LWN: Zoned block device的专用文件系统

Filesystems for zoned block devices

By Jake Edge

May 21, 2019

LSFMM

Damien Le Moal和Naohiro Aota，在2019 Linux Storage, Filesystem, and Memory-Management Summit (LSFMM)峰会上，一起介绍了一下zoned block devices相关的工作。这类device内部有多个不同的区域，每个区域有不同的特性。例如有的区域只能按顺序来写（write sequential order），有的区域就是可以正常随机写入。zoned block devices起源于shingled magnetic recording（SMR，叠瓦式磁记录盘）设备，当初发明出来是为了增加硬盘的存储空间（不过要牺牲一些易用性）。

Le Moal的这个话题，主要关注于zoned block device该用什么文件系统。目前唯一支持zoned device的文件系统是F2FS，不过支持仍然不完善，还在进行bug fix以及补充功能。也有人在Btrfs里面增加相关支持，Aota比较熟悉这部分。

Btrfs

为了在Btrfs里面支持zoned block device，需要对每个区域对应的"device extent"结构都仔细配置。如果extent size比其中某个区域的size小，那么就意味着会有空间浪费掉。更大的extent值能支持更多区域。Extent是按顺序分配的。需要增加内部buffer，来对write request进行排序，这样能确保满足此区域的write sequence的要求。

Btrfs里已经支持了多种磁盘管理模式，包括单磁盘，DUP，RAID0，RAID1，RAID10。目前不支持RAID5和RAID6，因为太大的SMR磁盘不适用那些RAID模式，因为在某个磁盘损坏的时候，恢复数据需要太多时间（rebuild time ）。

Aota指出目前还有两个功能还需要更多时间才能支持。“Device Replace”基本完成了，不过有些情况下还会出现一些软件逻辑竞争的corner case。还需要支持fallocate()，因为很难实现在需要按顺序写入的趋于上预先分配空间，可能需要在内存里来做preallocation来变相支持这个功能。Chris Mason觉得fallocate()不太重要，对copy-on-write(CoW)文件系统上来说这不是个必须功能。

Aota认为，今后NVMe Zone Namespace (ZNS) 也需要支持。在支持ZNS的设备场景，根本不支持random write（随机写入）。也就是说superblock也需要copy on write。这样会保留两块区域给superblock，文件系统会在两块superblock区域之间来回切换来解决不能随机写入的问题。

Ric Wheeler问了一下具体来说RAID rebuild在RAID5和RAID6上需要多长时间。Le Moal回答道，需要一两天的时间。Wheeler觉得这个时长应该还是可以接受的，尤其是RAID6的场景。他觉得这些RAID场景还是挺有必要支持的。RAID6 rebuild I/O操作可以用低优先级进程慢慢做嘛。不过Mason觉得RAID5/6的支持也不着急，今后再说。尽量先把当前版本的支持合入为好。Le Moal计划尽快把patch发出来review。

ZoneFS

ZongFS是一个新的文件系统，用来以最简单的方式把zoned block device暴露给用户使用。因此，在mount之后，会在mount目录下面针对每个区域都展示成一个单独的文件，分别位于/conventional （此目录用于管理可以随机访问的区域）和/sequential （此目录是管理只能顺序访问的区域）两个目录下。每个zone对应的文件都会用zone number来作为文件名。

ZoneFS管理方式下，这些zone文件都不能更改、删除、更名，也不能新建文件。对sequential zone来说，只能支持length为0的truncate()和ftruncate()操作，会把zone的写入指针重置回本区域的最开头的地方。磁盘上也不会存文件系统的metadata（辅助信息），而write pointer（写指针）的位置就是当前的sequential file的文件大小。

ZoneFS不是特别强大，不过还是很有用的。应用程序虽然可以直接对block device设备节点做文件操作来达到类似的功能，不过应用开发者一般不太喜欢这样做，觉得不安全。对RocksDB和LevelDB等应用程序，ZoneFS就足够满足需求了，因为他们本身就是基于很多sequential data structures来操作的。

此外，ZoneFS还能用于支持ZNS。不过Ted Ts'o指出，NVMe开发者会担心底层implicit进行的对每个zone的open和close操作可能会影响文件访问性能。这样的话，Btrfs文件系统设计者此前并没有考虑过explicit open和close操作，今后可以考虑一下这个需求了。没有什么其他反对意见，因此Le Moal打算尽快发出ZoneFS patch做review了。