ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ФАЙЛОВЫХ СИСТЕМ

Введение

В настоящее время одной из самых распространённых файловых систем, используемых в операционных системах семейств Unix/Linux и отечественных ОС на базе ядра дистрибутивов Linux, является файловая система Ext4. Она широко используется для организации хранения данных на традиционных жестких дисках и съемных носителях. В 2012 году компания Samsung представила альтернативу данной файловой системе под названием F2FS (Flash-Friendly File System). Главным отличием F2FS от Ext4 является ее ориентированность на накопители, основанные на технологии флеш-памяти. К ним относятся SSD-жесткие диски, SD карты памяти, USB-флэш-накопители и другие подобные запоминающие устройства. Флэш-память широко используется в носителях информации благодаря дешевизне, большому объему, скорости работы [1]. Известным недостатком флэш-памяти является ограниченный ресурс ее использования. Поэтому, алгоритмы чтения/записи для флэш-памяти в файловой системе F2FS анонсируются, как оптимизированные для продления срока ее эксплуатации. Насколько это повлияло на быстродействие новой файловой системы?

Такое исследование актуально в связи с переходом госпредприятий России на отечественные операционные системы на базе свободно распространяемых сборок дистрибутивов Linux [2]. Результаты исследования могут использоваться при разработке и эксплуатации ЭВМ на отечественной элементной базе «Эльбрус» с целью обеспечения эффективной защиты конфиденциальной информации.

Последние исследования быстродействия файловой системы F2FS проводились в работах С.Джеонга и М.Ларабеля. В статье С.Джеонга [3] сравнивалось время операций записи и монтирования в файловых системах Ext4, NILFS2 и F2FS. Результаты показывают, что скорость записи в файловой системе F2FS в некоторых ситуациях превышала аналогичную в Ext4 более чем в два раза: 511.8 против 1057.9 КБ/с для записи и 383.4 против 772.3 КБ/с при монтировании. В работе М.Ларабеля [4] тестировалась скорость запуска различных СУБД и результаты оказались обратными. Для СУБД SQLite файловая система Ext4 оказалась более чем в 4 раза быстрее, чем F2FS.

В связи с этими исследованиями возникает вопрос: действительно ли файловая система F2FS быстрее Ext4 при использовании определенных программ или её преимущество видно только «на бумаге» при замере скоростей чтения/записи? Проведем свое исследование для сравнительной оценки скорости операций шифрования на уровне каталогов, используя API-интерфейс файловых систем.

Постановка задачи

В работе поставлена задача: определить, насколько новая файловая система F2FS работает быстрее на флеш-памяти, чем классическая файловая система EXT4, и оценить существенность этой разницы. Новизна такой постановки задачи состоит в следующем. Планируется оценить не общую скорость операций чтения/записи, а конкретный функционал двух файловых систем — операции шифрования данных на уровне каталогов.

Для достижения данной цели ставим задачу измерить производительность шифрования и проанализировать полученные экспериментальные данные.

Проведение эксперимента

Тестирование производительности файловых систем в области шифрования на уровне каталогов проводилось на твердотельном накопителе Samsung SSD 860 EVO 500GB. С помощью средств виртуализации Oracle VM VirtualBox были созданы две виртуальные машины с операционными системами Arch Linux. Каждой виртуальной машине выделено 2 ядра процессора, 1 Гбайт ОЗУ и фиксированный виртуальный жёсткий диск .vhd размером 8 Гбайт. Обе виртуальные машины загружаются в режиме BIOS с жестких дисков разметки MBR.

В первой виртуальной машине корневой раздел при установке системы отформатирован в файловую систему Ext4 командой mkfs.ext4 /dev/sda2, во второй виртуальной машине корневой раздел отформатирован в файловую систему F2FS командой mkfs.f2fs /dev/sda2. В остальном установка операционных систем произведена одинаково на обе виртуальные машины в соответствии с официальным руководством [5].

На рис.1 видно, что на виртуальной машине с именем Ext4 (слева) корневой раздел отформатирован в файловой системе Ext4, а на виртуальной машине с именем F2FS (справа) — в файловой системе F2FS.

Включим API-функцию fscrypt для выполнения шифрования на уровне каталогов. Для файловой системы Ext4 выполним команду tune2fs -O encrypt /dev/sda2, а для F2FS команду fsck.f2fs -O encrypt /dev/sda2. На обеих виртуальных машинах командой mkdir Test создадим новый каталог Test и с помощью команды fscrypt encrypt Test/ создадим парольную фразу для каталога Test (рис. 2).

Подготовим данные, которые будут шифроваться и затем дешифрироваться. В качестве примера используем исходные тексты утилиты GNU Image Manipulation Program (GIMP), которые занимают 766 МБ дисковой памяти. Перейдём в каталог Test командой cd Test и скачаем туда исходные коды командой git clone https://github.com/GNOME/gimp.git.

Далее был разработан сценарий для тестирования производительности. Он предусматривает выполнение трех экспериментов: трех последовательных операций шифрования и дешифрирования указанного каталога Test с замерами времени при помощи утилиты time.

Текст сценария:

#!/bin/sh
/usr/bin/time -p fscrypt lock Test
/usr/bin/time -p fscrypt unlock Test
/usr/bin/time -p fscrypt lock Test
/usr/bin/time -p fscrypt unlock Test
/usr/bin/time -p fscrypt lock Test
/usr/bin/time -p fscrypt unlock Test

Анализ результатов

При анализе временных показателей операций шифрования и дешифрования не будем учитывать время, затраченное на ввод пароля. Будут складываться только показатели user и sys. В таблицу 1 сведена полученная из эксперимента временная информация (в секундах).

Таблица 1 — Результаты измерения

ФС	Тип	Эксперимент			Среднее значение
		1	2	3
Ext4	user	1,78	1,78	1,82	1,79333 с.
	sys	0,93	0,93	0,97	0,94333 с.
	user+sys	2,71	2,71	2,79	2,73666 с.
F2FS	user	1,77	1,78	1,79	1,78 с.
	sys	0,92	0,93	0,91	0,92 с.
	user+sys	2,69	2,71	2,7	2,7 с.

На основе полученных результатов построим графики, которые наглядно проиллюстрируют разницу в быстродействии шифрования на уровне каталогов между файловыми системами Ext4 и F2FS. Они показаны на рисунках 4, 5 и 6. Чем ниже график, тем быстрее была завершена программа шифрования fscrypt.