Cos'è ext4 (quarto file system esteso)?

ext4, il successore di ext3, è un Linux journaling file system e pietra angolare della gestione dello storage sin dalla sua introduzione nel 2008. Supporta file system di grandi dimensioni e molti file, rendendolo una scelta popolare per qualsiasi cosa, dal personal computing al livello aziendale data centers.

Cos'è l'ext?

L'"esterno" file system, abbreviazione di "file system esteso", è stato il primo progettato specificatamente per il formato Kernel Linux. Introdotto nel 1992, è stato creato per superare le limitazioni del filesystem Minix, utilizzato nelle prime versioni di Linux. Il file system ext ha apportato numerosi miglioramenti, come il supporto per il file system metadati, che ha consentito una gestione più efficiente di file ed directory. Supportava dimensioni di file più grandi e un numero maggiore di file rispetto a Minix, il che è stato cruciale per l'adozione e la crescita di Linux.

Tuttavia, il file system ext aveva i suoi limiti, come la mancanza di una funzionalità di journaling, che portò allo sviluppo dei suoi successori:

• ext2, introdotto nel 1993, non era journaling ma offriva prestazioni e affidabilità migliori rispetto all'originale ext.
• ext3, uscito nel 1999, ha aggiunto funzionalità di journaling per migliorare l'integrità dei dati sugli arresti anomali del sistema.
• ext4, rilasciato nel 2008, ha ulteriormente ampliato le capacità in termini di dimensioni e prestazioni.

Ogni iterazione è stata progettata per soddisfare le esigenze in evoluzione dei sistemi Linux mantenendo la compatibilità con le versioni precedenti.

Cos'è ext4?

L'ext4, o quarto file system esteso, è un file system journaling per Linux, sviluppato come successore di ext3. Introduce numerosi miglioramenti rispetto al suo predecessore, migliorando le prestazioni, l'affidabilità e la capacità di archiviazione.

ext4 supporta file system più grandi e gestisce più file di ext3, rendendolo adatto alle moderne esigenze di archiviazione. Include funzionalità come l'allocazione ritardata, che migliora e riduce le prestazioni frammentazione aspettando di decidere la posizione dei blocchi del file system finché non vengono effettivamente scritti.

Il file system ext4 implementa anche un 48-bit schema di indirizzamento a blocchi, che gli consente di supportare dimensioni del disco fino a 1 Exabyte e singoli file di dimensioni fino a 16 terabyte. Questo file system è progettato per estendere i limiti di archiviazione e aumentare la velocità di accesso senza compromettere l'integrità dei dati, mantenendo la facilità di aggiornamento di ext3 e consentendo la compatibilità con le versioni precedenti.

Caratteristiche ext4

Ecco le caratteristiche e le funzionalità principali di ext4:

• Supporto per file system di grandi dimensioni. ext4 può supportare volumi con dimensioni fino a 1 exbibyte (EiB) e file con dimensioni fino a 16 tebibyte (TiB), un aumento significativo rispetto al suo predecessore.
• Estensioni. A differenza di ext3, che utilizza un sistema bitmap (mappatura dei blocchi), ext4 utilizza le estensioni, che sono un metodo più efficiente di allocazione dei blocchi di file che migliora le prestazioni con file di grandi dimensioni e riduce la frammentazione.
• Retrocompatibilità. ext4 è retrocompatibile con ext3 ed ext2, il che significa che può montare file system creati con queste versioni precedenti.
• Journal. ext4 mantiene l'uso di un meccanismo di journaling, che aiuta a proteggere l'integrità del file system da arresti improvvisi, hardware arresti anomali e altri tipi di errori di sistema.
• Assegnazione ritardata. Questa funzionalità migliora le prestazioni e riduce la frammentazione ritardando l'allocazione dei blocchi finché non sono effettivamente necessari memorizzazione dei dati.
• Limite di sottodirectory aumentato. ext4 supporta un numero illimitato di sottodirectory, a differenza di ext3, che è limitato a 32,000.
• Timestamp. ext4 supporta timestamp con risoluzione in nanosecondi, che rappresenta un miglioramento rispetto alla seconda risoluzione utilizzata in ext3. Include inoltre il supporto per date fino all'anno 2446 tramite l'uso di campi data a 48 bit.
• Deframmentazione in linea. ext4 supporta online deframmentazione, consentendo la deframmentazione del file system senza smontarlo, il che è fondamentale per i sistemi che richiedono tempi di attività continui.
• Checksum per l'inserimento nel journal. Ext4 può usare checksum nel diario per migliorare l'affidabilità e la velocità di ripristino in caso di arresto anomalo.

Vantaggi e svantaggi di ext4

ext4 offre una serie di vantaggi oltre ad alcuni aspetti negativi di cui gli utenti dovrebbero essere a conoscenza.

Vantaggi

Ecco alcuni vantaggi chiave del file system ext4 che rendono ext4 una scelta robusta, efficiente e versatile per vari utenti Distribuzioni Linux, contribuendo alla sua adozione diffusa in diversi settori e casi d'uso:

• Limiti di archiviazione aumentati. ext4 può gestire volumi e file più grandi in modo significativamente migliore rispetto ai suoi predecessori. Supporta volumi fino a 1 exabyte e file di dimensioni fino a 16 terabyte. Questa capacità lo rende adatto per applicazioni di livello aziendale e attività ad alta intensità di dati, soddisfacendo le crescenti richieste di storage.
• Prestazione migliorata. ext4 introduce diverse funzionalità che ne migliorano le prestazioni. Utilizza le estensioni, che sono blocchi contigui di archiviazione, riducendo la frammentazione e migliorando la velocità di accesso e archiviazione dei file. L'allocazione ritardata migliora le prestazioni di I/O ottimizzando il modo in cui i dati vengono scritti su disco, migliorando così l'efficienza complessiva del file system.
• Journal. Uno dei principali punti di forza di ext4 è la sua capacità di journaling, che aiuta a proteggere l'integrità dei dati mantenendo un registro delle transazioni in corso. In caso di arresto anomalo del sistema o interruzione dell'alimentazione, questa funzionalità consente al file system di ripristinarsi più rapidamente e in modo pulito riproducendo il journal.
• Retrocompatibilità. ext4 è retrocompatibile con i file system ext2 ed ext3. Questa funzionalità consente agli utenti di montare file system più vecchi come ext4 senza dover convertire tutti i dati, il che fornisce ottime prestazioni flexbilità e facilità di aggiornamento.
• Deframmentazione in linea. ext4 supporta la deframmentazione online, consentendo agli utenti di deframmentare il file system mentre è ancora montato e in uso. Questa funzione è utile negli ambienti in cui i tempi di inattività deve essere ridotto al minimo.
• Preallocazione persistente. ext4 consente la preallocazione dello spazio su disco ai file prima che vengano scritti. Questa funzionalità è utile per le applicazioni che devono garantire di avere spazio sufficiente per i dati prima di iniziare un'operazione, come la registrazione multimediale o l'elaborazione di dati scientifici.

Svantaggi

Ecco un elenco degli svantaggi del file system ext4, con le spiegazioni per ciascuno:

• Mancanza di istantanee e checksum integrati. A differenza di alcuni file system moderni come Btrfs o ZFS, ext4 non supporta nativamente snapshot o checksum per file e metadati. Ciò significa che non può acquisire e gestire automaticamente le versioni del file system o verificare l'integrità dei dati a livello di blocco, il che è fondamentale per prevenire la corruzione dei dati.
• Scalabilità limitata. Sebbene ext4 supporti file di dimensioni e capacità di file system molto grandi, manca di alcuni dei più avanzati scalabilità funzionalità dei file system più recenti come l'allocazione dinamica degli inode (disponibile in Btrfs), che si adatta automaticamente alla crescita delle esigenze di archiviazione, e funzionalità di ottimizzazione del disco in tempo reale.
• Recupero complesso. A causa della sua natura journaling, ext4 può essere più complesso da ripristinare in caso di grave danneggiamento o guasto rispetto ai file system più semplici e non journaling come ext2. Sebbene la funzionalità di journaling migliori l'integrità dei dati dopo arresti imprevisti, può complicare le operazioni di ripristino poiché il journal deve essere riprodotto o cancellato correttamente.
• Scrivi l'amplificazione. ext4 può causare un'amplificazione della scrittura, specialmente su SSD, dove ogni operazione di scrittura comporta più scritture dovute al journaling. Ciò può ridurre la durata degli SSD nel tempo poiché hanno un numero limitato di cicli di scrittura.
• Invecchiamento dei dati. ext4 non è ottimizzato per l'archiviazione di dati a lungo termine in cui l'accesso al file system non viene effettuato frequentemente ma deve comunque rimanere affidabile nel tempo. Il sistema di journaling può portare a scenari in cui i dati più vecchi non vengono aggiornati o verificati come avverrebbe nei file system progettati per scopi di archiviazione.
• Sovraccarico delle prestazioni. La funzionalità di journaling, sebbene vantaggiosa per l'integrità dei dati, introduce un sovraccarico in termini di prestazioni. Ogni operazione di scrittura deve essere registrata nel journal, il che può rallentare la velocità di scrittura, soprattutto in ambienti con elevati requisiti di I/O.
• Nessuna crittografia nativa. ext4 non fornisce native crittografia supporto all'interno del file system stesso. Gli utenti devono fare affidamento su strumenti di terze parti o sulla crittografia a livello di kernel per proteggere i dati inattivi, il che può complicare le configurazioni e potenzialmente influire sulle prestazioni.

ext4 contro ext3

ext4 ed ext3 sono entrambi file system journaling utilizzati principalmente in ambienti Linux, ma ext4 introduce numerosi miglioramenti rispetto a ext3, rendendolo più adatto alle moderne esigenze informatiche.

ext4 supporta file system e file molto più grandi; può gestire volumi fino a 1 exabyte e dimensioni di file fino a 16 terabyte, rispetto al limite del file system di 16 terabyte e al limite delle dimensioni dei file di 2 terabyte in ext3. ext4 incorpora anche l'archiviazione di file basata sull'estensione, sostituendo il tradizionale approccio di mappatura dei blocchi utilizzato in ext3, migliorando significativamente le prestazioni con file di grandi dimensioni e riducendo la frammentazione. Inoltre, ext4 presenta un'allocazione ritardata e offre un controllo del file system più rapido rispetto a ext3.

Inoltre, ext4 include nuove funzionalità che non sono presenti in ext3, come il supporto per sottodirectory illimitate (ext3 supporta solo fino a 32,000 sottodirectory), deframmentazione online e un sistema di journaling più robusto che può opzionalmente operare in modalità "writeback". Questa modalità consente di più flexflessibilità nel modo in cui i dati vengono scritti sul disco, aumentando potenzialmente la velocità effettiva.

ext4 mantiene anche la compatibilità con ext3, il che significa che è possibile montare file system ext3 come ext4 senza modificare i dati del disco. Questa facilità di aggiornamento, unita a prestazioni e capacità migliorate, rende ext4 una scelta interessante per nuove installazioni e aggiornamenti da ext3, sebbene ext3 sia ancora in uso grazie alla sua stabilità e ai test approfonditi a cui è stato sottoposto nel corso degli anni.