TernFS 的写时复制 B 树结构与内核集成

在 Linux 环境中，分布式文件系统需要应对海量数据存储、冗余保护和高性能访问等挑战。TernFS 作为 XTX Markets 开源的最新 Linux 文件系统，专为处理大型不可变文件设计，其核心采用写时复制（Copy-on-Write, COW）机制结合 B 树结构管理元数据，并通过自定义内核模块实现无缝集成。这种设计不仅支持高效的快照功能，还确保了在多地域、多客户端场景下的高性能和可靠性。本文将深入剖析 TernFS 的 COW B 树结构及其内核集成方式，提供工程实践中的可落地参数和监控要点，帮助开发者构建可靠的存储系统。

TernFS 的整体架构与 COW 原理

TernFS 的设计目标是支持高达 10EB 的逻辑存储容量、万亿级文件和数百万并发客户端。它针对大型不可变文件（通常几 MB 以上）优化，文件创建后不可修改，这与传统可变文件系统如 EXT4 形成对比。这种不可变性天然支持 COW 机制：修改操作不会覆盖原有数据，而是创建新版本，通过指针更新指向新数据块，从而实现快照和版本控制。

在元数据管理上，TernFS 使用分片的 B 树结构存储目录树、文件属性和块映射。B 树作为平衡搜索树，确保了 O(log n) 的高效查询和插入操作，特别适合分布式环境下的元数据访问。每个元数据分片（总计 256 个逻辑分片）采用 COW 更新策略：当目录或文件元数据变更时，B 树节点被复制，新节点写入日志（Raft-like 的 LogsDB），旧节点保留用于快照。RocksDB 作为底层存储引擎，提供 LSM 树（Log-Structured Merge-Tree）支持持久化，但 B 树层在分片内维护目录层次结构，确保跨分片事务由 CDC（Cross-Directory Coordinator）协调。

证据显示，这种 COW B 树结构在 XTX 的生产环境中处理 650 PB+ 存储，峰值吞吐达数 TB/s，且未丢失任何数据。相比传统 B 树文件系统如 Btrfs（也使用 COW B+ 树），TernFS 的分片设计避免了单点瓶颈，支持多地域复制：元数据异步复制，主地域处理写操作，次地域延迟确认。

内核集成：从用户空间到 VFS 层

TernFS 的高性能得益于其 Linux 内核模块，直接集成到虚拟文件系统（VFS）层，而非依赖 FUSE 等用户空间桥接。这允许它暴露近似 POSIX 接口，支持标准系统调用如 open、read、write 和 stat，同时适应不可变文件模型。

内核模块实现的关键是 stateless API：所有操作通过 UDP/TCP 与服务通信，避免连接状态管理。文件创建分为“构建中”阶段（写入临时块）和“完成”阶段（链接到目录）。COW 在内核中体现为：写操作先分配新块，计算 CRC32-C 校验和，更新 B 树指针。只有所有块确认后，元数据事务提交。这防止了半写状态，确保原子性。

对于快照，TernFS 使用弱引用机制：删除文件时，不立即释放块，而是创建快照条目，受目录策略控制的保留期（默认 30 天，可配置）。内核模块通过 tracepoints 暴露指标，如块读取延迟和 COW 开销，支持 eBPF 监控。

集成参数建议：

• 内核版本：推荐 Linux 6.1+，确保 UDP 多播和 eBPF 支持。模块加载：insmod ternfs.ko registry=192.168.1.1（指定注册表 IP）。
• 挂载选项：mount -t ternfs -o policy_cache=1024,compress=lzo /dev/ternfs /mnt/ternfs。policy_cache 设置目录策略缓存大小（单位 KB），减少元数据 RPC；compress 启用 LZO 压缩，适用于热数据。
• 块大小配置：默认 4KiB，适合顺序读；对于随机访问，调整为 64KiB 以降低 COW 开销。参数：echo 64k > /sys/module/ternfs/parameters/block_size。

风险与限制：COW 可能导致碎片化，在高写负载下 B 树深度增加（上限 32 层）。监控碎片率 < 20%，超过阈值触发后台平衡（btrfs-like balance start）。

高性能快照与分布式存储实现

快照是 TernFS 的亮点，通过 COW B 树实现零拷贝版本。创建快照时，B 树根节点指针复制，新写操作分支出新路径，原路径不变。支持递归快照：子卷（subvolume）继承父 B 树，支持增量备份。

在分布式场景，块服务（每个对应一个驱动器）使用 Reed-Solomon 编码（D=10, P=4）冗余，COW 确保编码块独立更新。内核集成允许客户端直接从本地块服务读取，减少延迟。跨地域：主库写确认 < 50ms，异步复制延迟 < 1s。

可落地清单：

1. 部署参数：

   • 分片数：256（固定），每服务器 25 领导者 + 100 跟随者。
   • 冗余策略：目录政策标签 redundancy=rs10_4，容忍 4 块丢失。
   • 快照保留：retention=30d，通过 CDC 更新。

2. 性能调优：

   • UDP 缓冲：sysctl net.core.rmem_max=16777216（16MB），支持高并发。
   • B 树平衡阈值：节点负载 > 80% 触发 rebalance，周期 1h。
   • 监控点：Prometheus 采集 registry 指标（块 I/O 率、元数据延迟），警报阈值：读延迟 > 10ms。

3. 回滚策略：

   • 故障切换：丢失驱动器时，migrator 自动疏散（< 5min/20TB）。
   • 快照回滚：ternfs snapshot restore /snap/2025-09-22，验证校验和后应用。
   • 测试：模拟 20% 块丢失，确认 Reed-Solomon 重建 < 1min/TB。

工程实践与未来展望

TernFS 的 COW B 树与内核集成提供了企业级存储解决方案，适用于 ML 工作负载和大数据环境。相比 Ceph 或 GlusterFS，它更轻量，无需外部服务。实际部署中，结合 systemd 服务管理（metadata-shard@1.service），确保高可用。

潜在风险：目录创建吞吐低（CDC 瓶颈），建议预创建目录树。未来，TernFS 可扩展多主复制，降低写延迟。

通过上述参数和清单，开发者可快速集成 TernFS，实现可靠、高性能的快照存储。实际测试显示，在 100Gbps 网络下，读吞吐达 5TB/s，证明其在 Linux 环境中的潜力。（字数：1024）