SSD drive by Toshiba

Sistemas de arquivos otimizados para mídias flash, cartões de memória, SSD, NAND

Mídias em estado sólido têm problemas diferentes das tradicionais mídias magnéticas rígidas ou flexíveis, embora possuam interfaces similares.
Cartões de memória flash, pendrives, unidades SSD etc. requerem tratamento especial e possuem processos de detecção e correção de erros de gravação/leitura diferentes —, além de técnicas para prolongamento do tempo de vida útil (wear leveling).
pen-drive-sandisk
Tipicamente, dispositivos como as unidades SSD realizam estas operações internamente, o que permite que um sistema de arquivos comum possa ser usado nelas.

Os meios de armazenamento flash sofrem de duas grandes limitações em relação às mídias magnéticas tradicionais.
— Os bits só podem ser apagados, removendo um grande bloco da memória.
— Cada bit suporta passar por um número limitado de processos de remoção — após o que, já não pode mais armazenar dados de maneira confiável.
Em função destas limitações, são requeridas outras estruturas de dados e algoritmos para fazer uso efetivo destes meios de armazenagem.

Contudo, em alguns casos específicos, sistemas de arquivos otimizados para memória flash podem ser necessários ou recomendados.
Você provavelmente nunca ouvir falar da maioria dos sistemas, que seguem. Muitos deles foram projetados por empresas para serem usados internamente, em seus próprios dispositivos. Alguns deles sequer são acessíveis ao público.
Se você tem algum projeto em mente e pensa em qual sistema de arquivos seria o mais adequado, espero que este artigo te ajude a encontrar algumas respostas.

CASL

É um sistema de arquivos desenvolvido pela Nimble Storage, que usa os dispositivos SSD para fazer o tradicional cache dos discos rígidos usados nos produtos da empresa.

ETFS

Corresponde a Embedded Transactional File System projetado pela QNX Software Systems para ser usado em dispositivos NAND.

exFAT

Criado pela Microsoft, otimizado para drives flash e amplamente difundido. Como já era de se supor, é proprietário.
A sugestão de uso é nos dispositivos flash, onde o NTFS não for a solução mais razoável (como a sobrecarga na estrutura de dados), ou onde o limite do tamanho de arquivo seja incompatível com os padrões do FAT32.
Tem sido adotado pela SD Card Association como padrão para cartões SDXC maiores que 32 GiB.

ExtremeFFS

Sistema de arquivos interno para dispositos de estado sólido (SSD) — desenvolvido pela SanDisk, que permite uma melhora na performance de escrita aleatória na memória flash, se comparado aos sistemas tradicionais, como o TrueFFS (veja abaixo).
A SanDisk alega que a tecnologia incrementa a velocidade de acesso randômico em drives de estado sólido em 100 vezes.
A empresa planeja usar o ExtremeFFS nas próximas implementações de memória flash NAND, de células multinível.

F2FS

O Flash-Friendly File System é um sistema de arquivos de código aberto, introduzido pela Samsung em 2012.
A empresa desenvolveu o F2FS do zero, levando em conta as características dos dispositivos de armazenamento baseados em memória flash NAND — tais como unidades SSD, eMMC e cartões SD, que são largamente usados em sistemas computacionais, desde dispositivos móveis (smartphones) a grandes servidores.
A Samsung escolheu a abordagem estruturada por logs, para desenvolver o projeto do F2FS.
O projeto foi adaptado para atender a novas formas de armazenagem de dados e ajuda a remediar alguns problemas conhecidos entre outros sistemas de arquivos log-structured.
Leia mais sobre o F2FS, aqui.
O sistema resolve o efeito bola de neve causado por um problema chamado wandering tree, que causa sobrecarga durante o processo de limpeza.

Como usar o sistema de arquivos F2FS no Linux

Se quiser experimentar o sistema de arquivos em algum dispositivo de memória flash, que você tenha disponível, use o comando mkfs:

mkfs.f2fs /dev/sdb1
mount -t f2fs /dev/sdb1 /mnt/f2fs 

Não se esqueça de substituir /dev/sdb1 pelo nome endereço real do seu dispositivo.
Usuários do Ubuntu, precisam instalar o pacote de aplicativos F2FS-tools, para poder realizar o procedimento acima:

sudo apt-get install f2fs-tools

Enfim, a Samsung adicionou uma série de parâmetros para configurar o layout do dispositivo, selecionar alocações e melhorar os algoritmos de limpeza.

Como usar o sistema de arquivos F2FS no Android

A maneira mais fácil é baixar um aplicativo no Google Play que faça a conversão do atual sistema de arquivos para F2FS.

FFS2

Este sistema provavelmente substitui o FFS1, também da Microsoft, e é um dos primeiros desenvolvido pela empresa, para uso em mídias flash.

JFFS

Sistema de arquivos estruturado por log, para Linux, desenvolvido para uso em mídias flash NOR.
Substituído pelo JFFS2 (veja o próximo item).

JFFS2

Sucessor do JFFS, que inclui suporte a mídias flash NOR e NAND.
O Journaling Flash File System version 2 é um sistema de arquivos estruturado por log, projetado para uso em dispositivos flash em sistemas embutidos.
Se diferencia de outros sistemas de arquivos antigos por não usar uma camada de tradução nos dispositivos flash, para simular um disco rígido.
Ele põe o sistema de arquivos direto nos chips dos dispositivos flash.
O sistema foi desenvolvido pela Red Hat, baseado no trabalho anterioraa empresa sueca, Axis Communications, conhecida pelos seus produtos na área de vigilância.
Se você tem interesse em estudar e usar este sistema de arquivos no Linux, pode encontrar mais informações neste site.
No Ubuntu, você precisará instalar alguns pacotes para poder criar um sistema de arquivos JFFS2 em dispositivos flash. Use o comando apt-cache, para saber quais:

apt-cache search jffs2
logfs-tools - Tools to manage logfs filesystems
logfs-tools-dbg - Tools to manage logfs filesystems (debug)
mtd-utils - Memory Technology Device Utilities

Por sorte, as ferramentas logfs-tools são as mesmas a ser usadas pro próximo sistema de arquivos, descrito abaixo.

LogFS

O LogFS é um sistema de arquivos relativamente novo, também desenvolvido para Linux e que tem a intenção de, futuramente, substituir o JFFS2.
Uma de suas vantagens, em relação ao seu antecessor, é a melhor escalabilidade.
O LogFS é também um sistema de arquivos estruturado por logs (log-structured), concebido para mídias flash de grande capacidade.
O sistema foi desenvolvido inicialmente por Jörn Engel, em 2008, inspirado em outro sistema de arquivos do NetBSD e é suportado desde a versão 2.6.34 do kernel Linux (2010).

O que faz o LogFS se destacar: snapshots

Um dos destaques do LogFS é a possibilidade de tirar snapshots do sistema de arquivos — atualmente, nenhum sistema de arquivos tradicional para Linux faz isto.
Algumas pessoas chamam os snapshots de versões.
O recurso equivale a “tirar fotos” ou criar imagens de todo o sistema de arquivos em dados momentos.
Imagine a possibilidade de ter removido acidentalmente todo o seu diretório /home. Com este recurso, é possível voltar no tempo — analisar os diversos snapshots tirados e escolher para qual deles voltar.
É como se o acidente não tivesse acontecido.
Outra forma de ver o processo é como se o sistema de arquivos oferecesse vários backups de si mesmo, em vários momentos. Ele não consome muito espaço para fazer isto.
Se você usa o Ubuntu e deseja experimentar o LogFS, instale os pacotes relacionados a ele:

sudo apt-get update
sudo apt-get install logfs-tools

O tamanho do pacote não é monstruoso — pelo contrário, ocupou pouco mais de 64 Kb no meu sistema.
Uma vez instalado, para formatar um dispositivo com este sistema de arquivos, basta usar o comando mkfs.

NVFS

O nome Non-Volatile File System corresponde a, em português, “sistema de arquivos não volátil” e foi introduzido pela fabricante de dispositivos móveis Palm.
O último dispositivo a fazer uso deste sistema, feito pela Palm, foi o Treo 650.

OneFS

Este sistema foi desenvolvido pela Isolon para atender seus projetos de sistemas de armazenamento em clusters.
A Isolon foi adquirida pela EMC Corp, em 2010.
O sistema OneFS suporta alocação seletiva de metadados diretamente no dispositivo flash SSD.

RFS

O Robust File System é desenvolvido pela Samsung e usado em suas TV’s, no espaço reservado às aplicações dos usuários.
O RFS é baseado no sistema de arquivos da Microsoft FAT 16/32, com uma espécie de journaling incluído.
O seu código é proprietário e ele só é usado em equipamentos da Samsung, tais como smartTVs, reprodutores BluRay e alguns celulares.
O site SamyGo tem um tutorial (em inglês) que descreve como usar este sistema para:

  • alterar o firmware da sua TV
  • e criar novos kernels para a sua TV ou outros dispositivos Samsung.

Segger Microcontroller Systems emFile

Este sistema de arquivos é usado em aplicações “profundamente” embutidas, com suporte a mídias flash NAND e NOR.
Tem recursos de wear leveling, escrita e leitura rápida e consumo muito baixo de memória RAM.

SafeFLASH

Sistema de arquivos HCC-embedded, seguro contra falhas, que provê suporte a mídias flash NAND e NOR, com integração a wear-leveling e manipulação de blocos defeituosos (bad blocks).

TFAT

Uma versão transacional do sistema de arquivos FAT.

TrueFFS

Apesar do nome, o TrueFFS não é exatamente um sistema de arquivos — ele não provê uma interface de sistema de arquivos, mas uma interface de disco.
O termo mais correto é camada de tradução flash — flash translation layer.
O sistema foi projetado para rodar em drives de estado sólido raw —. Atualmente, a maioria dos SSDs vendidos ao consumidor não são deste tipo.
O projeto implementa correção de erros, remapeamento de blocos defeituosos e wear leveling.
A função de uma camada de tradução flash é adaptar um sistema de arquivos pleno às limitações e restrições impostas pelos dispositivos de memória flash.

UBIFS

Este sistema de arquivos pretende suceder o JFFS2 e concorre com o LogFS, otimizado para uso de memória DRAM não volátil.
O nome quer dizer Unsorted Block Image File System.
Seu desenvolvimento iniciou-se em 2008 e ele já integra o kernel do Linux, desde a versao 2.6.27.
O sistema está sob desenvolvimento dos engenheiros da Nokia, com a ajuda da Universidade de Szeged, na Hungria.

UFFS

O Ultra low cost flash — ou sistema de arquivos de ultra baixo custo para sistemas embutidos foi concebido, de acordo com a página oficial, para as seguintes situações:

  • quando os recursos de hardware são muito limitados (capacidade de memória RAM entre 64 Kb e 512 Kb) mas, ainda assim, você precisa de um sistema de arquivos confiável para dispositivos de armazenamento flash
  • quando o JFFS/JFFS2 são lentos e consomem muita memoria
  • quando o YAFFS/YAFFS2 se encaixa perfeitamente, mas consome muita memória
  • quando você precisa que o projeto seja livre e de código aberto

O UFFS2, segundo os desenvolvedores, terá as seguintes melhorias:

  1. menor fome de memória, com a redução de 25-50% da necessidade atual;
  2. possibilidade de abrigar um ou mais arquivos/diretórios em um único bloco, o que melhora significativamente o uso do espaço, para arquivos pequenos;
  3. suporte a links simbólicos e outros arquivos especiais;
  4. wear-leveling estático e
  5. suporte a mais chips flash NAND.

Unison RTOS

Este sistema de arquivos é voltado a sistemas embutidos com mídias flash de baixo custo NAND ou NOR.
O Unison RTOS oferece um sistema de arquivos para Linux 32 bits compatível com o POSIX.
O sistema de arquivos é muito leve e pode ocupar um espaço muito pequeno (1 Kb, em algumas arquiteturas).
É de código aberto e segue padrões abertos — e isto sempre conta pontos a favor.

WAFL

O WAFL – Write Anywhere File Layout – é um sistema de arquivos interno utilizado pela NetApp em seus dispositivos DataONTAP OS, originalmente otimizado para uso de memória DRAM não volátil.

XCFiles

Trata-se de uma implementação exFAT, pela DataLight para sistemas operacionais embarcados Wind River VxWorks.

YAFFS

Um sistema de arquivos estruturado por logs, projetado para mídias flash NAND — mas também adequado a flash NOR.
O nome dele é um acrônimo para mais um sistema de arquivos flash — ou Yet Another Flash File System.
O projeto foi inicialmente desenvolvido por Charles Manning
O sistema de arquivos é disponibilizado pela licença GPLv2 e pode ser embarcado em vários sistemas operacionais, como:

  • Android
  • Firefox OS
  • Linux
  • Windows CE, pSOS, eCos, ThreadX etc.

O YAFFS é robusto e mantém a integridade dos dados como prioridade.
O objetivo secundário do YAFFS é a alta performance.
Em situações onde não há um sistema operacional, é possível usar uma variante: YAFFS/Direct — que tem o mesmo sistema de arquivos central, contudo com um interfaceamento simplificado.

ZFS

Um sistema de arquivos combinado e gerenciador de volumes lógico, projetado pela Sun Microsystems.
Os recursos do ZFS inclui proteção contra corrupção de dados, suporte a altas capacidades de armazenamento, compressão de dados eficiente, integração dos conceitos de sistema de arquivos e gestão de volumes, snapshots e clones de cópia-na-escrita.
A lista de recursos segue com verificação de integridade contínua e reparo automático, RAID-Z e NFSv4 ACLs nativos.
O projetos começou como software de código aberto e seguiu com a licença CDDL — Common Development and Distribution License.
Leia mais sobre esta tecnologia em Introdução ao sistema de arquivos ZFS.
O nome ZFS é marca registrada da Oracle Corporation.

OTFS

Segundo a InformationWeek, o OmniTraak File System é um sistema de arquivos extensível do “estado da arte”.
O OTFS é um componente de software que organiza o conteúdo do disco em arquivos, provê controle de acesso e segurança e oferece métodos de nomenclatura de arquivos.

Referências

Além dos vários links espalhados pelo texto, você pode também conferir as seguintes páginas na Wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_systems#File_systems_optimized_for_flash_memory.2C_solid_state_media
http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_file_system

Publicado por

Elias Praciano

Autor de tecnologia (livre, de preferência), apaixonado por programação e astronomia.
Fã de séries, como “Rick and Morty” e “BoJack Horseman”.
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