Безпечне керування даними за допомогою Ext4: Огляд файлової системи Linux

Кожна файлова система має свої переваги та недоліки. У цій статті ми детально розглянемо особливості файлової системи Linux EXT (Ext2, Ext3, Ext4).

Зміст

1. Що таке файлова система EXT?
2. Еволюція файлової системи EXT. Історія змін у версіях.
   • Ext2
   • Ext3
   • Ext4
3. Функції файлової системи Ext4
4. Переваги та недоліки файлової системи Ext4
5. Структура файлової системи EXT
6. Чи варто вимкнути ведення журналу
7. Як відкрити диск EXT у Windows?
8. Найкращі альтернативи файловій системі EXT

Що таке файлова система EXT?

Файлова система EXT (розширена файлова система) розроблена спеціально для операційної системи Linux. Головною метою, яку ставили перед собою творці EXT, було подолати максимальний розмір файлів, доступних для запису, який на той час становив лише 64 МБ. Завдяки створенню нової структури метаданих максимально можливий розмір файлу було збільшено до 2 Гб. Водночас максимальна довжина імен файлів зросла до 255 байт.

Ремі Кард, головний розробник файлової системи EXT, захоплювався файловою системою UFS, тому деякі її функції були передані до EXT.

Незважаючи на те, що Linux підтримує велику кількість файлових систем, EXT надається перевага, оскільки вона побудована на ядрі Linux.

Хоча EXT подолав головні недоліки файлової системи Minix (яка використовувалася в Linux на той час), її основним недоліком були мітки часу. EXT дозволяв лише одну позначку часу на файл. З цієї причини розробка EXT тривала, і в пізніших версіях він постійно розвивався та додавав нові функції.

Він став дуже популярним не лише серед користувачів Linux, але й серед власників смартфонів Android. Ось чому Android за умовчанням використовує файлову систему Ext4.

Еволюція файлової системи EXT. Історія змін у версіях.

Як згадувалося вище, незважаючи на те, що EXT подолав обмеження файлової системи Minix, він усе ще мав багато недоліків. Ось чому розробка EXT не припинялася, і в майбутньому було додано ще три версії.

Ext2

Як і попередній, Ext2 був створений Remy Card. Ця файлова система побачила світ у січні 1993 року.

Найважливішим нововведенням було те, що тепер дані записуються блоками однакової довжини. Це дозволило значно збільшити продуктивність файлової системи. Крім того, використання блоків даних дозволяє збільшити максимальний розмір файлів, що зберігаються. Тепер це було 2 ТБ замість 2 ГБ. Довжина імені файлу все ще була 255 байт.

Але Ext2 мало чимало недоліків. Найбільшою проблемою була відсутність журналу. Якщо під час запису файлів на диск стався збій живлення, файлова система буде пошкоджена, і її буде досить важко відновити.

У деяких випадках відсутність журналювання була однозначним плюсом. Наприклад, Ext2 швидший за Ext3. Ось чому в деяких випадках Ext2 все ще використовується сьогодні. Крім того, відсутність журналювання зменшує навантаження на SSD-накопичувачі. Ось чому деякі компанії використовують Ext2 і використовують RAID для захисту даних.

Щоб дізнатися більше про RAID, ви можете прочитати статтю “RAID – що це таке та як можна використовувати?“

Ще одним недоліком файлової системи Ext2 була висока фрагментація даних, яка призводила до втрати продуктивності. Тобто під час запису файл розбивався на кілька частин, а потім вони записувалися в різні частини жорсткого диска. Таким чином, процес читання тривав довше. Чим більше інформації зберігалося на диску, тим меншою була швидкість читання/запису даних.

Тому розвиток файлової системи EXT не зупинився на цій версії, і в листопаді 2001 року з’явилася наступна версія – Ext3.

Ext3

Файлова система Ext3 є вдосконаленою версією Ext2. Інформація, як і раніше, записується в блоки даних тієї ж довжини, а максимальний розмір файлу залишається незмінним – 2 ТБ.

Однак він включає ведення журналу, технологію, яка значно знижує ризик втрати даних.

Суть полягає в наступному – файлова система позначає всі заплановані зміни в структурі даних. У разі зникнення живлення система миттєво зчитує інформацію з «журналу » і файли не втрачаються.

Ext3 підтримує три рівні ведення журналу:

1. Журнал – файлова система записує до журналу як метадані, так і дані користувача, тим самим практично гарантуючи успішне відновлення файлової системи у разі втрати живлення. У той же час цей метод найбільш сильно погіршує продуктивність файлової системи.
2. Зворотний запис – спочатку метадані записуються в журнал, а лише потім інформація записується у файлову систему. Відсутня синхронізація метаданих та інформації у файловій системі. Цей рівень журналювання є найшвидшим, оскільки немає потреби у перевірці. Однак основним недоліком є те, що якщо щось станеться з системою, ви втратите дані.
3. Упорядкований (упорядковане журналювання ) – процес запису виконується в певному порядку: спочатку метадані записуються в журнал, потім дані користувача записуються в файлова система. Після цього метадані підключаються до файлів на диску. У разі збою живлення «зникають» лише файли, записані на диск у цей момент. Структура файлової системи не пошкоджена.

Файлова система Ext3 стала досить популярною та використовувалася до наступної версії – Ext4.

Ext4

Ext4 – була представлена в 2008 році і наразі є останньою версією файлової системи EXT . Він використовує основні принципи Ext3, але швидкість значно збільшено (вона навіть швидша, ніж у Ext2 ), максимальний розмір файлу збільшено до 16 ГБ, додано підтримку дисків до 1 ексабайта та багато іншого.

Новацій досить багато. Перейдіть до наступного пункту в цій статті, щоб прочитати про них.

Функції файлової системи Ext4

Хоча файлова система Ext4 використовує основні концепції Ext3, вона має багато інновацій, які зробили її такою популярною

По-перше, метод запису файлів на основі простору використовується в Ext4 для підвищення продуктивності. Це означає, що перед записом файлу на диск файлова система виділяє площу поверхні, а потім записує дані в кінець цього.

У файлову систему Ext4 вперше додано зворотну сумісність із Ext2 і Ext3 . Наприклад, ви можете автоматично монтувати Ext3 за допомогою драйвера Ext4.

Наступним моментом є введення екстентів. Справа в тому, що в старих версіях блоки даних файлів відображаються по-старому, тобто відображаються всі блоки, що належать певному файлу. Це накладає деякі обмеження при роботі з великими файлами. Наприклад, це знижує продуктивність.

Реалізація екстентів дозволяє відображати велику кількість послідовних блоків інформації за допомогою одного дескриптора. Такий підхід підвищує продуктивність файлової системи в кілька разів. Система зберігає лише адресу першого та останнього блоку даних, який відповідає великому файлу.

Зменшення фрагментації файлів шляхом більш ефективного розподілу блоків пам’яті є ще однією інновацією. Перед записом файлу Ext4 виділяє блоки, які знаходяться поблизу, щоб скоротити час, необхідний для пошуку потрібного блоку під час читання даних.

Ext4 має функцію відкладеного виділення, яка виділяє блоки пам’яті безпосередньо перед записом файлів на диск. Таке рішення дозволяє зменшити навантаження на кеш-пам’ять і, відповідно, підвищити продуктивність.

Новим для Ext4 є можливість створювати необмежену кількість підкаталогів без втрати продуктивності. Причина в тому, що Ext4 використовує структуру даних HTree, яка є версією B-дерева, адаптованою спеціально для Ext4 >.

Інновація, яка одночасно покращує продуктивність і безпеку, це впровадження контрольних сум журналу. Цей метод постійно перевіряє блоки даних на наявність пошкоджень. У свою чергу, це зменшує час ведення журналу та підвищує продуктивність.

Тепер доступна швидка перевірка файлової системи. Це було реалізовано таким чином: у Ext4 позначаються таблиці inodes і вільні групи блоків. Це означає, що під час перевірки файлової системи перевірятимуться лише блоки з даними.

Новою функцією є e4defrag, яка дозволяє дефрагментувати як весь диск, так і окремі файли. Зменшення фрагментації не тільки робить систему швидшою, але й зменшує навантаження на процесор тощо.

Як бачите, інновацій чимало, і вони значно покращують безпеку та продуктивність. У свою чергу, це саме те, що потрібно користувачам. Ось чому Ext4 так популярний сьогодні.

Переваги та недоліки файлової системи Ext4

Незважаючи на впровадження нових функцій і покращення продуктивності, файлова система Ext4 також має багато недоліків. Тому, перш ніж почати використовувати його на своєму диску, пропонуємо користувачеві порівняти його переваги та недоліки.

Переваги Ext4 включають наступне:

1. Ведення журналу – файлова система веде журнал змін, тож у разі збоїв ви можете без проблем відновити структуру файлової системи ;
2. Підтримка шифрування – тепер користувачі можуть шифрувати свої дані без зниження продуктивності;
3. Висока стабільність – файлова система Ext4 може самостійно контролювати свій стан. Це робиться за допомогою контрольних сум журналу. Крім того, минуло понад 10 років після випуску Ext4, і за цей час вона зарекомендувала себе як дуже надійна файлова система;
4. Підтримується за замовчуванням у багатьох дистрибутивах – це означає, що ви матимете всі необхідні інструменти Ext4 із коробки. Він також використовується в картах пам’яті в смартфонах Android, а це означає, що вам не потрібно буде встановлювати додаткове програмне забезпечення для роботи з даними смартфона;
5. Активна розробка – на сьогодні розробники активно працюють над покращенням Ext4. Ви постійно отримуватимете нові можливості для роботи з даними;
6. Низька фрагментація – ви отримуєте дуже швидку файлову систему. Часто відсутність фрагментації є вирішальним фактором, коли йдеться про те, яку файлову систему використовувати на флеш-накопичувачах і знімних носіях;
7. Велика кількість обмежень – під час створення файлової системи створюється певна кількість inode, необхідних для запису файлів. У деяких файлових системах кількість inode може бути занадто малою, і користувач не зможе записати новий файл, навіть якщо на диску є вільне місце. Це може статися, якщо у вас багато маленьких файлів. На щастя, у Ext4 цієї проблеми немає, і існує достатньо inode як для користувачів, так і для серверних систем;

На жаль, у Ext4 також чимало недоліків. Серед найважливіших:

1. Відсутність підтримки функцій файлової системи наступного покоління – Ext4 не підтримує керування томами, дедуплікацію даних тощо;
2. Відсутність перевірки контрольної суми для даних – це унеможливлює виявлення пошкоджених даних через апаратні збої;
3. Погана масштабованість – незважаючи на те, що максимальний розмір розділу становить 1 ексабайт, насправді, якщо ви створюєте розділи розміром понад 100 терабайт strong>, продуктивність дуже повільна;
4. Відсутність підтримки прозорого стиснення та прозорого шифрування – ці технології все ще знаходяться на експериментальній стадії;
5. Іноди займають до 10% простору розділу – якщо під час створення файлової системи буде виділено менше інодів, існує ймовірність, що вони закінчаться, і користувач не зможе написати новий файли, навіть якщо на диску є вільне місце;

Тепер ви можете порівняти переваги та недоліки файлової системи Ext4 і вирішити для себе, використовувати її чи ні.

Структура файлової системи EXT

Структура файлової системи EXT така сама, як і в більшості файлових систем UNIX . Схематично це можна зобразити так:

Тобто ви можете виділити кілька основних компонентів у структурі EXT :

1. Суперблок – розташований на початку файлової системи (зазвичай у перших 1024 байтах розділу). Система автоматично створює кілька копій суперблоку, оскільки без такої працювати не може. Суперблок зберігає основну інформацію про файлову систему, таку як:
   1. загальна кількість блоків даних і inodes для всієї файлової системи;
   2. кількість вільних inodes і блоків даних, у які можна записати файли;
   3. розмір inode і блоку даних (ці дані вказуються під час створення файлової системи);
   4. інформація про файлову систему – час монтування, останні зміни тощо.
2. Одразу після суперблоку є глобальна таблиця дескрипторів груп блоків (Таблиця опису груп). У цій таблиці описано перший і останній блоки для кожної групи блоків, а також відомості про те, у якій групі починається таблиця inodes, початок блоків даних тощо.
3. Block Bitmap – це спеціальна таблиця, яка визначає, які блоки в групі використовуються, а які вільні. Ця інформація використовується під час розподілу інформації про блоки. 0 означає, що блок вільний, а 1 означає, що блок зайнятий.
4. Inode Bitmap – те саме, що і блокове растрове зображення, але відображає інформацію про вільні inode, які можна використовувати для запису нових файлів.
5. Блоки даних – виділені фізичні блоки пам’яті, де зберігаються дані користувача.

Структура файлової системи приблизно однакова для Ext2, Ext3 і Ext4. Відрізняється лише функціональність кожної версії файлової системи EXT .

Чи варто вимкнути ведення журналу

Основна мета журналювання полягає в тому, щоб переконатися, що структуру файлової системи можна відновити у разі збоїв або раптових відключень електроенергії. У той же час, процес ведення журналу потребує певного часу та ресурсів. Тому деякі користувачі вирішують вимкнути ведення журналу для підвищення продуктивності.

Це суб’єктивно, оскільки вимкнення журналювання має сенс, лише якщо у вас є розширені функції захисту даних (наприклад, якщо ви використовуєте RAID 5).

Якщо у вас немає додаткового захисту, не вимикайте журналювання, оскільки приріст продуктивності дуже малий, а ризик втрати важливих даних у кілька разів більший.

Однак, якщо ви вирішите вимкнути журналювання, спершу переконайтеся, що захистіть свої важливі дані, створивши їх резервну копію за допомогою масив RAID або принаймні використання джерела безперебійного живлення.

Як відкрити диск EXT у Windows?

Операційна система Windows використовує файлову систему NTFS. Тому, як тільки ви підключите диск, відформатований у EXT, Ext2, Ext3, Ext4, ви негайно отримати сповіщення про те, що файлова система диска не підтримується.

Перший (і найкращий) спосіб — скористатися програмою RS Partition Recovery. Ця програма проста у використанні. Все, що вам потрібно, це встановити його на свій комп’ютер. Тоді ви можете відразу підключити привід Ext2,3,4 і працювати з даними. Вам навіть не потрібно перезавантажувати комп’ютер.

RS Partition Recovery

Універсальне рішення для відновлення даних

Спробувати Безкоштовно

Але найголовніше те, що RS Partition Recovery дозволяє відновити втрачені дані, якщо щось трапиться з файловою системою чи самим файлом. Наприклад, ви випадково видалили файл – нічого страшного. Ви відформатували диск із важливою інформацією – нічого страшного. RS Partition Recovery відновить ваші дані.

Хочемо також відзначити підтримку ВСІХ сучасних файлових систем, що робить RS Partition Recovery своєрідним універсальним інструментом, який повинен бути в арсеналі кожного, хто працює з даними .

Другий спосіб — установити драйвер EXT2FSD, який додає підтримку файлової системи Ext 2, 3 або 4 у Windows.

Основним недоліком цього методу є те, що драйвер EXT2FSD іноді конфліктує з драйверами Windows, і замість обіцяної підтримки EXT ви можете отримати non -робоча операційна система. Крім того, спроби відновити функціональність Windows часто можуть призвести до втрати важливих даних. Не лише на диску C:, а й на зовнішньому диску (якщо він був підключений до комп’ютера на момент збою).

Третій спосіб — встановити спеціальний плагін для Total Commander під назвою ext4tc. Цей спосіб також має підводні камені. По-перше, вам потрібно буде придбати сам Total Commander, а потім додатково встановити ext4tc плагін.

Крім того, іноді після встановлення плагіна ext4tc диспетчер файлів аварійно завершує роботу. Тому слід бути обережним під часманіпулювання важливими даними.

Ми настійно рекомендуємо не ризикувати важливою інформацією, оскільки іноді вона коштує дорожче, ніж цілий комп’ютер і програми. Тому краще використовувати перший спосіб, описаний вище.

Найкращі альтернативи файловій системі EXT

У мережі з’являється все більше інформації про те, що оскільки Ext4 не підтримує функції наступного покоління, операційна система Linux перейде на Btrfs незабаром. Ось чому багато користувачів задаються питанням, чи варто використовувати Ext4 чи краще встановити альтернативну файлову систему, як-от Btrfs або іншу.

Рішення за користувачем, але насправді — Ext4 не підтримує багато сучасних функцій. Отже, якщо ви хочете використовувати перевірену часом файлову систему, але готові відмовитися від багатьох сучасних функцій, ваш вибір – Ext4. Він стабільний, широко підтримується та добре працює.

Якщо ви хочете мати сучасну файлову систему, яка підтримуватиме всі нові функції, і водночас не боятися мати справу з дещо менш зрілою екосистемою, Btrfs — ваш вибір. Крім того, ви будете на крок попереду, оскільки незабаром більшість дистрибутивів Linux використовуватимуть його за замовчуванням.

Якщо ви шукаєте найкращу файлову систему для свого сервера, надійність і мінімальний ризик втрати даних, найкращою альтернативою є файлова система ZFS. Є одна річ — вам потрібно прочитати багато інформації та вивчити багато команд, щоб використовувати її якомога ефективніше.

Використовувати чи ні файлову систему EXT вирішувати кожному. Ми сподіваємося, що після прочитання цієї статті ви зможете зробити вибір, який найкраще відповідає вашим потребам.