Storage Tools die man kennen sollte

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XFS ist ein 64-Bit-Journaling-Dateisystem, ursprünglich von Silicon Graphics (SGI) in den 1990er Jahren für IRIX und High-Performance-Computing entwickelt und seit 2001 im Linux-Kernel. Auf Red Hat, Rocky und CentOS ist es das Standard-Dateisystem. Dieser Artikel behandelt Aufbau und Besonderheiten von XFS sowie die Werkzeuge zur Administration.

Alle Beispiele verwenden Datenpartitionen ab /dev/sdb. /dev/sda ist die Systemplatte und wird nie angefasst.

Eigenschaften von XFS

Kerncharakteristik

  • Journaling-Dateisystem – kein Copy-on-Write wie btrfs oder ZFS.
  • Aufbau in unabhängigen Allocation Groups (AGs) statt klassischer Block Groups.
  • Online-Vergrößern möglich, Verkleinern nicht – weder online noch offline.
  • Sehr gute Skalierung bei großen Dateien und hoher Parallelität, ausgelegt bis in den Exabyte-Bereich.

Erweiterte Funktionen

  • ACLs (Access Control Lists), erweiterte Attribute (xattr) und Quota-Unterstützung (User, Group, Project).

Architektur

Auch ext4 unterteilt das Volume in Gruppen. Der Unterschied liegt nicht in der Gruppierung selbst, sondern in Zweck und Locking-Granularität:

  • Ext4 Block Groups dienen vor allem der Lokalität – Inodes nah bei ihren Datenblöcken, kurze Seek-Wege auf HDDs. Die Allokation läuft faktisch über einen globalen, seriell arbeitenden Allocator.
  • XFS Allocation Groups sind für echte Parallelität entworfen – praktisch unabhängige Mini-Dateisysteme innerhalb eines Geräts. Jede AG hat eigene AGF/AGI-Locks, sodass mehrere Threads gleichzeitig in verschiedenen AGs allozieren können, ohne sich zu blockieren.

Merksatz: Beide haben Gruppen – ext4 nutzt sie für Lokalität (seriell), XFS für Locking-Granularität (parallel).

Abbildung 1: Aufbau der Allocation Groups

Die zentralen Metadaten-Strukturen

  • Superblock – nur in AG 0 der echte Superblock, in allen weiteren AGs eine Kopie zur Redundanz. Enthält die globalen Parameter: Blockgröße, AG-Größe, Inode-Größe, UUID.
  • AGF (Allocation Group Free Space) – verwaltet den freien Platz innerhalb der AG über zwei parallele B+Trees: einer sortiert nach Blocknummer (Suche nach freiem Extent nahe bestehender Daten), einer nach Extent-Größe (passenden freien Extent für eine Allokation finden).
  • AGI (Allocation Group Inode Information) – verwaltet Inodes ohne feste Bitmap, dynamisch per B+Tree. Deshalb ist die Zahl der Inodes bei XFS – anders als bei ext4 – beim mkfs nicht fest vorgegeben, sondern wächst mit Bedarf.
  • B+Trees – XFS verwendet fast überall B+Trees statt linearer Bitmaps (Free Space, Inodes, Extents, große Verzeichnisse). Suchen, Einfügen und Löschen laufen in O(log n) statt linearem Scan.

Delayed Allocation

XFS reserviert beim Schreiben zunächst nur virtuell Platz im RAM (Extent-Reservierung); die tatsächliche physische Blockzuweisung erfolgt erst beim Flush auf die Platte. Dadurch werden viele kleine Schreibvorgänge zu einem großen zusammenhängenden Extent zusammengefasst – weniger Fragmentierung bei sequentiellen Lasten wie Datenbank-Dumps, Logs oder großen Kopien.

Abbildung 2: Delayed Allocation

Delayed Allocation ist kein XFS-Alleinstellungsmerkmal – ext4 nutzt dasselbe Prinzip (siehe ext4 Eigenschaften).

XFS ist kein Copy-on-Write

Eigenschaft ext4 / XFS btrfs / ZFS
Schreibprinzip Overwrite in-place Copy-on-Write
Crash-Konsistenz Metadaten-Journal (Redo/Replay) alter Block bleibt bis zum Pointer-Swap gültig
Snapshots nicht nativ (nur über LVM darunter) nativ, quasi kostenlos
Prüfsummen je Block nein (nur Metadaten) ja (Standard)

Merksatz: CoW = nie überschreiben, immer umbiegen (btrfs/ZFS). Journaling = überschreiben, aber die Absicht vorher protokollieren (ext4/XFS).

Wachsen und Schrumpfen

ext4 XFS
Online vergrößern ja (resize2fs) ja (xfs_growfs)
Offline vergrößern ja ja
Verkleinern ja, aber nur offline nicht unterstützt

Einmal als XFS formatiert und zu groß gewachsen, gibt es nur den Weg über Backup, Neuformatieren und Restore. Ein xfs_shrink existiert nicht.

Wann XFS, wann ext4?

  • XFS bei sehr großen Volumes (Multi-TB, Datenbanken, Fileserver), hoher paralleler I/O-Last und großen Dateien mit sequentiellem Zugriff.
  • ext4 bei kleineren Partitionen, wo man Verkleinern braucht, bei geringerem RAM-/Overhead-Anspruch und didaktisch, um den Offline-Shrink mit resize2fs zu zeigen.

Administration

Die folgenden Werkzeuge gehören zum täglichen Umgang mit XFS auf RHEL/Rocky.

Ein Dateisystem anlegen

  • mkfs.xfs /dev/sdb2

Mit Label und erzwungenem Überschreiben. -f legt auch dann an, wenn schon ein Dateisystem existiert; -L setzt ein Label (max. 12 Zeichen).

  • mkfs.xfs -f -L test /dev/sdb2
meta-data=/dev/sdb2              isize=512    agcount=4, agsize=327680 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=1, sparse=1, rmapbt=0
         =                       reflink=1    bigtime=1 inobtcount=1 nrext64=0
data     =                       bsize=4096   blocks=1310720, imaxpct=25
         =                       sunit=0      swidth=0 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0, ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=16384, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=0 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0

In der Ausgabe sieht man agcount=4: vier Allocation Groups. Das Journal (log) liegt intern im Dateisystem selbst.

Informationen abrufen

Metadaten und Aufbau anzeigen – wahlweise über das Gerät oder über den Mountpunkt.

  • xfs_info /dev/sdb2

Label und UUID aller Blockgeräte:

  • lsblk -f

Online vergrößern

Voraussetzung: das darunterliegende Blockgerät oder der LV wurde bereits vergrößert (etwa mit lvextend). Wichtig: xfs_growfs arbeitet auf dem Mountpunkt, nicht auf dem Gerät – anders als resize2fs bei ext4.

  • xfs_growfs /mnt/work

Reparieren

Nur im ausgehängten Zustand.

  • umount /mnt/work
  • xfs_repair /dev/sdb2

Bei beschädigtem Log wird es mit -L verworfen. Datenverlust möglich – nur als letzter Ausweg, wenn der normale Log-Replay beim Mounten fehlschlägt.

  • xfs_repair -L /dev/sdb2

Label oder UUID nachträglich ändern

Ohne Neuformatieren, nur im ausgehängten Zustand.

  • xfs_admin -L neuesLabel /dev/sdb2
  • xfs_admin -U generate /dev/sdb2

Fragmentierung

Grad der Fragmentierung prüfen:

  • xfs_db -c frag -r /dev/sdb2

Defragmentieren. Ohne Geräteangabe durchsucht xfs_fsr alle gemounteten XFS-Dateisysteme.

  • xfs_fsr /dev/sdb2

Freeze und Unfreeze

Für einen konsistenten Snapshot eines laufenden Systems, etwa vor einem LVM-Snapshot. Einfrieren:

  • xfs_freeze -f /mnt/work

Wieder auftauen:

  • xfs_freeze -u /mnt/work

Quota

Quota wird über eine Mount-Option in /etc/fstab aktiviert: uquota (User), gquota (Group) oder pquota (Project). Auswertung:

  • xfs_quota -x -c 'report' /mnt/work
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