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转—— F2FS文件系统架构与原理分析(一)——设计背景与功能 5 Y, U! ~) X2 p9 i8 r* e/ f# }2 {# G( M
3 k+ ~" @5 V" c, H5 f/ z5 E1 F2FS文件系统简介 F2FS (Flash Friendly File System) 是专门为基于 NAND 的存储设备设计的新型开源 flash 文件系统。特别针对NAND 闪存存储介质做了友好设计。F2FS 于2012年12月进入Linux 3.8 内核。目前，F2FS仅支持Linux操作系统。 F2FS 选择 log-structured文件系统方案，并使之更加适应新的存储介质(NAND)。同时，修复了旧式日志结构文件系统的一些已知问题，如(1)wandering tree 的滚雪球效应和(2)高清理开销。 根据内部几何结构和闪存管理机制(FTL)，闪存存储设备有很多不同的属性，所以F2FS的设计者增加了多种参数，不仅用于配置磁盘布局，还可以选择分配和清理算法，优化性能(并行IO提高性能)。 1.1 F2FS文件系统的设计背景和要解决的主要问题
2 q7 F- p6 R/ G4 d" |! R4 e) w. P 1.1.1 LFS（Log-strctured File System） 为管理磁盘上的大的连续的空间以便快速写入数据，将 log 切分成 Segments，使用 Segment Cleaner 从重度碎片化的 Segment 中转移出有效的信息，然后将该 Segment 清理干净用于后续写入数据。 1.1.2 Wandering Tree 问题 在 LFS 中，当文件的数据块被更新的时候是写到 log 的末尾，该数据块的直接指针也因为数据位置的改变而更改，然后间接指针块也因为直接指针块的更新而更新。按照这种方式，上层的索引结构，如 inode、inode map 以及 checkpoint block 也会递归地更新。这就是所谓的 wandering tree 问题。为了提高性能，数据块更新的时候应该尽可能地消除或减少wanderingtree 的更新节点传播。
3 V( e6 O' h- ]2 {0 z; o% u 1.1.3 Cleaning 开销 为了产生新的 log 空闲空间，LFS 需要回收无效的数据块，释放出空闲空间，这一过程称为 Cleaning 过程。Cleaning 过程包含如下操作： (1) 通过查找 segment 使用情况链表，选择一个 segment； (2) 通过 segment summary block 识别出选中的 segment 中的所有数据块的父索引结构并载入到内存； (3) 检查数据及其父索引结构的交叉引用； (4) 选择有效数据进行转移有效数据。 Cleaning 工作可能会引起难以预料的长延时，因而 LFS 要解决的一个重要问题是对用户隐藏这种延时，并且应当减少需要转移的数据的总量以及快速转移数据。 2 F2FS文件系统特性和功能 / F2 w8 j8 c2 D( w5 e4 G% [
2.1 F2FS不支持的特性和功能（后续可能会支持） 当前F2FS不支持如下的特性，但是这些特性在以后如果必要的话也会支持： (1) 快照 (2) 用户配额——最难实现 (3) 不支持NFS (4) 不支持“security”方面的扩展特性(xattrs)
_6 z& _. A: U% P) p 2.2 F2FS的特性和功能 F2FS具有以下特性和功能： (1) 最大文件系统16TB； (2) 32位块寻址空间； (3) 最大文件大小3.94TB； (4) Log-structured； (5) Flash 感知 a) 扩大随机写区域（元数据区域，two-location）以获取更好的性能； b) 尽量使 F2FS 的数据结构与 FTL 的运算部件对齐。 (6) 解决Wandering Tree 问题 a) 用术语“node”表示 inode 以及各种索引指针块； b) 引入 Node Address Table (NAT) 包含所有“node”块的位置，这将切断数据块更新的递归传播。 (7) 最小化Cleaning 开销 a) 支持后台 Cleaning 进程； b) 支持 greedy 和 低成本(转移数据最少)的待清理 Section 选择算法； c) 支持 multi-head logs 用于动态/静态 hot 与 cold 数据分离； d) 引入自适应 logging 用于有效块分配。 ' o0 D+ _$ M! t8 B Z' c& M
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发表于 2019-4-10 07:30
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