Cosa sono e quali sono i principali file system in Linux

di Alex · 15 Settembre 2024

I file system in Linux sono componenti software fondamentali per la gestione e l’organizzazione dei dati sul disco rigido. Essi si occupano di suddividere i dati in partizioni, file, cartelle e altre strutture, assegnando a ciascuno un nome e dei meta-dati che ne identificano il contenuto e le caratteristiche. Questo processo permette di gestire in modo efficiente l’archiviazione, l’accesso e la manipolazione dei dati.

I file system determinano come e dove i dati vengono archiviati, gestendo operazioni cruciali come la lettura, la scrittura e la cancellazione dei file. Inoltre, offrono funzionalità avanzate come le istantanee (snapshot), che consentono di salvare lo stato del file system in un determinato momento, e la crittografia, che protegge i dati da accessi non autorizzati.

Esistono numerosi file system disponibili, ciascuno con caratteristiche specifiche, vantaggi e svantaggi. Tra i più comuni troviamo:

EXT (Extended File System): Il file system predefinito per molte distribuzioni Linux, noto per la sua stabilità e affidabilità. Le versioni più recenti, come EXT4, offrono miglioramenti in termini di prestazioni e scalabilità.
Btrfs (B-tree File System): Progettato per offrire funzionalità avanzate come la gestione delle istantanee, la compressione dei dati e il supporto per volumi di grandi dimensioni. È particolarmente apprezzato per la sua flessibilità e le capacità di auto-riparazione.
XFS: Un file system ad alte prestazioni, ideale per gestire grandi quantità di dati e carichi di lavoro intensivi. È noto per la sua scalabilità e l’efficienza nella gestione di file di grandi dimensioni.
ZFS: Originariamente sviluppato da Sun Microsystems, offre una combinazione unica di funzionalità come la gestione delle istantanee, la deduplicazione dei dati e la protezione contro la corruzione dei dati. È molto utilizzato in ambienti server e di archiviazione.
NTFS (New Technology File System): Utilizzato principalmente nei sistemi operativi Windows, ma supportato anche da Linux tramite driver specifici.
APFS (Apple File System): Introdotto con macOS 10.13 High Sierra nel 2017, offre migliori prestazioni, integrità dei dati e funzionalità moderne rispetto al suo predecessore, HFS+. È ottimizzato per l’archiviazione su SSD, ma può essere utilizzato anche con HDD tradizionali.

Ogni file system ha il proprio modo di operare, con specifiche funzionalità, piattaforme di destinazione e prestazioni. La scelta del file system più adatto dipende dalle esigenze specifiche dell’utente e dall’ambiente in cui verrà utilizzato.

La gerarchia di qualsiasi file system in Linux, a partire della root ovvero dalla radice di tutto il file system, è simile al seguente diagramma:

File system esteso (EXT)

Il file system esteso (EXT) è stato il primo file system predefinito per Linux, sviluppato nel 1992 come alternativa al Unix File System (UFS). Da allora, è diventato uno dei file system più utilizzati dagli utenti Linux, presente fin dalle prime versioni del sistema operativo.

EXT è stato rilasciato in diverse versioni, ciascuna con miglioramenti significativi:

EXT (1992): La prima versione, introdotta come soluzione iniziale per Linux.
EXT2 (1993): Ha portato miglioramenti in termini di stabilità e prestazioni.
EXT3 (2001): Ha introdotto il journaling, migliorando la sicurezza e la velocità di recupero dei dati.
EXT4 (2008): L’ultima versione, che offre numerose funzionalità avanzate.

Funzionalità di EXT4

Attualmente, EXT4 offre molte funzionalità avanzate:

Supporto per file di grandi dimensioni: Può gestire file fino a 16 terabyte e volumi fino a 1 exabyte, dimensioni enormi anche per i big data.
Journaling: Utilizza un file speciale chiamato “journal” per monitorare la coerenza dei dati. In caso di crash o arresti impropri, il file system può ripristinare i dati alla versione più recente senza necessità di un controllo completo del disco.
Nomi di file lunghi: Supporta nomi di file fino a 255 byte.
Allocazione multi-blocco: Permette di scrivere dati su più blocchi contemporaneamente, migliorando le prestazioni durante la scrittura.
Pre-allocazione: Grazie alla funzione fallocate() del kernel Linux, EXT4 può riservare spazio per un file prima della sua creazione, utile per database e file multimediali.
Nessun limite di sottodirectory: È possibile creare un numero illimitato di sottodirectory.
Compatibilità con versioni precedenti: EXT4 è compatibile con EXT3 ed EXT2, permettendo di montare questi file system senza problemi.
Timestamp in nanosecondi: Supporta timestamp in nanosecondi, utile per applicazioni critiche in tempo reale come quelle mediche o finanziarie.

Considerazioni Finali

Il file system EXT4 è considerato una tecnologia matura. Secondo Theodore Ts’o, uno dei principali sviluppatori di EXT4, Btrfs rappresenterebbe un’opzione migliore una volta completato il suo sviluppo. Sebbene EXT4 sia valido per molti scopi, non è il file system più nuovo o avanzato disponibile. Purtroppo, non è previsto il rilascio di un nuovo file system EXT5 nel prossimo futuro.

Btrfs

Btrfs è uno dei file system più recenti della famiglia Linux, rilasciato da Oracle nel 2007 per supportare Big Data e scopi di scalabilità. Nel 2014, il formato del disco di Btrfs è stato dichiarato stabile, e oggi è possibile sceglierlo in quasi tutte le distribuzioni Linux durante il processo di installazione.

Il codice principale di Btrfs è ancora in fase di sviluppo, con numerosi bug corretti e scenari di errore risolti. Nuove funzionalità vengono aggiunte a ogni versione, motivo per cui gli sviluppatori consigliano di utilizzare il kernel Linux più recente se si intende utilizzare Btrfs.

Funzionalità di Btrfs

Btrfs offre un’ampia gamma di funzionalità avanzate:

Sottovolumi: In Btrfs, un sottovolume è uno spazio dei nomi che può includere altri sottovolumi o file. Può essere montato o smontato a seconda delle necessità, con un sottovolume principale (solitamente per /) caricato all’avvio. I sottovolumi sono trattati come file system indipendenti.
Copy-on-Write (COW): Quando un file viene modificato, i dati originali non vengono cambiati. Viene creato un nuovo “link” o inode per la modifica, e sia il file originale che i nuovi dati condividono lo stesso blocco di archiviazione. Btrfs salva ogni modifica in un’area separata vicino al file originale, invece di sovrascriverlo.
Snapshot: Una delle funzionalità più importanti di Btrfs. Gli snapshot permettono di tornare a uno stato precedente del sistema o di recuperare versioni precedenti dei file. Utilizzando la funzionalità COW, gli snapshot e i file correnti condividono lo stesso blocco di dati, riducendo le dimensioni degli snapshot e salvando i metadati di ogni modifica.
Gruppi di quote: Permettono di specificare la dimensione massima che un’istantanea o un sottovolume può utilizzare, utile per risparmiare spazio e limitare l’uso dello spazio da parte degli utenti.
Conversione da EXT: Utilizzando lo strumento btrfs-convert, è possibile convertire i file system EXT2/3/4 in Btrfs senza perdita di dati. Tuttavia, la conversione da EXT3/4 a Btrfs non è ancora completamente testata e non è consigliata.
Ridimensionamento live: È possibile modificare la dimensione di un file system Btrfs montato senza doverlo smontare, a differenza delle partizioni EXT. Tuttavia, non è possibile ridimensionare il file system root senza smontarlo prima.
Gestione di file di grandi dimensioni: Btrfs può gestire file fino a 16 exabyte.
Compressione: Supporta gli algoritmi di compressione Zlib e LZO, permettendo di avere file compressi e non compressi sullo stesso file system.

Considerazioni Finali

Btrfs è uno dei file system emergenti della famiglia *NIX, noto per la sua velocità rispetto a EXT e per le numerose funzionalità avanzate come snapshot e sottovolumi. Tuttavia, è ancora in fase di sviluppo e non è ancora pronto al 100% per tutti i possibili scenari. Per ulteriori informazioni, consulta il wiki di Btrfs.

XFS

XFS è un file system con journaling a 64 bit, inizialmente sviluppato da Silicon Graphics, Inc. (SGI) nel 1993 per il loro sistema operativo IRIX. È noto per le sue eccellenti prestazioni nelle operazioni di I/O, rendendolo ideale per la lettura e scrittura di dati ad alta velocità. Per questo motivo, è spesso consigliato come file system predefinito per la partizione home, se separata dalla partizione root. XFS è stato integrato nel kernel Linux nel 2001 e funziona anche con il sistema FreeBSD.

Funzionalità di XFS

Design unico: XFS ha un design che gli conferisce elevate prestazioni nell’esecuzione di processi I/O paralleli.
Gruppi di allocazione: Utilizza divisioni speciali del disco, simili ai sottovolumi di Btrfs, per migliorare l’efficienza.
Thread I/O: I gruppi di allocazione permettono di creare un numero elevato di thread I/O, consentendo operazioni simultanee su file e cartelle di grandi dimensioni.
Journaling dei metadati: Supporta il journaling dei metadati per prevenire incoerenze nei dati.
Scalabilità: XFS è progettato per gestire file system di dimensioni molto grandi, fino a 8 exabyte.
Deframmentazione online: Supporta la deframmentazione dei file system mentre sono in uso, migliorando le prestazioni senza tempi di inattività.
Quota di disco: Permette di impostare quote di utilizzo del disco per utenti e gruppi, aiutando a gestire lo spazio disponibile.
Snapshot: Anche se non nativamente, XFS può essere utilizzato con LVM (Logical Volume Manager) per creare snapshot del file system.
Supporto per file di grandi dimensioni: Può gestire file di dimensioni fino a 8 exabyte, rendendolo ideale per applicazioni che richiedono la gestione di file molto grandi.
Riparazione del file system: Include strumenti avanzati per la riparazione del file system, che possono correggere errori senza richiedere un riavvio.

Utilizzo e Prestazioni

XFS è utilizzato da organizzazioni come la NASA, che lo impiega su 2 dischi rigidi da oltre 300 TB nei loro server di archiviazione, grazie alle sue elevate prestazioni I/O. Tuttavia, XFS non supporta le istantanee. Supporta il ridimensionamento in tempo reale (ma non la riduzione) e offre un’utilità di deframmentazione chiamata xfs_fsr, che può essere utilizzata per eseguire la deframmentazione in tempo reale del file system.

OpenZFS

OpenZFS è un altro file system copy-on-write, nato come fork di ZFS. ZFS fu originariamente sviluppato da Sun Microsystems per il sistema operativo Solaris. Dopo l’acquisizione di Sun da parte di Oracle, quest’ultima non mostrò interesse nel continuare lo sviluppo di ZFS, preferendo concentrarsi su Btrfs. Di conseguenza, ZFS fu abbandonato.

Successivamente, la comunità e gli sviluppatori originali di ZFS si unirono per creare OpenZFS. Questo progetto è ora sponsorizzato da diverse aziende, tra cui Intel.

Caratteristiche di OpenZFS

OpenZFS offre una serie di funzionalità avanzate che lo rendono unico:

Gestione dei Pool di Archiviazione: Consente di aggregare più dispositivi di archiviazione in un unico pool, facilitando la gestione e l’espansione dello spazio di archiviazione.
Copy-on-Write (COW): Ogni modifica ai dati crea una nuova copia, preservando l’integrità dei dati originali.
Snapshot e Cloni: Permette di creare snapshot istantanei del file system, che possono essere utilizzati per il backup o il ripristino. I cloni sono copie scrivibili degli snapshot.
RAID-Z: Una variante avanzata del RAID che offre protezione contro la perdita di dati senza la necessità di un controller hardware RAID.
Compressione Trasparente: Supporta la compressione dei dati in tempo reale, riducendo lo spazio di archiviazione necessario.
Deduplicazione: Elimina i dati duplicati, risparmiando spazio su disco.
Integrità dei Dati: Utilizza checksum end-to-end per rilevare e correggere la corruzione dei dati.
Scalabilità: Progettato per gestire grandi quantità di dati e supportare file system di dimensioni molto elevate.

Una delle capacità di OpenZFS è l’auto-riparazione. Il file system può rilevare e correggere gli errori durante l’uso, senza la necessità di un file system checker dedicato. Questa caratteristica lo rende adatto per applicazioni mission-critical che richiedono elevata disponibilità.

JFS

Il Journaled File System (JFS) è un file system con journaling a 64 bit sviluppato da IBM. La prima versione, JFS1, fu introdotta nel 1990 con AIX 3.1. Nel 1999, IBM rilasciò una versione migliorata per OS/2, e nel 2001 JFS fu contrassegnato come stabile per Linux. JFS è noto per le sue buone prestazioni generali e per il basso utilizzo della CPU, rendendolo ideale per computer con risorse limitate, come server di database che richiedono un utilizzo intensivo della CPU.

Funzionalità di JFS

JFS offre una serie di funzionalità avanzate:

Journaling: Mantiene un registro delle modifiche per garantire la coerenza dei dati in caso di crash del sistema.
Compressione: Supporta la compressione dei dati per risparmiare spazio su disco.
Gruppi di allocazione: Utilizza gruppi di allocazione per migliorare l’efficienza nella gestione dello spazio su disco.
Allocazione dinamica degli inode: Alloca dinamicamente gli inode, evitando di esaurire gli inode su file system con un gran numero di piccoli file.
Superblocco: Contiene informazioni critiche sul file system, come dimensione, blocchi di dati e dimensione del blocco.

Utilizzo e Prestazioni

JFS è particolarmente adatto per sistemi con risorse limitate grazie al suo basso utilizzo della CPU. Ad esempio, è ideale per server di database che richiedono elevate prestazioni della CPU. Tuttavia, JFS non è disponibile per impostazione predefinita nella maggior parte delle distribuzioni Linux perché il pacchetto di supporto jfsutils non è installato di default.

Conclusione

Ci sono molti file system disponibili, e molti di essi funzionano bene su Linux. Puoi scegliere il file system che meglio si adatta alle tue esigenze. Di solito, come utente finale, non noterai grandi differenze, a meno che tu non abbia bisogno di funzionalità specifiche come istantanee o operazioni I/O veloci. Potresti provare diversi file system per trovare quello che funziona meglio per te.

Se lo desideri, puoi anche effettuare un benchmark tra i vari file system utilizzando l’utilità di GNOME che si chiama “Dischi” inserita nel menu “hamburger” (i 3 puntini verticali). Nell’ambiente KDE si chiama KDiskMark. In altri ambienti non ci sono programmi simili ma puoi usare questi installandoli o potresti anche prendere in considerazione iozone, un software completo per l’esecuzione di benchmark dei file system.

Se vuoi conoscere altri files ystem allora puoi leggere su Wikipedia che ne fornisce una lista completa.

Fonte: https://fosspost.org/overview-on-essential-linux-filesystems

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