Ｌｉｎｕｘ日志文件系統(tǒng)故障處理策略的研究

摘要：研究了三種廣泛應(yīng)用的Linux日志文件系統(tǒng)Ext3、ReiserFS和IBM JFS在磁盤寫失效情況下的故障處理機(jī)制，分析了它們?cè)谔幚泶疟P寫失效時(shí)存在的設(shè)計(jì)不足，并對(duì)文件系統(tǒng)磁盤故障處理的改進(jìn)進(jìn)行了總結(jié)和研究。

關(guān)鍵詞：日志文件系統(tǒng);故障處理;Ext3;ReiserFS;IBM JFS

中圖分類號(hào)：TP316文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)12-0060-03

磁盤發(fā)生故障是很難避免的事情，為了確保磁盤故障后文件系統(tǒng)的完整性和可靠性，文件系統(tǒng)需要通過合理的內(nèi)部機(jī)制來處理這種故障。目前常用的文件系統(tǒng)普遍缺乏合理的磁盤故障處理機(jī)制，文件系統(tǒng)在磁盤發(fā)生故障時(shí)經(jīng)常會(huì)有文件數(shù)據(jù)被破壞、數(shù)據(jù)丟失、文件或目錄丟失等情況發(fā)生。不合理的磁盤故障處理機(jī)制極大地影響了文件系統(tǒng)的完整性和可靠性。Ext3、ReiserFS和IBM JFS是三種常用的Linux日志文件系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1，2]對(duì)三種日志文件系統(tǒng)的讀寫性能進(jìn)行了研究，本文將著重研究文件系統(tǒng)在磁盤寫失效情況下的故障處理機(jī)制。首先介紹日志文件系統(tǒng)；然后討論它們?cè)谔幚泶疟P寫失效時(shí)存在的缺陷，分析比較每種文件系統(tǒng)的不足；最后總結(jié)研究了兩種文件系統(tǒng)故障處理策略的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)。

1日志文件系統(tǒng)

與早期的文件系統(tǒng)（如FFS和Ext2）不同，日志文件系統(tǒng)在磁盤上以日志的形式記錄一些額外的數(shù)據(jù)改變信息，在系統(tǒng)崩潰后利用日志快速恢復(fù)到以前的一致狀態(tài)，從而避免了掃描整個(gè)文件系統(tǒng)這種費(fèi)時(shí)的完整性檢查。在日志文件系統(tǒng)中，每提交一個(gè)寫操作都會(huì)先寫日志。只有這些寫操作成功地提交到日志文件，數(shù)據(jù)才會(huì)寫進(jìn)最終指定的磁盤區(qū)域。把日志中記錄的數(shù)據(jù)塊傳送到指定磁盤區(qū)域的過程稱為檢查點(diǎn)執(zhí)行（checkpointing）。如果檢查點(diǎn)執(zhí)行過程中發(fā)生故障，文件系統(tǒng)可以通過日志文件恢復(fù)數(shù)據(jù)到指定磁盤區(qū)域。日志文件系統(tǒng)通過周期性地更新日志超級(jí)塊來標(biāo)記日志文件的大小和檢查點(diǎn)執(zhí)行的中止。

1．1日志模式

文件系統(tǒng)提供了不同的日志模式，它們?cè)诖疟P更新操作時(shí)有些細(xì)微的不同。a）Data journaling提供最強(qiáng)的數(shù)據(jù)完整性。每個(gè)寫入磁盤的數(shù)據(jù)塊，不管是數(shù)據(jù)信息還是元數(shù)據(jù)信息，都先寫入日志。只有數(shù)據(jù)塊成功地提交到日志文件后，數(shù)據(jù)塊才會(huì)寫進(jìn)指定的磁盤區(qū)域。b）Writeback journaling日志只記錄文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，它不關(guān)心數(shù)據(jù)寫磁盤區(qū)域和寫日志文件的順序。在確保元數(shù)據(jù)一致性時(shí)，writeback journaling并不保證數(shù)據(jù)的一致性。c）Ordered journaling在writeback journaling的基礎(chǔ)上添加了數(shù)據(jù)一致性。實(shí)現(xiàn)的方式是限制寫操作的順序，即文件數(shù)據(jù)在寫入指定磁盤區(qū)域之后再提交更新元數(shù)據(jù)。這種寫順序限制確保了文件元數(shù)據(jù)不會(huì)指向無效數(shù)據(jù)。

1．2Ext 3文件系統(tǒng)

Linux Ext3文件系統(tǒng)是建立在Ext2文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上的日志文件系統(tǒng)。在Ext3文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的存放均采用標(biāo)準(zhǔn)的Ext2文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Ext3日志以一個(gè)普通文件的形式存放在文件系統(tǒng)中，它也可以存放于一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備或不同的分區(qū)。日志文件包含不同的塊來跟蹤提交給日志的事務(wù)和數(shù)據(jù)塊：日志描述塊（journal descriptor block）記錄了存儲(chǔ)到日志中的指定區(qū)域數(shù)據(jù)的塊數(shù)；日志提交塊（journal commit block）標(biāo)記事務(wù)的終止；日志超級(jí)塊（journal superblock）存儲(chǔ)日志信息，如日志頭、日志尾及下一個(gè)事務(wù)的ID號(hào)等。

圖1描述了Ext3文件系統(tǒng)的磁盤布局結(jié)構(gòu)。該圖給出的是一個(gè)塊組的結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)文件系統(tǒng)是由許多這種相同結(jié)構(gòu)的組組成的。Ext3支持上述三種日志模式。

1．3ReiserFS文件系統(tǒng)

ReiserFS文件系統(tǒng)是一種基于平衡樹結(jié)構(gòu)的日志文件系統(tǒng)。每個(gè)文件系統(tǒng)采用一個(gè)特殊的、優(yōu)化的平衡樹來組織所有的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配索引節(jié)點(diǎn)，能靈活適應(yīng)各種存儲(chǔ)需要。ReiserFS日志與Ext3日志類似，采用循環(huán)寫的方式記錄日志，并以塊為最小的寫單位。ReiserFS與Ext3的不同之處主要有以下三個(gè)方面：a)磁盤數(shù)據(jù)布局結(jié)構(gòu)不同。Ext3采用Ext2的結(jié)構(gòu)；ReiserFS采用B＋樹結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在樹的葉子節(jié)點(diǎn)，元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在樹的中間節(jié)點(diǎn)。b)日志的格局有所不同。Ext3的日志是一個(gè)文件，可以存儲(chǔ)在分區(qū)的任何地方甚至是不同的設(shè)備上，存儲(chǔ)空間也不要求是連續(xù)的；ReiserFS日志不是一個(gè)文件，而是位于文件系統(tǒng)開始的一序列連續(xù)的塊，并限制了最大為32 MB。c)日志內(nèi)容有所不同。ReiserFS支持上述三種日志模式。

1．4IBM JFS文件系統(tǒng)

IBM JFS是一種提供日志的字節(jié)級(jí)文件系統(tǒng)，是為面向事務(wù)的高性能系統(tǒng)開發(fā)的。IBM JFS只工作于ordered journaling模式，與Ext3和ReiserFS不同，它不支持data journaling和writeback journaling模式。IBM JFS寫進(jìn)日志的信息也與Ext3和ReiserFS不同，Ext3和ReiserFS將整塊數(shù)據(jù)寫進(jìn)日志，而IBM JFS寫進(jìn)日志的是修改的塊數(shù)據(jù)，指定數(shù)據(jù)塊的寫與其他文件系統(tǒng)一樣。由于IBM JFS日志記錄修改的數(shù)據(jù)塊，日志塊就不能被分類為日志數(shù)據(jù)塊或者日志提交塊等。一個(gè)日志就包含了日志數(shù)據(jù)記錄和提交記錄。

2文件系統(tǒng)故障處理分析

文件系統(tǒng)一般只將磁盤分為正常工作和停止工作兩種狀態(tài)。隨著磁盤復(fù)雜性的提高，磁盤出現(xiàn)故障的形式也變得多種多樣，比如可能出現(xiàn)潛在的扇區(qū)故障，一個(gè)塊或幾個(gè)塊無法訪問，或者出現(xiàn)無聲的數(shù)據(jù)毀壞（silent data corruption）等，故障可能是暫時(shí)性的也可能是永久性的^[3]。文獻(xiàn)[4，5]采用故障插入技術(shù)（faultinjection methodology）對(duì)上述三種日志文件系統(tǒng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)文件系統(tǒng)在磁盤故障處理機(jī)制方面存在的設(shè)計(jì)不足和缺陷。下面總結(jié)了幾種導(dǎo)致文件系統(tǒng)故障的磁盤寫失效處理方式，分析比較了三種文件系統(tǒng)在磁盤寫失效情況下的故障處理機(jī)制的設(shè)計(jì)不足。

2．1幾種磁盤故障處理方式

1)提交失效事務(wù)文件系統(tǒng)的每一個(gè)I/O操作叫做一個(gè)事務(wù)。當(dāng)一個(gè)事務(wù)在寫磁盤失效后，文件系統(tǒng)繼續(xù)將該事務(wù)寫進(jìn)日志并提交，從而導(dǎo)致文件系統(tǒng)處于不一致狀態(tài)。例如，在ordered journaling日志模式下，當(dāng)一組有序數(shù)據(jù)寫失效，文件系統(tǒng)應(yīng)該中止該事務(wù)，取消該事務(wù)的日志記錄。如果日志記錄并提交了該事務(wù)，元數(shù)據(jù)塊就指向了錯(cuò)誤或者舊的磁盤數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3）無重寫失效的檢查點(diǎn)檢查點(diǎn)執(zhí)行的過程就是將日志記錄的數(shù)據(jù)寫到指定磁盤區(qū)域。當(dāng)檢查點(diǎn)執(zhí)行時(shí)出現(xiàn)寫失效，文件系統(tǒng)必須試圖重寫或者在日志中標(biāo)記下次重新執(zhí)行該檢查點(diǎn)。忽略這種寫失效的情況會(huì)導(dǎo)致文件出現(xiàn)數(shù)據(jù)被破壞、數(shù)據(jù)丟失、文件和目錄丟失等現(xiàn)象。

4）日志文件寫失效處理不當(dāng)日志文件系統(tǒng)通過標(biāo)記日志文件為臟或干凈來維護(hù)兩種不同的狀態(tài)。文件系統(tǒng)在裝載時(shí)，如果日志標(biāo)記為臟，日志記錄的事務(wù)將被重新執(zhí)行。一般情況下，在開始一個(gè)事務(wù)前或檢查點(diǎn)執(zhí)行完一個(gè)事務(wù)后日志標(biāo)記會(huì)改變。如果日志標(biāo)記的更新失效，可能會(huì)發(fā)生以下兩種情況之一：a)文件系統(tǒng)重新執(zhí)行了事務(wù)，但該事務(wù)是不需要重新執(zhí)行的；b)文件系統(tǒng)未重新執(zhí)行事務(wù)，而該事務(wù)是需要重新執(zhí)行的。第一種情況不會(huì)影響系統(tǒng)的完整性，而第二種情況將導(dǎo)致文件破壞或數(shù)據(jù)丟失。另外當(dāng)寫日志數(shù)據(jù)失效時(shí)，事務(wù)應(yīng)該中止并不再執(zhí)行。如果該事務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，日志中的無效數(shù)據(jù)就會(huì)被讀寫到指定的磁盤區(qū)域，導(dǎo)致文件系統(tǒng)錯(cuò)誤。

5)文件系統(tǒng)崩潰當(dāng)磁盤寫失效時(shí)，通過系統(tǒng)調(diào)用（如Panic）來迫使整個(gè)文件系統(tǒng)停止工作；在下一次文件系統(tǒng)使用時(shí)必須重新啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。文件系統(tǒng)崩潰使得失效的事務(wù)不會(huì)提交到磁盤，系統(tǒng)重啟并裝載文件系統(tǒng)后，文件系統(tǒng)執(zhí)行恢復(fù)操作處于一致狀態(tài)。系統(tǒng)崩潰不僅會(huì)中止文件系統(tǒng)進(jìn)程，同時(shí)也影響了系統(tǒng)中的所有其他進(jìn)程。

2．2三種文件系統(tǒng)故障處理的比較分析

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，Ext3的設(shè)計(jì)只考慮了系統(tǒng)的整體故障情況，而對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)塊寫失效并沒有進(jìn)行有效處理。Ext3的主要缺陷是它沒有中止失效事務(wù)，提交失效事務(wù)導(dǎo)致嚴(yán)重的文件系統(tǒng)錯(cuò)誤，輕則數(shù)據(jù)被破壞，重則文件系統(tǒng)無法卸載。ReiserFS避免了許多Ext3出現(xiàn)的問題，但是要以整個(gè)系統(tǒng)重啟為代價(jià)。在處理寫失效時(shí)，ReiserFS將一個(gè)故障阻塞系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)故障終止系統(tǒng)。然而如果出現(xiàn)永久性的磁盤故障，ReiserFS的這種設(shè)計(jì)將導(dǎo)致系統(tǒng)反復(fù)重啟而不可用。IBM JFS的設(shè)計(jì)缺陷是Ext3和ReiserFS所討論過的，如提交失效的事務(wù)、不重復(fù)執(zhí)行失效的檢查點(diǎn)、IBM JFS在日志超級(jí)塊寫失效時(shí)與ReiserFS一樣使系統(tǒng)重啟等。

下面從文件系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)健壯性和數(shù)據(jù)完整性三個(gè)方面對(duì)以上分析的文件系統(tǒng)進(jìn)行比較：

a ）文件可靠性。在磁盤寫失效時(shí)，Ext3主要存在的問題是文件數(shù)據(jù)被破壞、文件數(shù)據(jù)丟失、文件和目錄丟失，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)文件系統(tǒng)無法卸載的情況；ReiserFS主要表現(xiàn)為系統(tǒng)崩潰重啟；IBM JFS的主要問題是文件數(shù)據(jù)被破壞和文件系統(tǒng)無法卸載，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)文件數(shù)據(jù)丟失、文件和目錄丟失、系統(tǒng)崩潰的情況。從文件可靠性的角度考慮，ReiserFS系統(tǒng)的文件可靠性較Ext3和IBM JFS更高。

b）系統(tǒng)健壯性。文件系統(tǒng)無法卸載，甚至整個(gè)系統(tǒng)崩潰，都極大影響了系統(tǒng)的健壯性。在磁盤寫失效時(shí)，ReiserFS大多數(shù)情況下是通過Panic系統(tǒng)調(diào)用來迫使整個(gè)文件系統(tǒng)失效。與ReiserFS類似，IBM JFS在某些寫失效的情況下使系統(tǒng)崩潰重啟。例如在裝載操作時(shí)，日志超級(jí)塊寫失效將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。相對(duì)而言，Ext3的系統(tǒng)健壯性最好。

c）數(shù)據(jù)完整性。磁盤故障處理機(jī)制會(huì)影響文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性，以上討論的提交失效事務(wù)和檢查點(diǎn)寫失效無重寫會(huì)影響到文件系統(tǒng)的完整性。Ext3和IBM JFS均存在這兩方面的設(shè)計(jì)缺陷。因此在故障處理機(jī)制方面，ReiserFS提供較強(qiáng)的數(shù)據(jù)完整性。

3文件系統(tǒng)故障處理策略的改進(jìn)研究

目前研究提出了以下兩種改進(jìn)的故障處理文件系統(tǒng)，IRON文件系統(tǒng)Ixt3和奇偶校驗(yàn)文件系統(tǒng)PFS。它們都是在Ext3文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。

3．1IRON文件系統(tǒng)Ixt3^[6]

IRON(internal robustNess)文件系統(tǒng)是一種具有故障檢測(cè)和恢復(fù)功能的文件系統(tǒng)。Linux Ixt3文件系統(tǒng)是在Ext3文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用了校驗(yàn)和、同步復(fù)制、奇偶校驗(yàn)技術(shù)的IRON文件系統(tǒng)。與Ext3文件系統(tǒng)相比，該文件系統(tǒng)在時(shí)間和空間的開銷上有所增加，但文件系統(tǒng)的健壯性有了顯著的提高。

1）Ixt3文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

a)校驗(yàn)和。Ixt3采用SHA1計(jì)算文件數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和先寫進(jìn)日志，然后通過checkpoint操作寫進(jìn)指定磁盤區(qū)域。校驗(yàn)和占用很小的空間，在讀文件操作時(shí)可以存放于cache中使用。

b）同步復(fù)制。Ixt3采用了同步的元數(shù)據(jù)復(fù)制，所有的元數(shù)據(jù)塊被同步寫進(jìn)一個(gè)獨(dú)立的備份日志，該日志通過checkpoint寫進(jìn)遠(yuǎn)離原始元數(shù)據(jù)的指定磁盤區(qū)域。元數(shù)據(jù)的同步復(fù)制采用了事務(wù)機(jī)制來確保備份元數(shù)據(jù)的一致性。

c）奇偶校驗(yàn)。Ixt3修改了Ext3文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，為每個(gè)文件分配一個(gè)奇偶校驗(yàn)塊。當(dāng)文件被修改時(shí)，根據(jù)文件修改的數(shù)據(jù)對(duì)奇偶校驗(yàn)塊進(jìn)行更新。系統(tǒng)采用了預(yù)分配奇偶校驗(yàn)塊的方法來改進(jìn)創(chuàng)建文件的性能。

2）Ixt3文件系統(tǒng)的性能

a）時(shí)間開銷。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Ixt3在SSHbuild和網(wǎng)頁服務(wù)器基準(zhǔn)測(cè)試中的時(shí)間開銷與Ext3系統(tǒng)的開銷相當(dāng)，沒有大的變化；在postmark基準(zhǔn)測(cè)試中，Ixt3比Ext3的時(shí)間開銷增加了37％；TPCB基準(zhǔn)測(cè)試中Ixt3比Ext3的時(shí)間開銷增加了42％。后兩種環(huán)境下元數(shù)據(jù)操作較多。

b）空間開銷。試驗(yàn)證明，校驗(yàn)和以及元數(shù)據(jù)復(fù)制的空間開銷較小，占總空間的3％~10％；奇偶校驗(yàn)的空間開銷較大，占總空間的3％~17％。

3．2奇偶校驗(yàn)文件系統(tǒng)^[7]

奇偶校驗(yàn)文件系統(tǒng)（parity file system，PFS）的設(shè)計(jì)思想是在Ext3文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加上奇偶校驗(yàn)塊，對(duì)每個(gè)文件數(shù)據(jù)塊進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。如果該文件出現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)塊失效的情況，就可以通過奇偶校驗(yàn)塊對(duì)失效的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行恢復(fù)。

1）PFS的設(shè)計(jì)

PFS對(duì)Ext3代碼進(jìn)行了少量的修改以包含奇偶校驗(yàn)。文件在寫第一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，為該文件分配一個(gè)奇偶校驗(yàn)塊并置為零，該數(shù)據(jù)塊寫完時(shí)，奇偶校驗(yàn)塊的內(nèi)容與該數(shù)據(jù)塊內(nèi)容相同；接下來在寫其他數(shù)據(jù)塊時(shí)，校驗(yàn)塊的內(nèi)容為當(dāng)前內(nèi)容與新數(shù)據(jù)塊內(nèi)容的異或。如果某一數(shù)據(jù)塊更新時(shí)，新校驗(yàn)塊內(nèi)容由以下公式得到：

新的校驗(yàn)塊＝新數(shù)據(jù)塊XOR舊數(shù)據(jù)塊XOR舊校驗(yàn)塊

該設(shè)計(jì)修改了Ext3系統(tǒng)的兩個(gè)文件，即ext3_fs.h和inode.c。其中ext3_fs.h的修改如下：

/* Constants relative to the data blocks */

#define EXT3_NDIR_BLOCKS 11/*11 instead of 12 direct pointers*/

#define EXT3_IND_BLOCK EXT3_NDIR_BLOCKS

#define EXT3_DIND_BLOCK (EXT3_IND_BLOCK+1)

#define EXT3_TIND_BLOCK (EXT3_DIND_BLOCK+1)

#define EXT3_N_BLOCKS (EXT3_TIND_BLOCK+2)/*in order to maintain 15 pointers in inode， instead of EXT3_TIND_BLOCK+1*/

inode.c主要修改了ext3_prepare_write()、ext3_journalled_commit_write()、ext3_ordered_commit_write()、ext3_block_to_path()等函數(shù)。

2）PFS的性能

測(cè)試結(jié)果顯示，PFS在創(chuàng)建文件時(shí)的工作負(fù)荷與Ext3文件系統(tǒng)基本沒有區(qū)別。追寫文件數(shù)據(jù)時(shí)，PFS需要讀取當(dāng)前奇偶校驗(yàn)塊并計(jì)算更新奇偶校驗(yàn)塊，因此相對(duì)Ext3系統(tǒng)降低了30％~50％的帶寬。在文件數(shù)據(jù)局部修改時(shí)，兩者的性能基本沒有區(qū)別。

4結(jié)束語

本文分析的三種Linux日志文件系統(tǒng)在磁盤故障處理機(jī)制方面均存在不足之處。為了提高系統(tǒng)的可靠性、健壯性、完整性，文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在磁盤故障處理策略方面需進(jìn)一步完善。目前研究提出的兩種改進(jìn)故障處理策略的設(shè)計(jì)在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性和健壯性，但系統(tǒng)的時(shí)間和空間開銷也相應(yīng)增加，同時(shí)具有一定的局限性，如奇偶校驗(yàn)只能恢復(fù)單個(gè)數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，而磁盤出現(xiàn)連續(xù)的多個(gè)數(shù)據(jù)塊故障時(shí)數(shù)據(jù)無法恢復(fù)。設(shè)計(jì)出能處理磁盤故障的更可靠、更健壯的文件系統(tǒng)是對(duì)文件系統(tǒng)故障處理策略的進(jìn)一步研究。

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