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© Hu Jingran, 123RF

Das Profi-Dateisystem ZFS

Revolutionär

Mit ZFS haben Sun und Oracle ein erstklassiges Dateisystem für "große Eisen" entwickelt. Doch auch der Linux-Desktop kann davon profitieren – sofern es gelingt, gravierende Lizenzprobleme zu klären.

Mit nahezu 15 Jahren kontinuierlicher Entwicklungszeit gehört ZFS eher zu den Oldies unter den aktuellen unixoiden Dateisystemen. Gleichwohl eilt dem ursprünglich von Sun Microsystems für das Betriebssystem Solaris entwickelten und erstmals 2005 öffentlich vorgestellten Dateisystem ein legendärer Ruf voraus. Der kommt nicht von ungefähr: ZFS vereint Eigenschaften in sich, die es zu einem der besten Dateisysteme auch im Linux-Universum machen. Allerdings ist das System nicht nur zukunftsorientiert konzipiert, sondern setzt auch eine moderne Hardware-Ausstattung voraus.

Grundlagen

ZFS stellt eine universelle Antwort auf die historische Entwicklung der Massenspeichertechnologien und der daraus abgeleiteten Bedürfnisse professioneller Anwender ab dem Ende des 20. Jahrhunderts dar: Die bis zum Ende der 80er-Jahre gebräuchlichen Dateisysteme waren aufgrund der extrem hohen Kosten des Speicherplatzes auf einen möglichst sparsamen Umgang mit jedem verfügbaren Bit ausgelegt.

Als ab Beginn der 90er-Jahre dank neuer technischer Entwicklungen die Speicherkapazitäten der damals gebräuchlichen IDE- und SCSI-Festplatten immer weiter wuchsen und gleichzeitig die Massenspeicher dank neuer Fertigungstechnologien immer günstiger wurden, gerieten herkömmliche Dateisysteme zunehmend an ihre Grenzen: In größeren Unternehmen mit eigener IT-Infrastruktur und Rechenzentren mit großen Speicherclustern kam der Ruf nach mehr Datensicherheit auf, die sich primär durch Datenspiegelung erzielen ließ.

Gleichzeitig entwickelten sich Konzepte des Volume Managements, die mithilfe eines Logical Volume Managers (LVM) mehrere physische Datenträger zu einem logischen Verbund zusammenfassten und damit die Kapazitätsgrenzen einzelner Massenspeichersysteme überwanden. Der Logical Volume Manager wurde dabei jedoch zusammen mit den alten Dateisystemen genutzt, sodass deren Beschränkungen auch die Gesamtleistung des Verbundes determinierten.

Mit wachsender Komplexität des gesamten Massenspeichersubsystems wuchs nicht nur der Administrationsaufwand beträchtlich, sondern auch die Gefahr einer mangelnden Datenintegrität durch Übertragungs- und Speicherfehler. Zudem verlangten die Konzepte der Datenspiegelung in den Anfangsjahren nach sündhaft teurer Zusatzhardware, die für Highend-Systeme meist in Gestalt von Einsteckkarten angeboten wurde.

Diese Platinen unterstützten meist sowohl die Datenspiegelung als auch das Verteilen von Datenbeständen über verschiedene physische Massenspeicher hinweg, sodass sich ein beträchtlicher Geschwindigkeitsgewinn beim Abruf der Daten durch parallelisierte Zugriffsmechanismen erzielen ließ.

Lösung: ZFS

Die ZFS-Entwickler berücksichtigten all diese Schwachstellen integrierten Funktionen in das Dateisystem, die sich vorher nur durch externe Lösungen erreichen ließen. Daher stellt ZFS kein Dateisystem im originären Sinn des Wortes dar, sondern eher eine Kombi-Lösung: Das Dateisystem integriert einen internen Logical Volume Manager und legt einen sogenannten Storage-Pool an, der die Massenspeicher selbstständig verwaltet.

Dabei passen sich die einzelnen Pools automatisch in ihrer Größe an, sobald sich – etwa durch das Bereitstellen eines neuen physischen Massenspeichers im System – die Gesamtkapazität ändert. Die Modifikation der Pools nimmt ZFS transparent vor, sodass keinerlei manueller Verwaltungsaufwand anfällt [1]. Zudem erzeugt ZFS automatisch Redundanzen, um eine erhöhte Datensicherheit zu erreichen.

Durch Snapshots lässt sich außerdem ein fest definierter Zustand des Systems duplizieren, sodass man im Falle eines Ausfalls das System auf Basis des Snapshots wieder rekonstruieren kann. Diese als Copy-on-Write bezeichnete Technologie arbeitet dabei transparent im Hintergrund, während das Dateisystem aktiv ist. Dabei kann das Dateisystem zusätzlich durch eine integrierte Datenkomprimierung für sparsamen Umgang mit dem vorhandenen Speicherplatz sorgen. Je nach Art der gespeicherten Dateien lassen sich so erhebliche Ressourcen einsparen.

Eine weitere Innovation von ZFS stellt die Integritätsprüfung dar: Durch Prüfsummen für alle Blöcke gewährleistet ZFS die Datenintegrität zwischen Massen- und Arbeitsspeicher. Dabei bietet das Dateisystem sogar Mechanismen der Selbstheilung. Erweist sich bei redundant vorgehaltenen Daten eine Variante aufgrund unterschiedlicher Checksummen als korrumpiert, repariert ZFS den Fehler mithilfe der gespeicherten Kopie. Als Nutzer können Sie außerdem einen manuellen Prüflauf anstoßen, sodass die Datenintegrität jederzeit gewährleistet bleibt. Durch diese Mechanismen fallen aufwendige und zeitfressende manuelle Dateisystemchecks – bei großen Datenverbünden können sie Tage beanspruchen – weitgehend weg.

Zu guter Letzt haben die Entwickler ZFS auf hohe Arbeitsgeschwindigkeiten getrimmt: Durch verschiedene Zwischenspeicherebenen sowohl im Arbeitsspeicher ("Adaptive Replacement Cache", ARC) als auch auf gerätebasierten Pufferspeichern ("Cache-vdev", L2ARC) bietet das Dateisystem deutliche Geschwindigkeitszuwächse beim Datentransfer. Da bei beiden Cache-Leveln die zwischengespeicherten Inhalte nur Datenduplikate darstellen, besteht bei einem Ausfall des Systems kein Risiko des Datenverlusts.

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