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用EROFS进行存储与备份

试用EROFS文件系统

Posted by wszqkzqk on July 23, 2023
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本文封面背景图采用CC-BY-SA-4.0协议，来源于Wikipedia

前言

本文主要讨论EROFS文件系统的使用

EROFS是一个只读文件系统，主要由Gao Xiang开发，在Linux 5.4中合并到主线内核。EROFS的设计目标是提供高性能、低资源开销的只读文件系统，设计上主要针对的场景是ROM、系统分区、应用分区等较轻量级的手机或者嵌入式环境。笔者在这里对EROFS在一般存储与备份的应用场景下的表现进行研究。

笔者想试用EROFS是因为它可能具有以下优势：

  • 布局设计上对随机访问性能进行了优化，可以提供更加强劲的随机访问性能
    • 相比squashfs是按压缩前的内容分块，EROFS是按压缩后的内容分块，可以保证直接访问的压缩内容块大小固定
  • 支持POSIX ACL
  • 实验性支持块级别的去重
    • 相比squashfs支持的文件级别的去重，EROFS支持的块级别的去重可以更加高效地去重
         |<-    variable-sized extent    ->|<-       VLE         ->|
       clusterofs                        clusterofs              clusterofs
         |                                 |                       |
_________v_________________________________v_______________________v________
... |    .         |              |        .     |              |  .   ...
____|____._________|______________|________.___ _|______________|__.________
    |-> lcluster <-|-> lcluster <-|-> lcluster <-|-> lcluster <-|
         (HEAD)        (NONHEAD)       (HEAD)        (NONHEAD)    .
          .             CBLKCNT            .                    .
           .                               .                  .
            .                              .                .
      _______._____________________________.______________._________________
         ... |              |              |              | ...
      _______|______________|______________|______________|_________________
             |->      big pcluster       <-|-> pcluster <-|

EROFS的使用

EROFS的安装

以Arch Linux为例，目前的内核早已包含EROFS，只需要安装erofs-utils即可使用EROFS。

sudo pacman -S erofs-utils

EROFS的创建

EROFS的创建非常简单，只需要使用mkfs.erofs命令即可，例如：

sudo mkfs.erofs /path/to/image.img /path/to/source

在此基础上，我们还可以指定更多参数，例如：

  • -z：指定压缩算法，可选lz4、lz4hc、lamz，可以在后面加,并跟上压缩等级，可以用:分隔可选的压缩算法，例如指定压缩等级为12的lz4hc算法即为lz4hc,12
  • -C：指定最大物理簇大小，单位为字节，最大为1 MiB，即1048576
  • -E：指定拓展选项
    • dedupe：开启去重

EROFS的挂载

EROFS的挂载非常简单，只需要使用mount命令即可，例如：

sudo mount -t erofs /path/to/image.img /path/to/mountpoint

还可以通过fuse的方式挂载，例如：

sudo erofs-fuse /path/to/image.img /path/to/mountpoint

效果测试

笔者就存储与备份应用场景对EROFS进行了测试，并与squashfs进行了对比。

创建速率及压缩率

笔者使用不同的压缩参数，测试squashfs和EROFS的创建速率和压缩率。

笔者的测试平台是：

  • CPU：AMD 5800H 8c16t 3200 MHz
  • 内存：板载美光DDR4 16 GB 3200 MHz
  • 存储：致态TiPlus 5000 2 TB
  • 发行版：Arch Linux
  • Linux：6.4.6
  • erofs-utils：1.6
  • squashfs-tools：4.6.1

基本测试

测试文件为一个装有Xfce桌面环境的Arch Linux容器文件夹，原始大小约为3797448 KiB，squashfs和EROFS的块大小均为1 MiB。

文件系统 压缩算法 压缩等级 大小(KiB) 压缩率 耗时(s) 速率(KiB/s)
squashfs zstd default (15) 1436510.05 37.37% 43.99 86328.69
squashfs zstd 6 1438565.88 37.88% 16.77 226357.23
squashfs zstd 3 1493950.67 39.58% 8.15 465885
squashfs zstd 1 1602424.36 42.20% 6.96 545443
squashfs lz4 Not Supported 1951430.30 51.39% 7.37 514986
erofs lz4 Not Supported 3519608.00 92.68% 10.24 370781
erofs lz4hc 9 1855644.00 48.47% 388.97 9762

可见，EROFS除非采用压缩程度极小的算法等级，否则文件系统的创建将极度缓慢，在相同压缩算法与压缩等级的情况下，EROFS的创建比squashfs慢超过50倍，远远不如squashfs实用。这里默认创建squashfs时会开启重复数据删除功能，而EROFS的重复数据删除目前还是实验性支持，开启后会导致创建速率雪上加霜，极度缓慢，即使是在最快的lz4算法下，平均输出速度不到1 MB/s，因此这里没有完整测试，这里EROFS的压缩率不如squashfs主要是未开启重复数据删除的原因。

究其原因，是mkfs.erofs仅使用了单线程设计，不仅压缩仅由单线程完成，文件读取与重复数据删除全部都在一个线程里面排队，导致文件系统创建速率极低，在文件备份的场景下非常不方便。

详细测试

笔者进一步考虑了块大小这一因素，测试了不同块大小下的压缩率和创建速率，测试结果如下。测试文件同样是一个装有Xfce桌面环境的Arch Linux容器文件夹（但带有boot分区），原始大小约为3909512 KiB。本测试对比了块大小、压缩算法、压缩等级三个因素，反映的结果为压缩率、创建速率、压缩速率，测试结果如下：

文件系统 块大小(KiB) 压缩算法 压缩等级 大小(KiB) 压缩率 耗时(s) 速率(KiB/s)
squashfs 4 zstd 1 1911360 48.89% 7.42 526888
squashfs 128 zstd 1 1740716 44.53% 6.11 639854
squashfs 1024 zstd 1 1715208 43.87% 6.04 647270
squashfs 4 zstd 3 1886500 48.25% 7.25 539243
squashfs 128 zstd 3 1682224 43.03% 6.21 629551
squashfs 1024 zstd 3 1606452 41.09% 7.26 538500
squashfs 4 zstd 6 1853852 47.42% 7.65 511047
squashfs 128 zstd 6 1619220 41.42% 7.41 527599
squashfs 1024 zstd 6 1551152 39.67% 15.36 254526
squashfs 4 zstd default (15) 1800144 46.05% 38.99 100269
squashfs 128 zstd default (15) 1540216 39.40% 46.63 83841
squashfs 1024 zstd default (15) 1531772 39.18% 43.62 89627
squashfs 4 lz4hc Not Supported 2196376 56.18% 12.16 321505
squashfs 128 lz4hc Not Supported 1830572 46.82% 30.59 127803
squashfs 1024 lz4hc Not Supported 1789976 45.79% 41.73 93685
squashfs 4 lz4 Not Supported 2310164 59.09% 7.69 508389
squashfs 128 lz4 Not Supported 2078612 53.17% 6.07 644071
squashfs 1024 lz4 Not Supported 2063612 52.78% 6.39 611817
squashfs (no-duplicates) 4 lz4hc Not Supported 2239452 57.28% 12.09 323367
squashfs (no-duplicates) 128 lz4hc Not Supported 1865724 47.72% 29.79 131236
squashfs (no-duplicates) 1024 lz4hc Not Supported 1823560 46.64% 40.18 97300
squashfs (no-duplicates) 4 lz4 Not Supported 2354264 60.22% 8.88 440260
squashfs (no-duplicates) 128 lz4 Not Supported 2115096 54.10% 5.95 657061
squashfs (no-duplicates) 1024 lz4 Not Supported 2098692 53.68% 6.25 625522
erofs 4 lz4hc 9 2225036 56.91% 76.71 50964
erofs 128 lz4hc 9 1995220 51.04% 261.54 14948
erofs 1024 lz4hc 9 1983248 50.72% 865.25 4518
erofs 4 lz4 Not Supported 2374256 60.73% 16.33 239407
erofs 128 lz4 Not Supported 2239728 57.29% 16.49 237084
erofs 1024 lz4 Not Supported 2236176 57.20% 17.88 218653
erofs (fragments) 4 lz4hc 9 2132044 54.53% 77.94 50161
erofs (fragments) 128 lz4hc 9 1842848 47.14% 330.58 11826
erofs (fragments) 1024 lz4hc 9 1815460 46.44% 31.68 123406
erofs (fragments) 4 lz4 Not Supported 2285184 58.45% 16.04 243735
erofs (fragments) 128 lz4 Not Supported 2102400 53.78% 21.02 185990
erofs (fragments) 1024 lz4 Not Supported 2084988 53.33% 27.49 142216

分析以上数据，我们可以得出一些结论：

  • 低压缩等级的zstd算法的压缩率对块大小较为敏感，将块大小由128 KiB提高到1 MiB的收益仍然明显；其他情况一般仅由4 KiB提高到128 KiB才有明显收益
  • lz4hc算法的压缩率对块大小不敏感，但是压缩速率对块大小非常敏感，增大块大小将严重影响压缩速度
  • 这里的测试仍然表明，EROFS的创建速率很慢，在同样的压缩等级为9的lz4hc算法、1 MiB块大小下，比squashfs慢了20多倍
  • 由于IO瓶颈，本测试对于squashfs在低压缩等级的zstd下的压缩以及lz4算法下的压缩的压缩速率不能反映太多实际问题
  • EROFS在架构上的设计似乎使其在相同条件下比squashfs更节省空间，但是目前EROFS的用户空间程序较弱，重复数据删除功能性能开销极大，而目前的squashfs默认开启重复数据删除，导致现在默认情况下创建的squashfs压缩率更有优势

读取测试

笔者对整个文件系统用rsync逐文件进行了读取测试，较完整、均衡地包含了随机读取性能和连续读取性能；为了控制变量，两个文件系统均采用压缩等级为9的lz4hc算法压缩，并都用1 MiB的块大小，测试结果如下：

文件系统 耗时/s
squashfs 17.83
EROFS 15.93

EROFS的架构优势在这里体现了出来，EROFS的读取速率略高于squashfs，但差距不大，可能是块大小过大，EROFS的文件系统布局收益不明显的原因。

总结

EROFS在存储与备份应用场景下的表现目前看来并不理想，虽然该文件系统的架构设计和布局都非常优秀，可以提供更加强劲的随机访问性能，但是由于其现有创建程序mkfs.erofs的开发力不够，功能实现不充分，将各项操作都放在一个线程下，导致了资源利用不充分，创建备份速率极慢，导致其在存储与备份应用场景下的表现不佳，需要后续优化。

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