Cómo instalar ZFS, el mejor sistema de archivos para servidores

ZFS no sobreescribe datos debido al modelo Copy-on-write del que hablaremos posteriormente, por tanto, tomar una instanténea simplemente significa no liberar los bloques utilizados por versiones antiguas. Las instanténas se toman de manera muy rápida y son realmente eficientes desde el punto de vista del espacio, no ocupan nada a no ser que modifiques un dato del que se ha realizado el «snapshot». Es decir, no hay una duplicación de datos, los datos el snapshot y los que hay en producción se comparten, únicamente al modificarlo es cuando empieza a aumentar la ocupación.

Auto reparación (Self-healing)

Una de las características más importantes de ZFS es la auto reparación, anteriormente hemos hablado de que existen pools de tipo «mirror» y también RAID-Z, con paridad simple, doble o triple. Un aspecto muy importante es que ZFS no tiene el defecto de «write-hole», esto puede ocurrir cuando se produce un fallo en el suministro eléctrico durante la escritura, esto hace que sea imposible determinado qué bloques de datos o bloques de paridad se han escrito en los discos y cuáles no. En esta situación de error catastrófico, los datos de paridad no coinciden con el resto de datos del espacio de almacenamiento, además, no se puede saber qué datos son incorrectos: los de paridad, o los datos del bloque.

Todos los datos en ZFS son hasheados previamente a su escritura en el pool, el algoritmo del hash se podría configurar a la hora de crear el dataset. Una vez que se ha escrito el dato, el hash es comprobado para verificar que se ha escrito correctamente y no ha habido problemas en la escritura. ZFS permite comprobar la integridad de los datos de forma fácil haciendo uso de estos datos hasheados. En caso de no corresponderse los datos con el hash, lo que se hace es buscar en el «mirror» o calcular los datos a través del sistema de paridad (RAID-Z) para proceder con su comprobación a nivel de hash. Si los datos del hash con iguales, se procede con la corrección de los datos en el bloque. Todo esto se realiza de forma totalmente automática.

Copy-on-write

ZFS utiliza una arquitectura copy-on-write, gracias a esto, evitamos los problemas derivados del write-hole que hemos explicado anteriormente. El CoW es una de las principales características de ZFS. El funcionamiento consiste en que todos los punteros a bloques de un sistema de ficheros contienen un checksum, el cual se comprueba al leer el bloque. Los bloques que contienen datos activos no se sobrescriben nunca, lo que se hace es reservar un nuevo bloque, y los datos modificados se escriben en él directamente. Para hacerlo más rápido y eficiente, se suelen agregar varias actualizaciones para realizar posteriormente las transacciones, e incluso se utiliza un ZIL (ZFS Intent Log).

La parte negativa de esto, es que produce una alta fragmentación en los pools, y no hay posibilidad actualmente de realizar una desfragmentación. Si tu pool está formado por SSD, no notarás demasiado la pérdida de rendimiento por la propia naturaleza de los SSD, pero si haces uso de HDD es posible que sí lo notes. En nuestro caso, tenemos una fragmentación superior al 25% después de varios años de utilización:

La única forma de realizar una desfragmentación al pool, es copiando los datos a otro medio, eliminar el pool y crearlo nuevamente. Es decir, no hay una forma de desfragmentar un pool en ZFS, al menos de momento.

Dynamic Striping

ZFS distribuye los datos que escribimos dinámicamente en todos los dispositivos virtuales (vdev), con la finalidad de aumentar el rendimiento al máximo. La decisión de dónde colocar los datos se realiza en el momento de la escritura. Esto mejora mucho en pools de tipo mirror y RAID-Z, y, además, elimina de manera eficaz el problema del write-hole que hemos visto anteriormente.

Otra característica interesante es que ZFS utiliza bloques de tamaño variable de hasta 128K, el administrador puede configurar el tamaño máximo de bloque utilizado, ideal para adaptarse a las necesidades de lo que va a escribir en el pool, pero se puede adaptarse automáticamente. En el caso de usar compresión, se usan estos tamaños de bloque variable para que sea mucho más eficiente con el espacio.

¿Qué problemas se pueden presentar?

A pesar de que ZFS es un sistema de archivos muy robusto, con integridad de datos y muchas características avanzadas, también puede presentar algún desafío. Algunos de estos son:

• Uso de la memoria: Si revisamos la función de caché de ARC, nos encontramos con un sistema que puede consumir una cantidad significativa de memoria RAM. Estos sistemas con una memoria insuficiente, pueden experimentar problemas de rendimiento en algunos casos.
• Fragmentación: A pesar de que la fragmentación es manejada de una forma más eficaz que otros sistemas de archivos, aún puede generar problemas. Especialmente cuando son pools de espacios limitados.
• Expansión de almacenamiento: Algo que ZFS no permite en comparación con otros sistemas de archivos, es agregar de forma sencilla un solo disco vdev (conjunto de discos) ya existente en ZFS. Por lo general, las expansiones requieren agregar otros vdev a los pools. Por otro lado, eliminar uno tampoco era una opción. Pero esto se ha corregido en las versiones más recientes de este sistema de archivos. Abordando con éxito esta limitación.
• Licencia y distribución: Muchas licencias pueden ser incompatibles, y en el caso de ZFS no se incluye de forma predefinida en los kernel de Linux. Esto es posible que llegue a complicar un poco la instalación y las actualizaciones de los sistemas basados en Linux.
• Desgaste de los discos: Si se da uso de discos SSD para las cachés ZIL o L2ARC, las operaciones de escritura van a aumentar. Por lo cual puede conllevar una aceleración del desgaste de estos discos de estado sólido.
• Reparaciones pool: Recuperar un pool ZFS dañado cuando no hay respaldos o redundancia, puede ser muy complejo. Incluso en algunos casos, lo más probable es que llegue a ser imposible recuperar ese contenido.

Características y mejoras de OpenZFS 2.0

OpenZFS 2.0 ya es una realidad, la última versión de este sistema de archivos de alto rendimiento y gran integridad de datos, se ha actualizado con novedades muy interesantes. Lo primero que debemos indicar, es que OpenZFS 2.0 es compatible con FreeBSD 12 en adelante, y también es compatible con Linux Kernel entre las versiones 3.10 y 5.9, por tanto, tendremos una gran compatibilidad para exprimir todas sus novedades.

Algunas de las múltiples mejoras que han incorporado a este sistema de archivos, son las siguientes:

• Resilver secuencial de los datos: la función de resilver secuencial, permite reconstruir un mirror vdev en muy poco tiempo en comparación con el resilvering tradicional. La redundancia completa se restaura lo más rápido posible, y posteriormente el pool se limpia automáticamente para comprobar todas las sumas de comprobación.
• L2ARC persistente: esta función hace que el dispositivo L2ARC para caché de datos sea persistente, aunque reiniciemos el equipo, esto hace que eliminemos el tiempo de preparación de caché habitual que normalmente necesitamos después de importar el grupo.
• Compresión ZST integrada: en esta nueva versión de ZFS disponemos del algoritmo de compresión Zstandard, un algoritmo de compresión moderno y que tiene un alto rendimiento, además, es un algoritmo de compresión «general», por lo que funciona muy bien independientemente de los datos que vayamos a comprimir. Este algoritmo proporciona niveles de compresión similares o mejores que GZIP, pero con un rendimiento muchísimo mejor. Podremos seleccionar el nivel de compresión para permitir balancear el rendimiento/compresión dependiendo de nuestras necesidades.
• Incorporación de «Redacted streams» en recepción y envío, esta característica permite enviar subconjuntos de datos a un sistema de destino. Permite a los usuarios ahorrar espacio al no replicar datos sin importancia, e incluso podremos seleccionar el excluir información.

Otros cambios introducidos en esta nueva versión están relacionados con los comandos, se han añadido algunos comandos nuevos, y se han modificado algunos que ya teníamos, para adaptarlos a las nuevas características de ZFS. Si queréis saber en detalle los cambios en los comandos ZFS os recomendamos visitar el GitHub oficial. Otras mejoras incorporadas son la compatibilidad para preasignar espacio, se han reorganizado las páginas man del tutorial oficial de ZFS, se ha habilitado un módulo PAM para cargar automáticamente claves de cifrado ZFS y mucho más. Por último, se ha mejorado enormemente el rendimiento, y es que ahora el borrado de los clones de los snapshots es mucho más rápido con zfs destroy, también es mucho más rápido el envío/recepción de pequeños registros, se ha mejorado la escalabilidad del recurso compartido de zfs, la gestión de memoria y el ARC es mucho más eficiente, también se ha mejorado el rendimiento AES-GCM para proteger nuestros datos con una capa de cifrado.

Puntos fuertes y débiles de ZFS

Como hemos podido ver, ZFS nos facilita muchas opciones en la gestión de archivos, pero como todo en el mundo de la informática, tiene sus ventajas y sus desventajas. Vamos a ver algunas de ellas, las cuales pueden ser las más importantes o las que más nos pueden influir.

Ventajas

• Se simplifica la administración: En este apartado es donde se unifica la gestión de volúmenes, RAID y sistemas de archivos. En todo caso, lo que vamos a necesitar son algunos comandos para poder crear nuevos volúmenes, niveles de redundancia, sistemas de compresión, puntos de montaje, sistemas de archivos y mucho más. También nos facilita la supervisión de todo esto.
• Garantiza la integridad de los datos: Cuando se realiza la escritura de los datos, se hace un cálculo que es una suma de comprobación, y esta se escribe junto a los mismos. Acto seguido, cuando se procede a leer estos datos, se realiza de nuevo ese cálculo a modo de verificación. Si este encuentra discrepancias, nos mostrará un error. Pero el propio sistema tratará de arreglarlo de forma automática.
• Copiado y pegado: En muchos sistemas de archivo, se sobreescriben datos, los antiguos se pierden, pero con ZFS esto no es así. Cuando se realiza esta acción, la nueva información se graba en un bloque diferente, de forma que no se pierden versiones anteriores. Lo que sí se actualizará son los metadatos de los sistemas de archivos. Esto permite que los archivos antiguos se conservan en caso de que queden bloqueados.

Desventajas

• Rendimiento: Esto no suele ser un gran problema, siempre que no se cubra más de un 80% de su capacidad, pues pierde rendimiento. Esto se trata de un problema bastante común, pues cuando este pool se llena más de ese porcentaje, es necesario realizar una ampliación o hacer una migración a un almacenamiento mayor.
• No se puede reducir el pool: No es posible eliminar dispositivos o vdev una vez estos se han añadido.
• Capacidad limitada en la redundancia: Con una excepción de pasar de un pool a otro que sea una réplica, no es posible cambiar los tipos de redundancia. Si establecemos uno, la única posibilidad sería crear uno nuevo restaurando los datos desde una copia de seguridad u otra ubicación. Por lo cual se deja inservible el sistema anterior.