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ext4

ext4 ( cuarto sistema de archivos extendido ) es un sistema de archivos con registro para Linux , desarrollado como sucesor de ext3 .

ext4 fue inicialmente una serie de extensiones compatibles con versiones anteriores de ext3, muchas de ellas desarrolladas originalmente por Cluster File Systems para el sistema de archivos Lustre entre 2003 y 2006, destinadas a ampliar los límites de almacenamiento y agregar otras mejoras de rendimiento. [4] Sin embargo, otros desarrolladores del kernel de Linux se opusieron a aceptar extensiones para ext3 por razones de estabilidad, [5] y propusieron bifurcar el código fuente de ext3, renombrarlo como ext4 y realizar todo el desarrollo allí, sin afectar a los usuarios existentes de ext3. Esta propuesta fue aceptada y el 28 de junio de 2006, Theodore Ts'o , el mantenedor de ext3, anunció el nuevo plan de desarrollo para ext4. [6]

Una versión preliminar de desarrollo de ext4 se incluyó en la versión 2.6.19 [7] del núcleo Linux. El 11 de octubre de 2008, los parches que marcan a ext4 como código estable se fusionaron en los repositorios de código fuente de Linux 2.6.28, [8] marcando el final de la fase de desarrollo y recomendando la adopción de ext4. El núcleo 2.6.28, que contiene el sistema de archivos ext4, fue finalmente lanzado el 25 de diciembre de 2008. [9] El 15 de enero de 2010, Google anunció que actualizaría su infraestructura de almacenamiento de ext2 a ext4. [10] El 14 de diciembre de 2010, Google también anunció que usaría ext4, en lugar de YAFFS , en Android 2.3 . [11]

Adopción

ext4 es el sistema de archivos predeterminado para muchas distribuciones de Linux, incluidas Debian y Ubuntu . [12]

Características

Sistema de archivos grande
El sistema de archivos ext4 puede soportar volúmenes con tamaños en teoría de hasta 64 zebibytes (ZiB) y archivos individuales con tamaños de hasta 16 tebibytes (TiB) con el tamaño de bloque estándar de 4 KiB , y volúmenes con tamaños de hasta 1 yobibyte (YiB) con clústeres de 64 KiB , aunque una limitación en el formato de extensión hace que 1 exbibyte (EiB) sea el límite práctico. [13] Los límites máximos de tamaño de archivo, directorio y sistema de archivos crecen al menos proporcionalmente con el tamaño de bloque del sistema de archivos hasta el tamaño de bloque máximo de 64 KiB disponible en las CPU ARM y PowerPC / Power ISA .
Extensiones
Las extensiones reemplazan el esquema de mapeo de bloques tradicional utilizado por ext2 y ext3. Una extensión es un rango de bloques físicos contiguos, lo que mejora el rendimiento de archivos grandes y reduce la fragmentación. Una sola extensión en ext4 puede mapear hasta 128  MiB de espacio contiguo con un tamaño de bloque de 4 KiB. [4] Puede haber cuatro extensiones almacenadas directamente en el inodo . Cuando hay más de cuatro extensiones en un archivo, el resto de las extensiones se indexan en un árbol . [14]
Compatibilidad con versiones anteriores
ext4 es compatible con versiones anteriores de ext3 y ext2 , lo que permite montar ext3 y ext2 como ext4. Esto mejorará ligeramente el rendimiento, ya que ciertas características nuevas de la implementación de ext4 también se pueden usar con ext3 y ext2, como el nuevo algoritmo de asignación de bloques, sin afectar el formato en disco. [15]
ext3 es parcialmente compatible con ext4. En la práctica, ext4 no se montará como un sistema de archivos ext3 de fábrica, a menos que se deshabiliten ciertas características nuevas al crearlo, como ^extent, ^flex_bg, ^huge_file, ^uninit_bg, ^dir_nlinky ^extra_isize. [16]
Preasignación persistente
ext4 puede preasignar espacio en disco para un archivo. Para hacer esto en la mayoría de los sistemas de archivos, se escribirían ceros en el archivo cuando se crea. En ext4 (y algunos otros sistemas de archivos como XFS ) fallocate(), se puede utilizar una nueva llamada al sistema en el núcleo de Linux. El espacio asignado estaría garantizado y probablemente sería contiguo. Esta situación tiene aplicaciones para la transmisión de medios y bases de datos. [ cita requerida ]
Asignación retrasada
ext4 utiliza una técnica de rendimiento denominada allocate-on-flush , también conocida como asignación retrasada . Es decir, ext4 retrasa la asignación de bloques hasta que los datos se vacían en el disco; por el contrario, algunos sistemas de archivos asignan bloques inmediatamente, incluso cuando los datos van a una caché de escritura. La asignación retrasada mejora el rendimiento y reduce la fragmentación al asignar de manera eficaz mayores cantidades de datos a la vez. [ cita requerida ]
Número ilimitado de subdirectorios
ext4 no limita el número de subdirectorios en un solo directorio, excepto por el límite de tamaño inherente del directorio en sí. (En ext3 un directorio puede tener como máximo 32.000 subdirectorios.) [17] [ fuente obsoleta ] Para permitir directorios más grandes y un rendimiento continuo, ext4 en Linux 2.6.23 y posteriores activa los índices HTree (una versión especializada de un árbol B ) de forma predeterminada, lo que permite almacenar directorios de hasta aproximadamente 10-12 millones de entradas en el índice HTree de 2 niveles y un límite de tamaño de directorio de 2 GB para un tamaño de bloque de 4 KiB, dependiendo de la longitud del nombre de archivo. En Linux 4.12 y posteriores, la característica habilitó un HTree de 3 niveles y tamaños de directorio superiores a 2 GB, lo que permite aproximadamente 6 mil millones de entradas en un solo directorio.large_dir
Sumas de comprobación de diario
ext4 utiliza sumas de comprobación [18] en el diario para mejorar la confiabilidad, ya que el diario es uno de los archivos más utilizados del disco. Esta característica tiene un beneficio adicional: puede evitar de forma segura una espera de E/S del disco durante el registro, lo que mejora ligeramente el rendimiento. La suma de comprobación del diario se inspiró en un artículo de investigación de la Universidad de Wisconsin , titulado IRON File Systems , [19] con modificaciones dentro de la implementación de transacciones compuestas realizadas por el sistema de archivos IRON (originalmente propuesto por Sam Naghshineh en la cumbre RedHat).
Suma de comprobación de metadatos
Desde el lanzamiento del kernel Linux 3.5 en 2012. [20] [21]
Comprobación más rápida del sistema de archivos
En ext4, los grupos de bloques no asignados y las secciones de la tabla de inodos se marcan como tales. Esto permite que e2fsck los omita por completo y reduce en gran medida el tiempo que lleva verificar el sistema de archivos. Linux 2.6.24 implementa esta función. [ cita requerida ]
Dependencia del tiempo de fsck en el recuento de inodos ( ext3 vs. ext4)
Asignador de multibloques
Cuando ext3 agrega datos a un archivo, llama al asignador de bloques, una vez por cada bloque. En consecuencia, si hay varios escritores simultáneos, los archivos pueden fragmentarse fácilmente en el disco. Sin embargo, ext4 utiliza la asignación retrasada, lo que le permite almacenar datos en búfer y asignar grupos de bloques. En consecuencia, el asignador multibloque puede tomar mejores decisiones sobre la asignación de archivos de forma contigua en el disco. El asignador multibloque también se puede utilizar cuando los archivos se abren en modo O_DIRECT. Esta función no afecta el formato del disco.
Marcas de tiempo mejoradas
A medida que las computadoras se vuelven más rápidas en general y que Linux se usa más para aplicaciones de misión crítica , la granularidad de las marcas de tiempo basadas en segundos se vuelve insuficiente. Para resolver esto, ext4 proporciona marcas de tiempo medidas en nanosegundos . Además, se agregan 2 bits del campo de marca de tiempo expandido a los bits más significativos del campo de segundos de las marcas de tiempo para diferir el problema del año 2038 por 408 años adicionales. [3]
ext4 también añade soporte para marcas de tiempo de creación. Pero, como señala Theodore Ts'o , si bien es fácil agregar un campo de fecha de creación adicional en el inodo (lo que técnicamente habilita el soporte para estas marcas de tiempo en ext4), es más difícil modificar o agregar las llamadas de sistema necesarias , como stat() (que probablemente requeriría una nueva versión) y las diversas bibliotecas que dependen de ellas (como glibc ). Estos cambios requerirán la coordinación de muchos proyectos. [22] Por lo tanto, la fecha de creación almacenada por ext4 actualmente solo está disponible para los programas de usuario en Linux a través de la statx()API. [23]
Cuotas de proyectos
El 8 de enero de 2016 se agregó compatibilidad con cuotas de proyecto en el kernel de Linux 4.4. Esta característica permite asignar límites de cuota de disco a un ID de proyecto en particular. El ID de proyecto de un archivo es un número de 32 bits almacenado en cada archivo y es heredado por todos los archivos y subdirectorios creados debajo de un directorio principal con un ID de proyecto asignado. Esto permite asignar límites de cuota a un árbol de subdirectorios en particular independientemente de los permisos de acceso a archivos en el archivo, como cuotas de usuario y proyecto que dependen del UID y GID. Si bien esto es similar a una cuota de directorio, la principal diferencia es que el mismo ID de proyecto se puede asignar a múltiples directorios de nivel superior y no es estrictamente jerárquico. [24]
Cifrado transparente
En junio de 2015 se añadió soporte para cifrado transparente en el kernel de Linux 4.1. [25]


Inicialización perezosa
La función lazyinit permite limpiar las tablas de inodos en segundo plano, acelerando la inicialización al crear un nuevo sistema de archivos ext4. [26] Está disponible desde 2010 en la versión 2.6.37 del kernel de Linux. [27]
Barreras de escritura
ext4 habilita las barreras de escritura de forma predeterminada. Esto garantiza que los metadatos del sistema de archivos se escriban y ordenen correctamente en el disco, incluso cuando las cachés de escritura pierden energía. Esto implica un costo de rendimiento, especialmente para aplicaciones que usan fsync de manera intensiva o crean y eliminan muchos archivos pequeños. Para discos con una caché de escritura respaldada por batería, deshabilitar las barreras (opción 'barrier=0') puede mejorar el rendimiento de manera segura. [28]

Limitaciones

En 2008, el principal desarrollador de los sistemas de archivos ext3 y ext4, Theodore Ts'o , afirmó que aunque ext4 ha mejorado sus características, no es un gran avance, utiliza tecnología antigua y es una solución provisional. Ts'o cree que Btrfs es la mejor dirección porque "ofrece mejoras en escalabilidad, confiabilidad y facilidad de administración". [29] Btrfs también tiene "varias de las mismas ideas de diseño que reiser3 / 4 ". [30] Sin embargo, ext4 ha seguido ganando nuevas características como el cifrado de archivos y las sumas de comprobación de metadatos.

El sistema de archivos ext4 no respeta el atributo de archivo "eliminación segura" , que se supone que provoca la sobrescritura de archivos al eliminarlos. En 2011 se propuso un parche para implementar la eliminación segura, pero no resolvió el problema de los datos confidenciales que terminaban en el diario del sistema de archivos. [31]

Asignación retrasada y posible pérdida de datos

Debido a que la asignación retrasada cambia el comportamiento en el que los programadores han confiado con ext3, la característica plantea un riesgo adicional de pérdida de datos en casos en los que el sistema falla o se queda sin energía antes de que todos los datos se hayan escrito en el disco. Debido a esto, ext4 en las versiones de kernel 2.6.30 y posteriores maneja automáticamente estos casos como lo hace ext3.

El escenario típico en el que esto podría ocurrir es un programa que reemplaza el contenido de un archivo sin forzar una escritura en el disco con fsync . Hay dos formas comunes de reemplazar el contenido de un archivo en sistemas Unix: [32]

En este caso, un archivo existente se trunca al abrirlo (debido a O_TRUNCuna bandera) y luego se escriben los datos nuevos. Como la escritura puede tardar un tiempo, existe la posibilidad de perder contenido incluso con ext3, pero normalmente es muy pequeña. Sin embargo, como ext4 puede demorar mucho tiempo la escritura de los datos del archivo, esta posibilidad es mucho mayor.
Existen varios problemas que pueden surgir:
  1. Si la escritura no se realiza correctamente (lo que puede deberse a condiciones de error en el programa de escritura o a condiciones externas como un disco lleno), se perderán tanto la versión original como la nueva versión del archivo, y el archivo puede dañarse porque solo se ha escrito una parte de él.
  2. Si otros procesos acceden al archivo mientras se escribe, ven una versión dañada.
  3. Si otros procesos tienen el archivo abierto y no esperan que su contenido cambie, esos procesos pueden bloquearse. Un ejemplo notable es un archivo de biblioteca compartida que se asigna a programas en ejecución.
Debido a estos problemas, a menudo se prefiere el siguiente modismo al anterior:
Se crea un nuevo archivo temporal ("file.new"), que inicialmente contiene el nuevo contenido. Luego, el nuevo archivo se renombra sobre el antiguo. rename()Se garantiza que la sustitución de archivos por la llamada sea atómica según los estándares POSIX , es decir, que el archivo antiguo permanece o se sobrescribe con el nuevo. Debido a que el modo de registro "ordenado" predeterminado de ext3 garantiza que los datos del archivo se escriban en el disco antes que los metadatos, esta técnica garantiza que el contenido del archivo antiguo o el nuevo persistirán en el disco. La asignación retrasada de ext4 rompe esta expectativa, porque la escritura del archivo puede retrasarse durante mucho tiempo y el cambio de nombre generalmente se lleva a cabo antes de que el nuevo contenido del archivo llegue al disco.

El uso fsync()más frecuente para reducir el riesgo de ext4 podría generar penalizaciones de rendimiento en los sistemas de archivos ext3 montados con la data=orderedbandera (el valor predeterminado en la mayoría de las distribuciones de Linux). Dado que ambos sistemas de archivos estarán en uso durante algún tiempo, esto complica las cosas para los desarrolladores de aplicaciones de usuario final. En respuesta, ext4 en los kernels Linux 2.6.30 y posteriores detecta la ocurrencia de estos casos comunes y obliga a que los archivos se asignen inmediatamente. Por un pequeño costo en rendimiento, esto proporciona una semántica similar al modo ordenado de ext3 y aumenta la posibilidad de que cualquiera de las versiones del archivo sobreviva al bloqueo. Este nuevo comportamiento está habilitado de forma predeterminada, pero se puede deshabilitar con la opción de montaje "noauto_da_alloc". [32]

Los nuevos parches se han convertido en parte del kernel principal 2.6.30, pero varias distribuciones decidieron incorporarlos a 2.6.28 o 2.6.29. [33]

Estos parches no evitan por completo la posible pérdida de datos ni ayudan en absoluto con los archivos nuevos. La única forma de estar seguro es escribir y utilizar software que lo haga fsync()cuando sea necesario. Los problemas de rendimiento se pueden minimizar limitando las escrituras cruciales en el disco que deben fsync()realizarse con menos frecuencia. [34]

Implementación

Estructura simplificada del kernel de Linux: ext4 se implementa entre el sistema de archivos virtual del kernel de Linux y la capa de bloque genérica.

El sistema de archivos virtual del núcleo de Linux es un subsistema o capa dentro del núcleo de Linux. Es el resultado de un intento de integrar múltiples sistemas de archivos en una única estructura ordenada. La idea clave, que se remonta al trabajo pionero realizado por los empleados de Sun Microsystems en 1986, [35] es abstraer esa parte del sistema de archivos que es común a todos los sistemas de archivos y colocar ese código en una capa separada que llama a los sistemas de archivos concretos subyacentes para que realmente administren los datos.

Todas las llamadas del sistema relacionadas con archivos (o pseudoarchivos) se dirigen al sistema de archivos virtual del núcleo de Linux para su procesamiento inicial. Estas llamadas, que provienen de procesos de usuario, son las llamadas POSIX estándar, como open, read, write, lseek, etc.

Compatibilidad con Windows y Macintosh

Actualmente, ext4 tiene soporte completo en sistemas operativos que no son Linux.

Microsoft Windows puede acceder a ext4 desde Windows 10 Insider Preview Build 20211. [ 36] [37] [38] Es posible gracias al Subsistema de Windows para Linux (WSL) que se introdujo con la Actualización de aniversario de Windows 10 (versión 1607) el 2 de agosto de 2016. WSL solo está disponible en versiones de 64 bits de Windows 10 a partir de la versión 1607. También está disponible en Windows Server 2019. Grandes cambios en la arquitectura de WSL llegaron con el lanzamiento de WSL 2 el 12 de junio de 2019. [39] WSL 2 requiere Windows 10 versión 1903 o superior, con compilación 18362 o superior, para sistemas x64, y versión 2004 o superior, con compilación 19041 o superior, para sistemas ARM64. [40]

Paragon ofrece su producto comercial Linux File Systems para Windows [41] que permite capacidades de lectura/escritura para ext2/3/4 en Windows 7 SP1/8/8.1/10 y Windows Server 2008 R2 SP1/2012/2016.

macOS tiene capacidad total de lectura y escritura de ext2/3/4 a través de extFS para Mac de Paragon Software, [42] que es un producto comercial. El software libre como ext4fuse tiene soporte de solo lectura con funcionalidad limitada.

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Anteriormente, Linux utilizaba el mismo GUID para las particiones de datos que Windows (Partición de datos básica: EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7 ). Linux nunca tuvo un GUID de tipo de partición único separado definido para sus particiones de datos. Esto creó problemas al iniciar Linux y Windows en modo dual en la configuración UEFI-GPT. El nuevo GUID (datos del sistema de archivos de Linux: 0FC63DAF-8483-4772-8E79-3D69D8477DE4 ) fue definido conjuntamente por los desarrolladores de GPT fdisk y GNU Parted. Se identifica como el código de tipo 0x8300 en GPT fdisk. (Consulte las definiciones en parttypes.cc de gdisk)
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Enlaces externos