SSD向け最適化: <ssd|nossd> optionによって有効化/無効化 • 明に指定しなくてもmount時に自動検出可能  TRIM/discard: <discard|nodiscard> optionによって有効化/無効化 • 未使用領域をdeviceに通知し、容量削減&deviceの長寿命化 • SSD以外にも、VM imageやthin provisioning deviceの容量削減にも有用 • 性能劣化する場合もあるので、使用可否の判断には要性能測定  低速なSSD向け最適化: ssd_spread option(暗にssdも有効化される) • 大きな領域から優先的に空き領域を獲得 • server向けのSSDの場合、controllerが優秀なので、多分不要 26 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  28. 28. volume管理機能 device追加/削除/置換 balance subvolume snapshot quota 27 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  29. 29. device追加/削除/置換 既存のbtrfsにonlineでdeviceを追加/削除/置換  注意: 削除時はbtree構造の再構成処理(balance処理。後述)が強制動作 使い方  追加: btrfs device add <device> <path>  削除: btrfs device delete <device> <path>  置換: <old>のdataを<new>にcopy後、treeのpointerを切り替え  開始: btrfs replace start <old> <new> <path>  進捗確認: btrfs replace status <path>  中止: btrfs replace cancel <path> 28 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  30. 30. 追加処理の概念図 初期状態: /dev/sda, /dev/sdbから成るfile system  mount point: /btrfs/mnt/pnt 29 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体
  31. 31. device追加commandの発行 Btrfsのvolumeに/dev/sdcを追加  command: btrfs device add /dev/sdc /btrfs/mnt/pnt 30 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  32. 32. 新規deviceを使用 新規領域は、次回書き込み発生時から使用 31 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc 例: 新規file作成
  33. 33. 削除処理の概念図 初期状態: /dev/sda, /dev/sdb, /dev/sdc から成るBtrfs  mount point: /btrfs/mnt/pnt 32 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  34. 34. device削除commandの発行 Btrfsのvolumeから/dev/sdcを削除  command: btrfs device delete /dev/sdc 33 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc これを削除
  35. 35. 削除deviceのdata copy /dev/sdc内のdataをすべて、/dev/sdaか/dev/sdcに copy(後述のbalance処理) 34 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc copy
  36. 36. pointer張り替え 削除対象deviceからその他deviceにpointerを張り替え 35 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc pointer張り替え
  37. 37. 削除deviceの切り離し 削除deviceをBtrfsのvolumeから切り離せば終了  途中で失敗しても元のtreeはそのまま残っているので問題なし 36 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  38. 38. 置換処理の概念図 初期状態: /dev/sda, /dev/sdbから成るfile system  mount point: /btrfs/mnt/pnt 37 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体
  39. 39. device置換commandの発行 Btrfsのvolumeの/dev/sdbを/dev/sdcに置換  command: btrfs device replace /dev/sdb /dev/sdc /btrfs/mnt/pnt 38 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  40. 40. 置換deviceのdataをcopy /dev/sdb内のsub treeを/dev/sdcにcopy 39 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc subtreeをcopy
  41. 41. pointerの張り替え 置換元deviceへのpointerを置換先deviceに張り替え 40 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc張り替え
  42. 42. 置換元deviceの切り離し これで完了  途中で失敗しても、元のtreeはそのまま残っているので問題なし 41 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  43. 43. balance device間でのdata格納量の平準化  性能特性の平準化を期待  device追加直後は、balanceを推奨 • 追加前から存在したdevice: dataが存在 • 追加したdevice: dataがほぼ存在しない(後述のsuper blockのみ)  balance中にumount, crashすると、次回mount時に再開 使い方  開始: btrfs balance start <path>  進捗確認: btrfs balance status <path>  中断: btrfs balance pause <path>  再開: btrfs balance resume <path>  中止: btrfs balance cancel <path> 42 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  44. 44. balanceの概念図 /dev/sda, /dev/sdbから成るBtrfsへの/dev/sdc追加直後  mount pointは/btrfs/mnt/pnt 43 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc • 全く使用していない • 性能ばらつき発生の可能性あり
  45. 45. balance commandの発行 Btrfsのtree構造不均衡を解消  command: btrfs balance start /btrfs/mnt/pnt 44 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc
  46. 46. dataのcopy 全deviceのdata使用量がbalanceするよう、balance後 のtreeを構築 45 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc copy
  47. 47. pointerの張り替え 46 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc 張り替え
  48. 48. data copy(繰り返し) balance完了していなければ、同様の処理を繰り返す 47 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc copy
  49. 49. pointer張り替え(繰り返し) 48 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc 張り替え
  50. 50. balanceの完了 device間のdata量が均衡すれば、終了  途中で失敗しても中途半端な状態は見えない 49 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED /dev/sda /dev/sdb Btrfsのvolume全体 /dev/sdc 後で解放 後で解放
  51. 51. subvolume file system内に作成する、個別のfile systemとして mountできる領域  Btrfsの様々な操作(後述のsnapshot, quota)はsubvolume単位で行う  bind mountとの違い • Subvolumeごとに独立したinode namespaceを保持 • Subvolumeのmount前にfile system rootをmountしておく必要は無い • 例: subvolumeをsystem volumeに設定可能  mount optionは共通(初回mountのものに合わせられる) 使い方  生成: btrfs subvolume create <path>  削除: btrfs subvolume delete <path>  全subvolumeの列挙: btrfs subvolume list <path>  特定subvolumeの情報表示: btrfs subvolume show <path>  mount: mount -o subvol=<subvol path> <path> 50 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  52. 52. snapshot root tree or subvolume(or snapshot)のcopy  subvolumeの一種。subvolumeに対するcommandを全て適用可能  更新時はCoWによって、更新したdataのみcopyされる  read onlyのsnapshotも作成可能 metadataだけのcopyなので、full copyに比べて高速に 作成可能  注意: backupとsnapshotは異なる • 共有dataが壊れれば関連snapshotのdataは全て影響を受ける 使い方  生成: btrfs subvolume snapshot [-r] <src> <dest> • -rを指定するとreadonly。指定しなければreadwrite  削除: btrfs subvolume delete <path> 51 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  53. 53. snapshotの概念図 初期状態: 以下のようなfile system treeが存在  mount point: /btrfs/mnt/pnt  pwd: 同上 52 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED metadata data file systemのroot subvolume “foo” のroot
  54. 54. snapshot採取command コマンド: btrfs subvolume snapshot foo bar 53 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED ここ(foo)のsnapshotを採取したい
  55. 55. metadataのcopy fooのmetadataをcopy 54 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED copy
  56. 56. pointerを張る copy先dataからfooのdataへのpointerを張る 55 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  57. 57. file system treeからのpointerを張る file system treeのrootからbarへのpointerを張り、完了  data copyは不要なので、通常のcopyよりも高速 56 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED 以後”/bar”として認識される
  58. 58. snapshot更新時の挙動 例: /bar以下のfileのdataを更新 57 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED / /foo /bar ここを更新
  59. 59. snapshot更新時の挙動: CoW 更新領域のみcopy, 更新、pointer張り替え  元subvolume(foo)には影響なし 58 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED copy 張り替え / /foo /bar
  60. 60. file単位のsnapshot subvolume単位ではなくfile単位のsnapshotを作成可能  新たにinodeを作成 • dataを共有、metadataは新規作成 • data更新時はCoWにより、更新した領域だけ新規copyを作成 使い方: 同じsubvolume内にあることが基本  作成: cp --reflink <src> <dst> 59 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  61. 61. quota subvolume単位でstorageの使用量を制限  XFSのgroup/project quotaに類似  quota制限付きのsubvolumeをquota group(qgroup)と呼ぶ  qgroupの親子関係を作成可能 • 親qgroupの制限を子qgroupにも継承 • 注意: 親子関係はfile system tree上のsubvolumeの親子関係と独立 使い方  有効/無効: btrfs quota <enable|disable> # defaultはdisable  qgroupに制限値を設定: btrfs qgroup <size|none> <path>  全qgroupの列挙: btrfs qgroup show  qgroup間の親子関係を作成: btrfs qgroup assign <src> <dst> <path>  qgroup間の親子関係を削除: btrfs qgroup remove <src> <dst> <path> 60 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  62. 62. 耐障害機能 RAID data整合性check&修正 61 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  63. 63. RAID: 機能説明 file system levelのRAID  data, metadata両方について別々に指定 使用可能な構成  single: 冗長化, stripingなし  dup: 同じdeviceの中に2つcopy • single device構成のmetadataの場合のみ使用可能  RAID0, RAID1, RAID10, RAID5, RAID6 • RAID1, RAID10: mirroring数はdevice数によらず2 • LVMの挙動(device数に応じてmirroring数を増加可能)と異なる • RAID5/6: scrubとreplaceが使用不可 • 鋭意開発中、近日修正見込み 62 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  64. 64. RAID: default値と設定方法 default値  単一device構成: data=single, metadata=dup(HDD) or single(SSD) • SSDは、controllerによる同一内容blockのdedupによってdupが無意味な場合あり  複数device構成: data=RAID0, metadata=RAID1 使い方: mkfs.btrfsの optionに指定  metadata: -m <single|dup|raid0|raid1|raid10|raid5|raid6> • dupは単一deviceの場合のみ指定可能  data: -d <single|raid0|raid1|raid10|raid5|raid6> 63 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  65. 65. data整合性check&修正 全fileのdata/metadataを走査して、checksumの整合性 check  mirroringあり: data修復  mirroringなし: file systemから該当dataを切り離し 使い方  開始: btrfs scrub start <path>  進捗確認: btrfs scrub status <path>  停止: btrfs scrub cancel <path>  再開: btrfs scrub resume <path> 64 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  66. 66. 復旧用機能 backup/restore mount options 修復機能 障害解析機能 65 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  67. 67. 前提知識: 復旧のために推奨される運用 通常運用: 定期的なbackup採取 kernel panic or file system不整合発生  File systemの復旧 1. 通常通りmountを試行。成功すれば完了。失敗すれば2へ 2. 「復旧時に使用するmount option」を試行。成功すれば完了。失敗すれば3へ 3. 「restore」or「修復機能」を試行  原因究明 • 「障害解析機能」を用いて原因究明と再発防止 66 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  68. 68. backup/restore file system levelのbackup,restore  ddやcp –aを使うよりも高速なbackupが可能  subvolume単位で採取可能  差分backup/restoreも可能 想定される用途  定期的にbackupを採取(full backup/週、差分backup/日)  file system不整合発生時にbackupからfile systemを復旧 使い方  backup採取: btrfs send <subvol> • 通常は事前に採取したread only snapshotに対して実施  backupからfile systemを復元: btrfs receive <target mount point> 67 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  69. 69. mount options  “skip_balance” option  仕掛中のbalance処理をmount時に再開しない  balanceのbugによる異常発生後のmountに有用 • これを指定しないと、再度同じbugによる問題が発生する可能性あり  “recovery” option  file system内部に持つbackup dataを使ってmountを試行  障害発生後のmount失敗時に使用  “degraded” option  RAID構成に必要な数のdeviceが存在しない場合に指定  特定deviceが壊れた際などに使用  mount後にdevice構成の修復が必要 68 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  70. 70. 修復機能 file system の整合性をofflineでcheck&可能な限り修復 使い方  壊れたfile systemからfileを可能な限り復旧: btrfs restore <device>  壊れたsuper blockを復元: btrfs rescue super-recover <device>  壊れたchunk tree(後述)を復元: btrfs rescue chunk-recover <device>  file systemの整合性check&修復: btrfs check <device> • 最後の手段。他の手段を使ってどうしても駄目なら使う • backupがあれば、そこから復旧するほうが容易かつ確実 69 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  71. 71. 障害解析用機能 kernel panic, file system不整合障害の原因究明に使用 使い方  metadata dump採取: btrfs-image <path> <dest> • metadataのimageを採取、imageをBtrfs技術者に送付、技術者が解析 • data領域は採取しない • file system全体のcopyよりも短時間で採取可能、省space • data領域の障害は解析不能  kdump: kdumpのdocument参照(Btrfs固有機能ではない) • system全体のmemory imageを採取 • kernel panic/hang up発生時の原因究明などに使用  metadataのtree構造を表示: btrfs-debug-tree <device>  superblockの情報を表示: btrfs-show-super <devlicelist>  指定extentのdeviceへのmap情報を表示: btrfs-map-logical –l <extent number> <one of btrfsdevice> • extentについては媒体構造編を参照 70 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  72. 72. 参考文献 1. The Art of Computer Programming vol3. Donald Knuth 2. Linux Filesystem Analysis for IVI system. Mitsuharu Ito  http://events.linuxfoundation.org/sites/events/files/slides/linux_file_syste m_analysis_for_IVI_systems.pdf 3. linux kernel source  git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git 4. Btrfs wiki  https://btrfs.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page 5. BTRFS: The Linux B-Tree Filesystem. Ohad Rodeh, Josef Bacik, and Chris Mason  http://domino.research.ibm.com/library/cyberdig.nsf/papers/6E1C5B6A1 B6EDD9885257A38006B6130/$File/rj10501.pdf 71 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
  73. 73. Copyright 2014 FUJITSU LIMITED72

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