Btrfs文件系统快速起步

本文是在CentOS 7上实践部署Btrfs文件系统，实现单磁盘卷管理和RAID功能

安装工具包

  • RedHat EPEL / CentOS

yum install btrfs-progs -y

  • debian / ubuntu

apt-get install btrfs-tools -y

单磁盘btrfs操作

对于构建分布式文件系统的底层文件系统，不需要构建RAID，可以采用单盘操作。这里的案例是采用 /dev/sda4主分区作为btrfs

fdisk /dev/sda

创建磁盘分区 /dev/sda4

  • 使用Btrfs格式化文件系统

mkfs.btrfs /dev/sda4

此时提示

/dev/sda4 appears to contain a partition table (dos).
Error: Use the -f option to force overwrite.

这是因为这个分区是一个以前删除的包含文件系统的分区（最早这个分区是ext4文件系统分区），所以重新创建同一位置的分区而没有事先擦除过（可以使用 dd if=/dev/zero of=/dev/sda4 bs=512 count=1024或者使用wipefs），就会报告上述错误。实际是一种提示你可能划分错分区的告警。如果确定分区没有错误，可以强制创建新文件系统（mkfs.btrfs -f /dev/sda4），或者使用wipefs工具来完成旧分区信息擦除。

wipefs -a -f /dev/sda4
Options:
 -a, --all           wipe all magic strings (BE CAREFUL!)
 -f, --force         force erasure

此时提示

/dev/sda4: 2 bytes were erased at offset 0x000001fe (dos): 55 aa
/dev/sda4: calling ioclt to re-read partition table: Invalid argument

再次执行partprobe扫描分区，然后重新创建btrfs文件系统就可以成功。可以看到输出提示如下

Turning ON incompat feature 'extref': increased hardlink limit per file to 65536
Turning ON incompat feature 'skinny-metadata': reduced-size metadata extent refs
fs created label (null) on /dev/sda4
    nodesize 16384 leafsize 16384 sectorsize 4096 size 1.04TiB

参考 Error when creating BTRFS Filesystem

检查btrfs文件系统

btrfs filesystem show /dev/sdb4

显示输出

Label: none  uuid: e9191083-94ea-4709-a776-218c473c2bc1
    Total devices 1 FS bytes used 112.00KiB
    devid    1 size 1.04TiB used 2.04GiB path /dev/sda4

挂载btrfs文件系统

  • 挂载btrfs文件系统方法

mkdir /data
mount /dev/sda4 /data

  • 如果要启用btrfs的压缩功能（默认是zlib）

可以使用-o compress=参数。默认的zlib压缩方式的压缩比较高，如使用lzo压缩方式则速度较快且CPU负载较轻。使用压缩模式，特别是lzo压缩模式，可以提高数据通过性能。注意，btrfs不会压缩已经在应用层压缩过的文件（如视频，音乐，图像等）。

如果内核版本 v4.14+ ，则推荐使用 zstd 压缩算法。

mount -o compress=lzo /dev/sda4 /data
mount -o compress=zlib /dev/sda4 /data
mount -o compress=zstd /dev/sda4 /data
mount -o compress /dev/sda4 /data

然后添加/etc/fstab设置如下

/dev/sda4    /data    btrfs    defaults,compress=lzo  0    1

注意：根据btrfs官方文档 Compression 目前已经支持3种压缩算法，并且从内核 v.4.14 开始，可以采用 ZSTD 压缩算法，能够获得性能和压缩率的较好平衡。具体对比可以参考 Btrfs Zstd Compression Benchmarks On Linux 4.14

如果没有指定算法，默认的压缩算法是zlib

文件系统故障恢复

如果有一个btrfs文件系统故障，可以通过recovery挂载参数挂载，此时会尝试seek并找找寻文件系统根的可用副本：

mount -o recovery /dev/sda4 /data

扩容和缩容btrfs文件系统

  • 缩小2G空间

btrfs filesystem resize -2g /data

  • 缩小500M空间

btrfs filesystem resize -500m /data

  • 扩大1g空间

btrfs filesystem resize +1g /data

多磁盘btrfs

Btrfs也支持多块磁盘构建RAID

  • meta磁盘可以采用单磁盘

mkfs.btrfs -m single /dev/sdb

-m表示metadata

  • 如果要构建RAID0模式的metadata磁盘（这样性能更好）

mkfs.btrfs -m raid0 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd

  • 如果要构建冗余的数据磁盘（RAID1）同时构建没有冗余的单metadata磁盘

mkfs.btrfs -m raid0 -d raid1 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd

  • 如果需要构建同时数据冗余的metadata磁盘和数据磁盘，则只要使用-d raid1就可以，因为meatdata磁盘默认就是RAID1

mkfs.btrfs -d raid1 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd

  • 也可以使用RAID10（-m raid10或-d raid10），此时需要至少4快磁盘。不过，对于btrfs，不强制要求磁盘容量一样大小。

增加或删除物理磁盘

可以在线增加磁盘或者删除磁盘，非常方便

btrfs device add /dev/sde /data

然后检查文件系统

btrfs filesystem show /dev/sde

此时可以看到/dev/sde设备虽然被添加，但是还没有被使用。如果使用的是非RAID0模式，可以使用balance命令来重新平衡数据和metadata

btrfs filesystem balance /data

可以删除掉没有损坏(intact)的硬盘（但是剔除故障磁盘会比较麻烦，见后述）

btrfs device delete /dev/sdc /data

剔除故障磁盘

要移除一个故障（failed）的磁盘，先umount文件系统，

umount /data

然后挂载成降级模式

mount -o degraded /dev/sdb /mnt

这样就可以移除故障的磁盘。

如果构建了RAID的磁盘需要一定数量的磁盘（例如RAID1要求双磁盘，RAID10要求4块磁盘），可需要先添加一块intact磁盘 - 这里添加一块替换磁盘/dev/sdf

btrfs device add /dev/sdf /data

只有确保有足够的intact设备才可以执行以下的替换命令

btrfs device delete missing /data

更改RAID级别

Btrfs支持在线更改RAID级别，例如最初数据和metadata是RAID0，可以在线更改成RAID1

btrfs blance start -dconvert=raid1 -mconvert=raid1 /data

创建子卷

  • 可以在现有卷下创建子卷

在btrfs中，可以创建卷的子卷，并且可以创建子卷的快照，或者挂载子卷来替换上层的卷

btrfs subvolume create /data/libvirt

显示输出

Create subvolume '/data/libvirt'

此时可以看到在 /data 目录下创建了一个子目录 libvirt

ls -lh /data

显示输出

total 0
drwxr-xr-x 1 root root 0 Nov 22 17:58 libvirt

注意：这个是子卷，这个libvirt子卷的subvolid是257

  • 检查 /data 的子卷

btrfs subvolume list /data

显示输出

ID 257 gen 6 top level 5 path libvirt

  • 可以创建子卷的子卷

btrfs subvolume create /data/libvirt/images

此时显示

Create subvolume '/data/libvirt/images'

  • 此时检查卷/data可以看到显示出新的子卷libvirt/images

btrfs subvolume list /data

显示输出

ID 257 gen 8 top level 5 path libvirt
ID 258 gen 8 top level 257 path libvirt/images

挂载子卷

Btrfs支持直接挂载子卷而不需要挂载父卷

  • 可以使用subvolid来挂载子卷

mount -o subvolid=258 /dev/sda4 /var/lib/libvirt/images

  • 也支持subvol来挂载子卷

mount -o subvol=libvirt/images /dev/sda4 /var/lib/libvirt/images

挂载之后，可以检查文件系统挂载，会发现和ZFS类似的磁盘设备/dev/sda4挂载模式

/dev/sda4       1.1T   21G  1.1T   2% /data
/dev/sda4       1.1T   21G  1.1T   2% /var/lib/libvirt/images

  • 设置默认挂载子卷

如果希望子卷 258 subvolid 默认挂载到/data目录（而不是/dev/sda4），则使用如下命令

btrfs subvolume set-default 258 /data

这样就不需要每次都输入-o subvolid=258参数了

如果要恢复原先的top-level volume作为挂载，则设置subvolid=0

btrfs subvolume set-default 0 /data

删除子卷

子卷可以在卷路径挂载的时候被删除，例如

删除前检查/data卷的子卷

btrfs subvolume list /data

显示如下

ID 257 gen 8 top level 5 path libvirt
ID 258 gen 82 top level 257 path libvirt/images

现在删除子卷 libvirt/images

btrfs subvolume delete /var/lib/libvirt/images

提示报错

Delete subvolume (no-commit): '/var/lib/libvirt/images'
ERROR: cannot delete '/var/lib/libvirt/images' - Inappropriate ioctl for device

我发现不应该使用挂载的路径作为删除路径，而是应该使用 /data/libvirt/images 即卷路径来删除。

btrfs subvolume delete /data/libvirt/images

提示报错

Delete subvolume (no-commit): '/data/libvirt/images'
ERROR: cannot delete '/data/libvirt/images' - Device or resource busy

这次显示至少表明卷路径是正确的，只是设备繁忙（其实就是还没有umount卷挂载）。所以还是采用先umount掉卷挂载，然后删除子卷

umount /var/lib/libvirt/images
btrfs subvolume delete /data/libvirt/images

这次显示输出正确

Delete subvolume (no-commit): '/data/libvirt/images'

再检查/data卷可以看到只有子卷libvirt了

#btrfs subvolume list /data
ID 257 gen 85 top level 5 path libvirt

使用/etc/fstab挂载btrfs

请参考在btrfs文件系统上部署kvm，下文我们挂载/data/libvirt子卷到/var/lib/libvirt目录，以这个/data/libvirt作为测试。

  • 挂载/data/libvirt子卷（实际操作参考在btrfs文件系统上部署kvm，需要做一些辅助步骤确保数据腾挪到/data/libvirt子卷）

  • 配置/etc/fstab

/dev/sda4        /data        btrfs        defaults      0 1
/dev/sda4        /var/lib/libvirt    btrfs        subvol=/data/libvirt,defaults,noatime    0 1

  • 挂载/data

mount /data

  • 挂载/var/lib/libvirt

mount /var/lib/libvirt

出现报错

mount: mount(2) failed: No such file or directory

但是发现将 /data/libvirt 这个btrfs子卷修改成对应的subvolid却能够正常挂载

/dev/sda4        /data        btrfs        defaults,noatime      0 0
/dev/sda4        /var/lib/libvirt    btrfs        subvolid=257,defaults,noatime    0 0

挂载后

/dev/sda4       1.1T   21G  1.1T   2% /data
/dev/sda4       1.1T   21G  1.1T   2% /var/lib/libvirt

仔细检查了一下使用mount命令的参数-o subvol，原来这个子卷参数不能包含top-level的目录，应该使用

mount -o subvol=libvirt /dev/sda4 /var/lib/libvirt

而 不是

mount -o subvol=/data/libvirt /dev/sda4 /var/lib/libvirt

所以正确的/etc/fstab应该配制成

/dev/sda4        /var/lib/libvirt    btrfs        subvol=libvirt,defaults,noatime    0 0

快照

Btrfs最有用的功能是在线创建子卷快照，这个功能可以实现系统回滚以及创建一致性的备份。

对于大数据磁盘的备份，一个非常关键的要求就是数据一致性：在备份时间点需要获取整个磁盘的瞬间快照，确保完整的备份包含了这个时间点的所有数据。

  • 在创建快照前，先准备2个测试文件

touch /var/lib/libvirt/test1 /var/lib/libvirt/test2

  • 现在创建一个当前时间点的快照

btrfs subvolume snapshot

参考

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