Надежность дисковой системы NT

Часть 4. Журналирование NTFS

Описание того простого факта, что NTFS является журналируемой системой, повергло многочисленных поклонников других файловых и операционных систем в искреннее возмущение. В многочисленных письмах, адресованных мне, NTFS называли системой с квази-журналированием или даже без журналирования вообще, ставя в противовес многочисленные файловые системы Unix. Мне пришло также много писем, указывающих на фатальные сбои NTFS, восстановится от которых не удалось - данные были потеряны. В данной части я попытаюсь, в меру своих сил и понимания, объяснить философию журналирования и средств защиты от сбоев NTFS, а также пояснить причины появления фатальных сбоев. Я постараюсь оправдать подход корпорации Microsoft, которая сделала всё именно так, как сделала - по крайней мере, я изложу причины реализованных технологических решений и те компромиссы, на которые пришлось пойти коллективу разработчиков NTFS.

Журналируемые операции

Прежде всего, хотелось бы рассказать о том, какие именно операции журналируются. Совершенно очевидно, что полный undo-файл, способный откатить абсолютно все операции, абсолютно невозможен как с точки зрения быстродействия, так и с точки зрения здравого смысла. Да, такое журналирование дало бы возможность восстановить большее число данных - например, при осуществлении перезаписи трех мегабайт в середине файла мы могли бы сначала сохранить новые данные в логе, затем переписать туда же предыдущие три мегабайта файла, и уж только затем осуществлять операции с реальными данными. Такой подход гарантировал бы полную определенность с судьбой информации - мы всегда смогли бы понять, какая часть данных уже записалась на диск, а какая находится в исходном, не обновленном состоянии. Он имеет всего один скромный недостаток - небольшая накладочка по быстродействию: для записи на диск трех мегабайт мы вынуждены будем осуществить разнообразные дисковые операции на объем в три раза больший - девять мегабайт. Да, полное журналирование также применяется - но в основном при работе с базами данных. Если вы желаете обеспечить полное журналирование каких-либо данных, вы можете поставить MS SQL или даже Oracle, который вообще не будет пользоваться средствами какой либо файловой системы и обеспечит сохранность ваших данных в любых разумных условиях. Сторонникам же полного журналирования файловой системы я могу ответить одно: решение сократить быстродействие операций записи в три раза, на мой взгляд, является слишком смелым для обязательного применения - и на домашних компьютерах, и на серверах.

Подход разработчиков NTFS был принципиально иным. Главный девиз был, видимо, не "надежность любой ценой", а "неизменность быстродействия". Журналирование просто не должно было помешать работе файловой системы. Первый логичный шаг - отменить полное журналирование как абсолютно неприемлемое с точки зрения быстродействия. В NTFS применяется журналирование логических структур, а не данных пользователя - отсюда и идет фраза, что сохранность данных не гарантируется, но, тем не менее, корректное состояние самой системы будет поддерживаться. То, что NTFS не журналирует данные файлов, приводит на практике к одному варианту потери данных - в том же гипотетическом случае записи трех мегабайт, в случае сбоя в процессе записи никогда уже не удастся установить, какая часть данных записалась, а какая осталась неизменна. Операции, которые, тем не менее, журналируются системой - это операции со структурами самой системы, то есть с файлами и каталогами: добавление файлов, переименование, перенос, создание и удаление (освобождение свободного места). Журналируются также и операции дефрагментации - то есть перемещения фрагментов файлов. Одним словом, все логические операции журналированы.

Отложенная запись и контрольные точки журналирования

Известно, что любая современная система для ускорения файловых операций вынуждена использовать кэширование, в том числе - кэширование операций записи. Так называемая отложенная запись - принцип кэширования, при котором данные, предназначенные для записи на диск, некоторое время сохраняются в кэше и лишь в свободное от других занятий время сохраняются физически. Отложенная запись существенно повышает эффективность дисковых операций, так как такое кэширование группирует множество операций в одну - это особенно эффективно, если запись производится в компактные участки диска. Еще один плюс отложенной записи - не мешать более нужным операциям чтения, и осуществлять запись только тогда, когда система свободна и ей не требуется доступ к диску для других нужд. Как согласовать отложенную запись с журналированием? Это довольно сложный вопрос, так как откладывание записи делает возможным потерю тех данных, которые находились в очереди на физическую запись и не успели записаться на диск до сбоя. Самое неприятное здесь даже не потеря данных, а то, что происходит рассогласование времени записи: какие-то служебные области могут быть обновлены, а какие-то смежные по смыслу - еще нет, так как их обновление могло отложится еще на пару секунд и не состоятся из-за сбоя.

NTFS справляется с этими проблемами с помощью смысловой интеграции операций отложенной записи и ведения журнала. При попытке начать журналируемую операцию в лог тут же записывается намерение - например, стереть файл. Это случается без задержек - на этом этапе отложенная запись не работает: это плата за присутствие журналирования, которой нельзя избежать. Но вот все остальные операции уже идут в задержанном режиме - то есть они могут состояться частично (могут еще в придачу и не в том порядке) или не состоятся вообще. Единственная задержанная операция, работа которой несколько отличается от простой записи - запись в лог об удачном завершении предыдущих транзакций, так называемая контрольная точка. Через определенные промежутки времени - обычно через каждые несколько секунд - система в обязательном порядке сбрасывает абсолютно все задержанные операции на диск. После произведения этой операции в журнал записывается простейшая запись - контрольная точка - которая говорит о том, что все предыдущие операции выполнены корректно на всех уровнях - как на логическом, так и на физическом.

Такой режим работы - с помощью записей и контрольных точек - с одной стороны, по прежнему гарантирует полностью корректную работу журналирования, а с другой стороны практически совершенно не приводит к замедлению работы: простановка контрольных точек производится, считай, мгновенно, а запись в журнал о начале операции соответствует по трудозатратам записи самих данных без отложенного кэширования. Реальная же запись, осуществляемая позже, в подавляющем числе случаев не мешает никаким операциям и не идет в ущерб производительности системы.

Проблемы отложенного журналирования: концепция дублирования информации

Вся вышеописанная теория достаточно хороша, но способна, тем не менее, вызвать очень неприятные последствия, если не учесть еще нескольких вещей, о которых и пойдет речь.

Рассмотрим такой случай: мы стираем файл. Журнал получил запись - "файл N стирается". Затем запаздывающему кэшу стало угодно осуществить сначала физическую пометку о том, что место, занимаемое файлом, освободилось, а уж только затем удалить файл из физических структур MFT и каталога. Допустим, диск находится в активной работе, и на освободившееся место тут же записывается другой файл. В этот момент происходит сбой. Система, загружаясь, исследует журнал и видит незавершенную операцию "файл N стирается" - вернее, как я уже описал выше, не незавершенную, а просто операцию, контрольная точка после которой отсутствует, что автоматически говорит о её незавершенности. Следующая фаза была бы "откат операции" - то есть восстановление файла. Одна незадача - место, физически занимаемое файлом, содержит уже другие данные.

Для недопущения таких ситуаций система, желающая ограничиться логическим журналированием, вынуждена применять принцип "временно занятого места". Место, освобожденное каким-либо объектом или записью о нем, не объявляется свободным до тех пор, пока физически не завершились все операции с логическими структурами. Данный механизм в NTFS, по видимому, не синхронизирован даже с проставлением контрольных точек, так как типичное время освобождения временно занятого места - около 30 секунд, точки же идут чаще.

Данный механизм применяется не только при стирании файла, но и при самых разных операциях: принцип журналирования - объект, убранный или перемещенный на новое место, должен иметь возможность корректно откатить своё "отбытие" - то есть данные, на которые ссылаются логические структуры удаляемого или перемещаемого объекта, необходимо еще на некоторое время зарезервировать как занятое место (диска/каталога). Это еще один шаг NTFS к полному журналированию, где специфическим журналом файловой информации служат сами данные освобождаемых областей, не уничтожаемые физически.

Допущения, обеспечивающие надежность

Ну хорошо, скажете вы, всё так замечательно - но почему же тогда разделы NTFS всё же летят?.. Сейчас я постараюсь объяснить принципы, которые приводит к тому, что вышеописанная модель сможет обеспечить полную восстанавливаемость логических структур.

• Жесткий диск, в штатном режиме, должен записать именно то и именно туда, что и куда ему сказано было записать операционной системой. Данный принцип нарушается в случае, если система имеет ненадежный шлейф, процессор, память или контроллер - и это самая распространенная причина сбоев NTFS. Вам поможет: неразогнанный процессор, дорогая (качественная) память, хорошая материнская плата и протокол UDMA, обеспечивающий контроль и восстановление ошибок на участке контроллер-диск.
• Жесткий диск, в случае аварии, отключения питания или получения от контроллера сигнала "сброс" (в случае внезапной перезагрузки материнской платы) обязан корректно завершить запись данных текущего физического сектора, если таковая производилась на момент аварии. Промежуточное состояние сектора не допускается. Вам помогут современные винчестеры, которые могут осуществить данную операцию даже в случае полного пропадания питания - у них хватит буферизированной в конденсаторах энергии, и их логика рассчитана на корректное поведение в случае отказа питания при записи.
• Диск обязан мгновенно осуществить запись данных, отправленных с флагом "не кэшировать". Дело в том, что многие современные диски или контроллеры обеспечивают задержанную запись. Метафайлы NTFS обновляются в режиме "писать сразу", и контроллер/диск обязан выполнять это требование.
• Жесткий диск обязан обеспечить чтение именно тех данных, которые были записаны. В случае невозможности прочесть данные выдается сигнал "ошибка". Диск не имеет права возвращать ошибочные данные (возможно, лишь частично некорректные) без сигнала об ошибке. Все современные жесткие диски имеют контрольные суммы секторов и жестко следуют этой логике поведения.

Четкое выполнение этих требований полностью гарантирует надежную работу NTFS. Структура файловой системы не будет содержать существенных ошибок даже после сбоя. Некоторые несущественные ошибки всё же появляются из-за того, что логика журналирования часто пытается завершить недоделанные операции - например, то же удаление файла - тогда как полную надежность обеспечивал бы только безусловный откат всего, что находится после последней контрольной точки. Малые несоответствия, рождающиеся из этих попыток, относятся к избыточной информации системы безопасности, не представляют никакой реальной опасности для данных - они действительно незначительны. Суть этих несоответствий чаще всего заключается в том, что на диске остаются "лишние" данные о тех режимах доступов, которые уже не понадобятся системе. Их прочистка - дело сугубо повышения производительности, как, например, дефрагментация, поэтому их наличие не является на самом деле ошибкой. В случае же обнаружения серьезных, реальных, проблем драйвер сам установит флажок тома "грязный", что проинструктирует систему проверить том при следующем его монтировании.

Я с большим сожалением должен сказать, что подавляющее большинство фатальных ошибок NTFS происходит по вине аппаратуры, не выполняющей эти элементарные требования. Да, я понимаю, абсолютной надежности не бывает. Но Microsoft пошел по пути разделения труда - за надежность вашей аппаратуры корпорация ответственности не несет. Мой компьютер на 70% не попадает в список совместимого с Windows 2000 оборудования, и то же самое можно сказать про почти любую реальную машину, функционирующую на просторах бывшего СССР. Особенно это относится к любителям разгонять компьютеры. Запомните раз и навсегда: вы с огромной степенью вероятности угробите NTFS в первый же год работы, если ваш процессор - 333, разогнанный на 415. И даже не раз... Мне очень жаль, но это действительно так. От любых сбоев корректного компьютера NTFS защитит, но вот от записи случайных данных в бут-сектор (копия которого, кстати, хранится в самом конце раздела) и в MFT система просто не страхуется. Извините.

• Вперед >>>

• 0
• 1
• 2
• |Все сразу|