ZFS erklärt: Ein Dateisystem, alle Funktionen

Um für möglichst redundante und sichere Daten zu sorgen, ist längst keine teure Hardware mehr nötig. Ein Grund dafür ist das Dateisystem ZFS. Es bietet Snapshots, sichere Checksummen, eigene Raid-Level und andere sinnvolle Funktionen - kann aber zu Anfang überfordern.

Artikel von Oliver Nickel veröffentlicht am 4. November 2019, 12:05 Uhr

ZFS ermöglicht auch das Spiegeln von Laufwerken. (Bild: Oliver Nickel/Golem.de)

Ein möglichst redundantes System für Datensicherheit und Integrität aufzubauen, ist seit einiger Zeit nicht mehr nur eine Sache des richtigen Raid-Verbundes. Auch die Wahl des Dateisystems, mit dem Informationen auf Festplatten und SSDs gespeichert werden, spielt eine große Rolle. Systeme wie Windows und diverse Linux-Distributionen nutzen standardmäßig NTFS respektive Ext4, entsprechend groß ist ihre Verbreitung in der IT.

Sobald es darum geht, Laufwerke mit verschiedenen Methoden vor Datenverlust zu schützen, kommen aber beide genannten Filesysteme an ihre Grenzen. Aus diesem Grund ist im Bereich der Netzwerkspeicher und Serversysteme auch das Zettabyte File System - ZFS - bekannt. Doch was zeichnet dieses im Vergleich zu NTFS und Ext4 aus?

Wir denken: Jeder Administrator muss sich damit auseinandersetzen. Allerdings ist das System mit seinen vielen Möglichkeiten sehr komplex, hat einige Einschränkungen und kann daher schnell verwirren. Golem.de gibt eine Übersicht.

Diverse Funktionen, die Datenredundanz sicherstellen sollen - darunter Snapshots, Copy-on-write oder vom Dateisystem verwaltete Raid-Systeme - gehören zu den Eigenschaften von ZFS. Hier kommt auch ein ähnliches, aber unabhängig entwickeltes Dateisystem ins Spiel: das B-Tree File System, kurz Btrfs.

Für welches der beiden Systeme wir uns entscheiden, hängt dabei eher von unserem genutzten Betriebssystem ab. ZFS wird etwa unter FreeBSD unterstützt, welches auf diversen NAS-Systemen verbreitet ist. Auch das beliebte NAS-OS FreeNAS unterstützt ZFS nativ. Golem.de konnte sich im Eigenbau bereits einen eigenen Netzwerkspeicher damit erstellen. Auch konnten wir das Dateisystem anderweitig ausprobieren.

Wo kommt ZFS her?

Nachdem ZFS als Teil des Betriebssystems Solaris durch Oracle gekauft wurde, stellte das Unternehmen die Lizenz des Dateisystems effektiv von Open Source wieder auf ein proprietäres und geschlossenes Modell um und bot dafür keine weiteren Updates an. Das Konzept wurde daher mit dem Open-Source-Projekt Illumos, das auf Opensolaris basiert, später wieder weiterentwickelt.

Seit 2013 beschäftigt sich das Projekt OpenZFS mit der Weiterentwicklung des Dateisystems. Dabei handelt es sich aber um ein separat erhältliches Paket, das nicht mit der GNU Public License kompatibel ist. Aus diesem Grund ist ZFS zwar mit Linux-Distributionen und auch MacOS kompatibel, wird aber nicht im Linux-Kernel verankert und dort weiterentwickelt. Das System wird derzeit von einer Community gepflegt, die FreeBSD, Linux, MacOS und Windows verwendet.

Raid-Z funktioniert ohne zusätzliche Hardware

Von Grund auf unterscheidet sich ZFS von Dateisystemen wie NTFS und Ext4. Es ist Volume Manager und Dateisystem in einem, kennt also physische Laufwerke des Hostcomputers und deren logische Partitionen. Damit ermöglicht ZFS beispielsweise eine Raid-Funktion, das sogenannte Raid-Z. Dabei handelt es sich im Prinzip um ein herkömmliches Raid 5 oder Raid 6, allerdings mit einem dynamischen Striping. ZFS schreibt einzelne Blöcke immer als ganzen eigenen Stripe. Damit wird Datenverlust während des Schreibvorgangs verhindert, etwa wenn währenddessen ein Laufwerk ausfällt oder das System beschädigt wird.

Einen Raid-Z können Anwender mit beliebig vielen Paritätslaufwerken definieren, etwa mit einer, zwei oder mehr Redundanzen. Das kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn Anwender keinen Raid-Controller auf dem Mainboard selbst oder einen dedizierten Controller verwenden möchten oder können. Mit ZFS kann dabei auch aus einem simplen JBOD-Array - also einer Ansammlung mehrerer physischer Datenträger - ein vom Anwender einzelnes sichtbares logisches Volume, ein Virtual Device (Vdev), erstellt werden. Meist besteht ein Vdef aus einer einzelnen Festplatte oder SSD. Die Zusammenfassung mehrerer logischen Laufwerke wird in ZFS auch Pool oder Zpool genannt. Sie werden über alle darin definierten physischen Datenträger verteilt in Stripes abgelegt - ähnlich eines RAID-0-Systems. Oracle selbst gibt eine weiterführende Übersicht über die Fachbegriffe von ZFS.

ZFS ist dabei auch in der Lage, eine Art Raid 1 aufzuziehen. Möglich ist das mit ZFS Mirror. Dabei werden die Daten des Quellpools bei Schreibvorgängen auch auf redundante Pools repliziert. Sollte so ein Gerät ausfallen, können die Daten von der zusätzlichen Hardware gelesen werden. Ein ZFS Mirror ist dabei in der Lage, auch wesentlich mehr als eine redundante Kopie zu erstellen. Wollen wir ein Datenlaufwerk mit zehn redundanten Laufwerken absichern, können wir dies tun. Wir sollten beachten, dass dies natürlich teuer ist. Hier sollten Administratoren abwägen, wie kritisch ihre Daten sind.

Doch wie heißt es in der Welt der IT-Administration: Ein Raid ersetzt kein Backup. Auch hier bietet ZFS eine Lösung an, mit Snapshots des Dateisystems.