Raspberry Pi macht einen widerstandsfähigeren File Systembenutzerhandbuch

Raspberry Pi Ltd-Geräte werden häufig als Datenspeicher- und Überwachungsgeräte eingesetzt, oft an Orten, an denen es zu plötzlichen Stromausfällen kommen kann. Wie bei jedem Computergerät können Stromausfälle zu Speicherbeschädigungen führen. Dieses Whitepaper zeigt Möglichkeiten auf, wie Sie Datenbeschädigungen unter diesen und anderen Umständen durch die Auswahl geeigneter file Systeme und Setups zur Gewährleistung der Datenintegrität. Dieses Whitepaper setzt voraus, dass auf dem Raspberry Pi das Betriebssystem Raspberry Pi (Linux) läuft und die neueste Firmware und die neuesten Kernel installiert sind.

Was ist Datenbeschädigung und warum tritt sie auf?
Datenkorruption bezeichnet unbeabsichtigte Änderungen von Computerdaten, die beim Schreiben, Lesen, Speichern, Übertragen oder Verarbeiten auftreten. In diesem Dokument beziehen wir uns ausschließlich auf die Speicherung, nicht auf die Übertragung oder Verarbeitung. Eine Datenkorruption kann auftreten, wenn ein Schreibvorgang vorzeitig unterbrochen wird, sodass der Schreibvorgang nicht abgeschlossen werden kann, z. B.ampbei Stromausfall. An dieser Stelle lohnt es sich, kurz zu erklären, wie Linux (und damit auch Raspberry Pi) Daten in den Speicher schreibt. Linux verwendet üblicherweise Schreib-Caches, um Daten zu speichern, die in den Speicher geschrieben werden sollen. Diese Caches speichern die Daten vorübergehend im Arbeitsspeicher (RAM), bis ein bestimmtes vordefiniertes Limit erreicht ist. Ab diesem Zeitpunkt werden alle ausstehenden Schreibvorgänge auf dem Speichermedium in einer Transaktion ausgeführt. Diese vordefinierten Limits können zeit- und/oder größenbezogen sein. Zum BeispielampDaten können zwischengespeichert und nur alle fünf Sekunden in den Speicher geschrieben oder erst dann ausgeschrieben werden, wenn eine bestimmte Datenmenge angesammelt ist. Diese Verfahren dienen der Leistungssteigerung: Das Schreiben eines großen Datenblocks auf einmal ist schneller als das Schreiben vieler kleiner Datenblöcke.

Wenn jedoch zwischen dem Speichern im Cache und dem Ausschreiben der Daten die Stromversorgung unterbrochen wird, gehen diese Daten verloren. Weitere mögliche Probleme treten später im Schreibvorgang auf, beim physischen Schreiben der Daten auf das Speichermedium. Sobald eine Hardware (z. B.ampWenn die Secure Digital (SD)-Kartenschnittstelle Daten schreibt, dauert es dennoch eine begrenzte Zeit, bis diese physisch gespeichert sind. Kommt es während dieser extrem kurzen Zeitspanne zu einem Stromausfall, können die geschriebenen Daten beschädigt werden. Beim Herunterfahren eines Computersystems, einschließlich des Raspberry Pi, empfiehlt es sich, die Shutdown-Option zu verwenden. Dadurch wird sichergestellt, dass alle zwischengespeicherten Daten ausgeschrieben werden und die Hardware Zeit hatte, die Daten tatsächlich auf das Speichermedium zu schreiben. Die von den meisten Raspberry-Pi-Geräten verwendeten SD-Karten eignen sich hervorragend als günstiger Festplattenersatz, sind aber je nach Nutzung mit der Zeit anfällig für Ausfälle. Der in SD-Karten verwendete Flash-Speicher hat eine begrenzte Lebensdauer von Schreibzyklen und kann unzuverlässig werden, wenn sich die Karten diesem Limit nähern. Die meisten SD-Karten verwenden ein Verfahren namens Wear Leveling, um eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten. Letztlich können sie jedoch ausfallen. Dies kann Monate bis Jahre dauern, je nachdem, wie viele Daten auf die Karte geschrieben oder (noch wichtiger) von ihr gelöscht wurden. Diese Lebensdauer kann je nach Karte erheblich variieren. Ein Ausfall der SD-Karte wird in der Regel durch zufällige file Beschädigungen, da Teile der SD-Karte unbrauchbar werden.

Es gibt noch weitere Ursachen für die Beschädigung von Daten, beispielsweise defekte Speichermedien, Fehler in der Speicherschreibsoftware (Treiber) oder Fehler in den Anwendungen selbst. Im Rahmen dieses Whitepapers wird jeder Vorgang, bei dem es zu Datenverlust kommen kann, als Beschädigungsereignis definiert.

Was kann einen Schreibvorgang verursachen?
Die meisten Anwendungen schreiben in den Speicher, zum BeispielampDateikonfigurationsinformationen, Datenbankaktualisierungen und dergleichen. Einige dieser files können sogar temporär sein, d. h. nur während der Programmausführung verwendet werden und müssen nicht über einen Aus- und Wiedereinschaltvorgang hinweg aufrechterhalten werden; sie führen jedoch dennoch zu Schreibvorgängen auf dem Speichermedium. Selbst wenn Ihre Anwendung keine Daten schreibt, führt Linux im Hintergrund ständig Schreibvorgänge auf dem Speichermedium durch, hauptsächlich Protokollinformationen.

Hardwarelösungen

Obwohl dies nicht vollständig in den Rahmen dieses Whitepapers fällt, ist es erwähnenswert, dass die Vermeidung unerwarteter Stromausfälle eine häufig genutzte und allgemein anerkannte Maßnahme gegen Datenverlust ist. Geräte wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) gewährleisten eine stabile Stromversorgung. Bei einem Stromausfall kann die USV im Batteriebetrieb das Computersystem über einen bevorstehenden Stromausfall informieren, sodass ein ordnungsgemäßes Herunterfahren erfolgen kann, bevor die Notstromversorgung erschöpft ist. Da SD-Karten eine begrenzte Lebensdauer haben, kann ein Austauschsystem sinnvoll sein, das sicherstellt, dass SD-Karten ausgetauscht werden, bevor sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

Robust file Systeme

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Raspberry Pi-Gerät gegen Beschädigungen zu schützen. Die Wirksamkeit der Maßnahmen zur Verhinderung von Beschädigungen variiert, wobei jede Maßnahme das Risiko einer Beschädigung verringert.

Reduzieren von Schreibvorgängen
Schon die Reduzierung der Schreibvorgänge Ihrer Anwendungen und des Linux-Betriebssystems kann sich positiv auswirken. Bei hoher Protokollierung erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Schreibvorgängen während eines Datenverlusts. Die Reduzierung der Protokollierung in Ihrer Anwendung liegt in der Verantwortung des Endbenutzers, aber auch in Linux kann die Protokollierung reduziert werden. Dies ist besonders relevant bei Flash-Speichern (z. B. eMMC, SD-Karten) aufgrund deren begrenzten Schreiblebenszyklus.

Commit-Zeiten ändern
Die Commit-Zeit für eine file Das System gibt die Zeitspanne an, in der Daten zwischengespeichert werden, bevor sie vollständig in den Speicher kopiert werden. Eine Erhöhung dieser Zeitspanne verbessert die Leistung durch die Stapelverarbeitung vieler Schreibvorgänge, kann aber zu Datenverlust führen, wenn vor dem Schreiben der Daten eine Beschädigung auftritt. Eine Verkürzung der Commit-Zeit verringert zwar das Risiko einer Beschädigung, die zu Datenverlust führt, verhindert diesen jedoch nicht vollständig.
So ändern Sie die Commit-Zeit für den Haupt-EXT4 file System auf Raspberry Pi OS, müssen Sie die \etc\fstab bearbeiten file die definiert, wie file Systeme werden beim Start gemountet.
$sudo nano /etc/fstab

Fügen Sie dem EXT4-Eintrag für das Stammverzeichnis Folgendes hinzu file System:

verpflichten=

Die fstab-Datei könnte beispielsweise wie folgt aussehen, wobei die Commit-Zeit auf drei Sekunden eingestellt ist. Wenn nicht anders angegeben, beträgt die Commit-Zeit standardmäßig fünf Sekunden.

Vorübergehend file Systeme

Wenn eine Anwendung vorübergehend file Speicher, d. h. Daten, die nur während der Ausführung der Anwendung verwendet werden und nicht über einen Shutdown hinweg gespeichert werden müssen, dann ist eine gute Möglichkeit, physische Schreibvorgänge auf den Speicher zu verhindern, die Verwendung eines temporären file System, tmpfs. Weil diese file Systeme basieren auf RAM (tatsächlich im virtuellen Speicher). In ein tmpfs geschriebene Daten werden nie in den physischen Speicher geschrieben und beeinträchtigen daher nicht die Lebensdauer des Flash-Speichers und können bei einer Beschädigung nicht beschädigt werden.
Das Erstellen eines oder mehrerer tmpfs-Speicherorte erfordert die Bearbeitung der Datei /etc/fstab file, das alle file Systeme unter Raspberry Pi OS. Die folgenden Beispieleample ersetzt die speicherbasierten Speicherorte /tmp und /var/log durch temporäre file Systemstandorte. Die zweite Example, die den Standard-Protokollordner ersetzt, begrenzt die Gesamtgröße der file System auf 16 MB.

tmpfs /tmp tmpfs Standardwerte, keine Zeit 0 0
tmpfs /var/log tmpfs Standardwerte, keine Zeit, Größe=16m 0 0

Es gibt auch ein Drittanbieterskript, das die Protokollierung im RAM unterstützt. Es ist auf GitHub verfügbar. Es bietet zusätzlich die Möglichkeit, die RAM-basierten Protokolle in einem vordefinierten Intervall auf die Festplatte zu übertragen.

Schreibgeschütztes Stammverzeichnis file Systeme

Die Wurzel file System (rootfs) ist das file System auf der Festplattenpartition, auf der sich das Stammverzeichnis befindet, und es ist die file System, auf dem alle anderen file Systeme werden beim Systemstart gemountet. Auf dem Raspberry Pi ist es / und befindet sich standardmäßig auf der SD-Karte als vollständig lesbare/schreibbare EXT4-Partition. Es gibt auch einen Boot-Ordner, der als /boot gemountet ist und eine lesbare/schreibbare FAT-Partition ist. Wenn das Root-Dateisystem NUR lesbar ist, werden jegliche Schreibzugriffe darauf verhindert, was es deutlich robuster gegen Beschädigungen macht. Wenn jedoch keine anderen Maßnahmen ergriffen werden, bedeutet dies, dass nichts in das Root-Dateisystem geschrieben werden kann. file Das Speichern von Anwendungsdaten im Root-Dateisystem ist daher deaktiviert. Wenn Sie Anwendungsdaten speichern müssen, aber ein schreibgeschütztes Root-Dateisystem wünschen, können Sie gängige Verfahren verwenden, indem Sie einen USB-Speicherstick oder ähnliches verwenden, der nur zur Speicherung von Benutzerdaten dient.

NOTIZ
Wenn Sie einen Swap verwenden file bei Verwendung eines schreibgeschützten file System müssen Sie den Swap verschieben file zu einer Lese-/Schreibpartition.

Überlagerung file System

Eine Überlagerung file System (OverlayFS) kombiniert zwei file Systeme, eine obere file System und eine niedrigere file System. Wenn ein Name in beiden existiert file Systeme, das Objekt in der oberen file System ist sichtbar, während das Objekt im unteren file Das System ist entweder versteckt oder, im Falle von Verzeichnissen, mit dem oberen Objekt zusammengeführt. Raspberry Pi bietet in der Raspi-Konfiguration die Möglichkeit, ein Overlay-FS zu aktivieren. Dadurch wird das Root-FS (unteres Objekt) schreibgeschützt und ein RAM-basiertes oberes Objekt erstellt. file System. Dies führt zu einem sehr ähnlichen Ergebnis wie die schreibgeschützte file System, wobei alle Benutzeränderungen beim Neustart verloren gehen. Sie können ein Overlay-FS entweder über die Befehlszeile „raspi-config“ oder über die Desktop-Anwendung „Raspberry Pi-Konfiguration“ im Menü „Einstellungen“ aktivieren.

Es gibt auch andere Implementierungen von Overlayfs, die erforderliche Änderungen vom oberen zum unteren synchronisieren können file System nach einem vorgegebenen Zeitplan. Zum BeispielampBeispielsweise können Sie den Inhalt des Home-Ordners eines Benutzers alle zwölf Stunden von oben nach unten kopieren. Dadurch wird der Schreibvorgang auf einen sehr kurzen Zeitraum begrenzt, wodurch eine Beschädigung wesentlich unwahrscheinlicher ist. Allerdings gehen bei einem Stromausfall vor der Synchronisierung alle seit der letzten Synchronisierung generierten Daten verloren. pSLC auf Compute-Modulen Der auf den Compute-Modulen von Raspberry Pi verwendete eMMC-Speicher ist ein MLC-Speicher (Multi-Level Cell), bei dem jede Speicherzelle 2 Bit darstellt. pSLC oder Pseudo-Single Level Cell ist eine Art NAND-Flash-Speichertechnologie, die in kompatiblen MLC-Speichergeräten aktiviert werden kann, bei denen jede Zelle nur 1 Bit darstellt. Sie ist darauf ausgelegt, ein Gleichgewicht zwischen der Leistung und Lebensdauer von SLC-Flash und der Kosteneffizienz und höheren Kapazität von MLC-Flash zu bieten. pSLC hat eine höhere Schreiblebensdauer als MLC, da das seltenere Schreiben von Daten in Zellen den Verschleiß reduziert. Während MLC etwa 3,000 bis 10,000 Schreibzyklen bieten kann, kann pSLC erheblich höhere Werte erreichen und sich den Lebensdauerniveaus von SLC annähern. Diese erhöhte Belastbarkeit führt zu einer längeren Lebensdauer von Geräten mit pSLC-Technologie im Vergleich zu Geräten mit Standard-MLC.

MLC ist kostengünstiger als SLC-Speicher. pSLC bietet zwar eine bessere Leistung und Lebensdauer als reines MLC, dies geht jedoch auf Kosten der Kapazität. Ein für pSLC konfiguriertes MLC-Gerät hat die Hälfte (oder weniger) der Kapazität eines Standard-MLC-Geräts, da jede Zelle nur ein Bit statt zwei oder mehr speichert.

Implementierungsdetails

pSLC wird auf eMMC als Enhanced User Area (auch Enhanced Storage genannt) implementiert. Die tatsächliche Implementierung der Enhanced User Area ist nicht im MMC-Standard definiert, sondern erfolgt üblicherweise über pSLC.

Enhanced User Area ist ein Konzept, während pSLC eine Implementierung ist.

pSLC ist eine Möglichkeit zur Implementierung von Enhanced User Area.
Zum Zeitpunkt des Schreibens implementiert das auf den Raspberry Pi Compute Modules verwendete eMMC den Enhanced User Area mithilfe von pSLC.

Es ist nicht erforderlich, den gesamten eMMC-Benutzerbereich als erweiterten Benutzerbereich zu konfigurieren.
Das Programmieren eines Speicherbereichs als erweiterter Benutzerbereich ist ein einmaliger Vorgang. Das heißt, er kann nicht rückgängig gemacht werden.

Einschalten
Linux bietet eine Reihe von Befehlen zur Bearbeitung der eMMC-Partitionen im Paket mmc-utils. Installieren Sie ein Standard-Linux-Betriebssystem auf dem CM-Gerät und installieren Sie die Tools wie folgt:

sudo apt installiere mmc-utils

So erhalten Sie Informationen zum eMMC (dieser Befehl wird in „less“ weitergeleitet, da ziemlich viele Informationen anzuzeigen sind):

sudo mmc extcsd read /dev/mmcblk0 | weniger

WARNUNG
Die folgenden Vorgänge sind einmalig – Sie können sie einmal ausführen und nicht rückgängig machen. Sie sollten sie außerdem vor der Verwendung des Compute Modules ausführen, da dadurch alle Daten gelöscht werden. Die Kapazität der eMMC wird auf die Hälfte des vorherigen Werts reduziert.

Der Befehl zum Aktivieren von pSLC lautet mmc enh_area_set. Er benötigt mehrere Parameter, die angeben, über welchen Speicherbereich pSLC aktiviert werden soll. Das folgende Beispielample nutzt den gesamten Bereich. Weitere Informationen zur Verwendung einer Teilmenge des eMMC finden Sie in der Hilfe zum MMC-Befehl (man mmc).

Nach dem Neustart des Geräts MÜSSEN Sie das Betriebssystem neu installieren, da durch die Aktivierung von pSLC der Inhalt des eMMC gelöscht wird.

Die Raspberry Pi CM Provisioner Software bietet die Möglichkeit, pSLC während des Provisionierungsprozesses einzustellen. Diese finden Sie auf GitHub unter https://github.com/raspberrypi/cmprovision.

Außerhalb des Geräts file Systeme / Netzwerk-Boot
Der Raspberry Pi kann über eine Netzwerkverbindung booten, zum Beispielample über das Netzwerk File System (NFS). Dies bedeutet, dass das Gerät nach Abschluss seiner erstentage booten, anstatt den Kernel und das Root- file System von der SD-Karte, es wird von einem Netzwerk-Server geladen. Sobald läuft, alle file Die Vorgänge erfolgen auf dem Server und nicht auf der lokalen SD-Karte, die im weiteren Verlauf keine Rolle spielt.
Cloud-Lösungen
Heutzutage werden viele Büroaufgaben im Browser erledigt, wobei alle Daten online in der Cloud gespeichert werden. Die Datenspeicherung außerhalb der SD-Karte verbessert natürlich die Zuverlässigkeit, erfordert aber eine ständige Internetverbindung und es fallen möglicherweise Gebühren von Cloud-Anbietern an. Der Benutzer kann entweder eine vollwertige Raspberry-Pi-Betriebssysteminstallation mit dem für Raspberry Pi optimierten Browser verwenden, um auf alle Cloud-Dienste von Anbietern wie Google, Microsoft, Amazon usw. zuzugreifen. Eine Alternative dazu sind Thin-Client-Anbieter, die Raspberry Pi OS durch ein Betriebssystem/eine Anwendung ersetzen, das/die auf Ressourcen läuft, die auf einem zentralen Server statt auf der SD-Karte gespeichert sind. Thin Clients funktionieren, indem sie eine Remote-Verbindung zu einer serverbasierten Computerumgebung herstellen, in der die meisten Anwendungen, vertraulichen Daten und der Speicher gespeichert sind.

Schlussfolgerungen

Bei korrektem Herunterfahren ist der SD-Kartenspeicher des Raspberry Pi äußerst zuverlässig. Dies funktioniert gut im Heim- oder Bürobereich, wo das Herunterfahren kontrolliert werden kann. Beim Einsatz von Raspberry Pi-Geräten in industriellen Anwendungsfällen oder in Bereichen mit unzuverlässiger Stromversorgung können zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen die Zuverlässigkeit verbessern.

Kurz gesagt können die Optionen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit wie folgt aufgelistet werden:

Verwenden Sie eine bekannte, zuverlässige SD-Karte.
Reduzieren Sie Schreibvorgänge durch längere Commit-Zeiten, durch die Verwendung temporärer file Systeme, unter Verwendung eines Overlayfs oder ähnlichem.

Verwenden Sie externen Speicher wie Netzwerk-Boot oder Cloud-Speicher.
Implementieren Sie ein System zum Ersetzen von SD-Karten, bevor diese das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.
Verwenden Sie eine USV.

Raspberry Pi ist eine Marke von Raspberry Pi Ltd.
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Kolophon
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Erstellungsdatum: 2024

Build-Version: Githash: 3e4dad9-clean

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Häufig gestellte Fragen

F: Welche Raspberry Pi-Produkte werden in diesem Dokument unterstützt?
A: Dieses Dokument gilt für verschiedene Raspberry Pi-Produkte, darunter Pi 0 W, Pi 1 A/B, Pi 2 A/B, Pi 3, Pi 4, Pi 400, CM1, CM3, CM4, CM5 und Pico.
F: Wie kann ich das Risiko einer Datenbeschädigung auf meinem Raspberry Pi-Gerät verringern?
A: Sie können Datenbeschädigungen reduzieren, indem Sie Schreibvorgänge, insbesondere Protokollierungsaktivitäten, minimieren und die Commit-Zeiten für die file System wie in diesem Dokument beschrieben.

Dokumente / Ressourcen

Raspberry Pi macht einen widerstandsfähigeren File System [pdf] Benutzerhandbuch
Pi 0, Pi 1, macht es widerstandsfähiger File System, widerstandsfähiger File System, belastbar File System, File System

Verweise

Bedienungsanleitung

Raspberry Pi macht einen widerstandsfähigeren File System

Geltungsbereich des Dokuments