Sun Zettabyte File System

具備自主性效能調整機能的先進檔案系統。邏輯上包裹在一起的儲存池

隨著儲存系統的大型化及複雜化，檔案系統以及儲存管理軟體的設計，從過去的靜態設定及手動效能調整，走向動態設定和執行過程中的自動效能調整，乃為大勢所趨。因為，在過去，檔案系統的配置與管理均有賴於系統管理者手動調整，如果沒有重新建立檔案系統，安裝後再對檔案系統進行效能最佳化是一件非常困難的工作，甚至是不可能的任務。水漲船高的儲存系統容量以及日益增加的效能影響因素，使得手動調整效能非常的費時費力。所以，我們需要自動化、且隨著工作負荷而動態調整的能力。簡而言之，管理機能需要擁有自我調整的機制。

Sun正在發展中的ZFS（Zettabyte File System），堪稱Solaris 10中最重要的新技術，因為此新型檔案系統以達成有效的自我調整及自我管理機制，為其設計上的重點。現在，我們就透過已公開的資料，來檢視其設計上的諸多特色。

Sun在發展ZFS有三個主要目標：對於巨大容量的支援，強大的資料完整性，以及簡單的管理工作。為了達成前兩者，首先，ZFS使用128位元虛擬區塊位址、可擴充性演算法、自我核對資料正確性、機制以及寫入時同步複製（Copy-on-Write）交易（Transaction）模型。

其次，為了簡化管理工作，ZFS採用儲存池（Storage Pool）的觀念，透過儲存池配置器(Storage Pool Allocator)將各儲存設備的實體位址轉換為支援不同區塊長度的虛擬位址區塊，並非僅將儲存系統視為邏輯上的單一連續空間，再透過資料處理單元（Data Management Unit）將這些虛擬位址區塊轉換為實際上的檔案物件，最後這些物件由ZFS POSIX檔案系統層所使用，以實作與POSIX的相容。最重要的是，透過儲存池的概念，可以實作更動態及更加自動化的儲存管理機制，更是ZFS諸多先進特色的基礎。動態磁碟分段串接機制

將多顆磁碟以固定的切塊（Chunk）長度分段串接，藉由同時存取分散在不同磁碟上的檔案切塊以提升檔案存取的效率，已經是行之有年的技術，RAID就是很好的範例。不過，無論是透過軟體或硬體達成的手段，這種「靜態」的分段串接機制卻有不少明顯的缺點。首先，其基本規畫在第一次建立串接組群時就已經被固定，幾乎無法更改，缺乏管理上的彈性，各顆磁碟的工作負荷也會動態的改變。其次，雖然可以透過重疊串接（Overlay Strip）、將相同的資料以不同的切塊長度重複分散在不同數量的磁碟內，雖然可以降低上述問題的影響，但是這會製造額外的切塊重組負擔，進而降低效能。最後，整體的串列組群效能會受限於性能最差的磁碟，因為所有的切塊讀寫，對於I/O動作而言都是必須完成的。

為此，基於寫入複製（Copy-on-Write）和任何地方均能寫入資料（Write-Anywhere）的特性，意味著當寫入資料至一個區塊，這個區塊的資料將會在一個新的位置中被寫入，ZFS導入動態分段串接機制，允許在儲存池中任何磁碟設備寫入任何區塊長度的資料。當儲存池配置器被得知將被寫入檔案的區塊順序，自動將這些區塊寫入分散在儲存中的可用磁碟，毋需系統管理者自行設定。

另外，當新的磁碟被加入儲存池，儲存池配置器自動就會將寫入作業分散過去。反之，當磁碟被移出儲存池前，儲存池配置器自動將其資料移出，再將其自動分散在其它的磁碟上。舉一個例子，我們將現有的磁碟從五顆增加到七顆，新的資料將會自動分散至在全部的七顆硬碟，舊資料依然維持在舊有的五顆硬碟上。如果檔案系統穩定的運作，讀取的分段串接寬度就會從五顆逐步成長至七顆。上述動作都是完全自動化，管理上的彈性遠非靜態機制所能比擬。

進一步而言，動態分段串接機制允許ZFS應付不同效能的磁碟設備，因為可以基於各設備的效能而分配各磁碟的區塊比例。簡而言之，將低速磁碟加入儲存池之中並不會明顯降低整體效能，因為ZFS會將較少的資料區塊寫入速度較慢的磁碟。這對儲存系統管理效率的改進極有貢獻，因為日後設備的更新，不必受限於使用相同的硬體，可以逐步地升級更好的設備。動態檔案區塊調整機制

ZFS支援從512byte至1MB之間的不同虛擬檔案區塊長度，ZFS自動針對個別的檔案選擇最佳的區塊長度，亦允許系統管理者針對個別檔案或檔案系統進行個別的設定。值得注意的是，無論任何檔案系統，最底層的區塊長度一定都是固定的（ZFS應為512byte）。所謂的可變長度區塊，則是指透過ZFS的資料處理單元進行虛擬區塊與實體區塊的對應，這也是區塊長度可以動態調整的主因。

Sun將應用程式的資料存取行為模式區分為四種：一次將循序檔案寫入完畢、慢速增添、快速增添、以及隨機更新。由於ZFS可以動態更換檔案的區塊長度，所以可以針對上述四種行為模式進行最佳化，以達成最佳的檔案存取效能，例如循序寫入使用最大的區塊、隨機更新則選擇最小的區塊，隨著檔案空間的遞減，區塊長度也會動態的更新。對於小於最大區塊1MB的小檔案，則基於減少寫入時間的考量以及降低容量的浪費，則會盡量使用最大的區塊長度。當然，這種設計也並非毫無副作用，因為如果小檔案太多，就會造成磁碟空間上的浪費。不過，整體而言，這可提升檔案存取的效率。以檔案名稱為基礎的預先自動效能調整機制

ZFS可透過自動蒐集、紀錄由各應用程式所使用的檔案名稱，建立起預測檔案長度以及生命期的預測模型，然後再以得到的資訊作為檔案系統最佳化的參考，這個動作也是全自動的。如果遇到檔案系統行為模式偏離既有建立的預測模型，或是工作量有所增減，產生程式就會提高取樣率（Sample Rate），然後重新建立反餽（Feedback）給檔案系統的全新預測模型。反之，如果無事可做，產生器就會放緩運作速度，甚至如果毫無效益可言，整個預測模型亦可予以停擺、不再產生作用。

預先自動調整機制可以應用於很多種最佳化的方式，例如經常被存取的檔案，就優先置於主記憶體中的磁碟快取以及效率較高的硬碟；對於大型循序檔案的暫存區，就可以預先保留事先區塊最佳化後的磁碟空間。ZFS潛在的疑點。自主管理機能將是檔案系統發展的重點

雖然ZFS的自我管理機能看起來很吸引人，但是也並非沒有潛在的問題。首先，天底下沒有白吃的午餐，很明顯的，ZFS一定極為消耗系統資源，尤其是處理器運算能量、主記憶體以及儲存空間。此外，動態分段串接機制將檔案區塊分散在不同的磁碟上，意味著當磁碟損毀，所造成的損失也就非常嚴重，Sun理應會規畫資料保護的機制，不過目前並沒有進一步的資訊。

值得注意的是，在過去，檔案系統之所以無法針對磁碟系統進行最底層的硬體命令（Command）進行最佳化的排序，主因在於檔案系統必須透過裝置驅動程式才能存取硬體、以及無法建立對底層硬體規格的效能評估模型。理論上而言，ZFS已經具備這部分的潛力，是否會實作如此底層的最佳化，將是一個值得觀察的重點。

上述三種ZFS的自動效能調整技術，理論上，可以大幅降低系統管理者設定以及維護所需要的時間及心力，提升工作效率。Sun目前並未公開ZFS的實際產品，也並未透露實作上的細節，甚至尚未證實ZFS將會隨著Solaris 10的上市而發表。不過，無論如何，為了達成更有效率的系統管理，自主管理機制將會是檔案系統發展必然的趨勢，在未來，我們可以預期更多的檔案系統將其概念導入於產品的實作之中，而ZFS只是一個開始。文⊙劉人豪