ZFS 快照技術解析：資料管理與備份策略

ZFS 快照技術允許建立檔案系統的唯讀副本，有效節省儲存空間，並支援資料保護、備份和回復操作。這對於 Raspberry Pi 等資源有限的系統尤為重要。ZFS 快照建立速度快，不涉及資料複製，刪除也僅需釋放參照，提升效率。結合 zfs send 和 zfs receive 指令，可以方便地將快照傳輸到其他系統或儲存裝置，實作異地備份。此外，ZFS 快照還能用於建立可寫副本（clone），便於測試和開發。當檔案系統發生錯誤修改時，回復到之前的快照可以快速還原資料，避免損失。

使用 ZFS 快照進行資料管理與備份

ZFS 快照是 ZFS 檔案系統的一項功能，能讓我們在某一個時間點建立檔案系統的唯讀副本。這些快照具有高效的儲存空間節省特性，並且能夠用來進行資料保護、備份及回復等操作。以下是 ZFS 快照的一些關鍵特性及應用場景，特別適用於核心在家中或小型辦公室環境的 Raspberry Pi 系統：

1. 儲存空間效率

ZFS 快照在建立時不會消耗額外的儲存空間。相反，它們會參照檔案系統現有的資料區塊。當我們對檔案系統進行修改時，只有變更的資料區塊才會分配新的空間。這使得我們可以擁有多個快照而不會消耗過多的儲存空間。

2. 快速建立與刪除

建立 ZFS 快照是一個快速的操作，因為它不涉及資料的複製。刪除快照也相當迅速，因為它只是釋放參照而不是實際刪除資料。

3. 資料保護

ZFS 快照對於資料保護和還原非常有用。如果我們意外刪除或修改了某個檔案，可以透過回復到先前的快照來還原檔案系統到該時刻的狀態。這樣可以防止資料丟失，並簡化備份和還原流程。

4. 備份

雖然 ZFS 快照不是傳統備份的完整替代方案，但它可以成為整體使用者資料備份策略的一部分。快照提供了某一時刻的檔案系統副本，可以用來備份目的。我們可以與 zfs send 和 zfs receive 工具搭配使用，將快照傳輸到其他系統或儲存裝置以建立備份。

此圖示展示了使用 `zfs send` 和 `zfs receive` 的流程：

內容解密：

源端機器：準備好要進行備份的資料。
建立快照：使用 zfs snapshot 指令建立快照。
使用 zfs send 傳送快照：將快照內容以流的形式發送出去。
傳輸到目標機器：可以使用 scp、rsync 或其他檔案傳輸工具將快照檔案傳輸到目標機器。
目標機器接收快照：接收傳輸過來的快照檔案。
使用 zfs receive 還原快照：將接收到的快照內容應用到目標機器上。

5. 複製

ZFS 快照可以用來建立複製（clone），這是某一特定時間點檔案系統的可寫副本。複製與原始快照分享資料，直到有變更發生時才分歧。

6. 回復

如果我們對檔案系統進行了後悔的變更，可以使用 ZFS 快照將其回復到先前的狀態，從而復原這些變更。

在區域網中傳輸 ZFS 快照

要在區域網中兩台電腦之間傳輸 ZFS 快照，我們可以使用 zfs send 和 zfs receive 指令。這些指令分別用來傳送和接收 ZFS 快照。以下是基本流程：

源端機器（傳送方）

確認要傳送的資料集和快照。例如，如果我們有一個名為 pool1/mydata 的資料集和名為 @backup1 的快照，則使用：
```
zfs send pool1/mydata@backup1 > /path/to/backup1.zfs
```

傳輸到目標機器

使用 scp、rsync 或其他檔案傳輸工具將 backup1.zfs 檔案移動到目標機器。

目標機器（接收方）

在目標機器上使用 zfs receive 指令來應用這個快照：
```
zfs receive pool2/newdataset < /path/to/backup1.zfs
```
這將在目標機器上重新建立資料集 pool2/newdataset。

上述指令解說

zfs send：將 ZFS 資料集或快照傳送到標準輸出，然後可以重定向到檔案或透過網路傳輸。
zfs receive：從標準輸入讀取流並建立新資料集、檔案系統或磁碟卷。

需要注意的是，請替換掉 pool1/mydata、@backup1、pool2/newdataset、/path/to/backup1.zfs 和其他佔位符為實際資料集、快照和檔案路徑。

安全通訊

考慮使用 ssh 與 zfs send 和 zfs receive 一起使用以進行安全通訊。例如：

zfs send pool1/mydata@backup1 | ssh username@destination-machine 'zfs receive pool2/newdataset'

注意事項：

若你在兩台機器上以 root 身份建立了 zpool，除非你修改了目標機器上的許可權設定，否則登入名稱必須是 root。
請確保替換掉 username 和 destination-machine 為實際 SSH 使用者名稱和目標機器地址。
在傳輸第一個快照時請確保目標資料集不已存在（例如：pool2/newdataset）。

注意事項：

兩台系統（傳送方和接收方）可以是 Raspberry Pi 機器或者 Raspberry Pi 作為傳送方、另一種型號或架構作為接收方。只要兩者都安裝了 ZFS。

前提條件

已完成範例 1.1 至範例 1.4。
在兩台 Raspberry Pi 機器上安裝了 ZFS，如第 1.1 節所示。
在兩台系統上擁有 root 許可權（特別是在接收端）。
能夠透過 ssh 作為 root 使用者登入接收端主機。這涉及修改 sshd_config 檔案以允許 root 使用者登入；這對於具有公網 IP 地址的機器可能存在安全風險！

在 Raspberry Pi 上進行設定：

sudo nano /etc/ssh/sshd_config

並將 #PermitRootLogin prohibit-password 改為 PermitRootLogin yes

準備兩個格式化好的 USB 驅動器。

我們最初使用的是格式化為 FAT32 的兩個 USB 驅動器。

流程步驟

第一步：如範例 1.3 中所示準備兩個 USB 驅動器。

第二步：將 USB 驅動器插入兩台系統並分別建立命名如下的 zpool：

源端系統：sender
接收端系統：receiver

Raspberry Pi OS 中的 ZFS 系統管理：快照與資料傳輸

在 ZFS 資料集中建立新檔案

首先，我們在名為 sender 的 ZFS 資料集中建立一個新檔案。這個資料集預設掛載在 /sender 目錄下，並由之前建立的源 zpool 自動生成。

建立快照並進行傳輸

接下來，我們需要對 sender 資料集建立一個快照。快照是 ZFS 中用於備份和還原的重要功能，這裡我們使用日期作為快照的名稱。

sudo zfs snapshot sender@2023-11-25

這條指令會建立一個名為 sender@2023-11-25 的快照。要列出所有快照，可以使用以下命令：

sudo zfs list -t snapshot

內容解密：

sudo zfs snapshot sender@2023-11-25：這條指令用於建立一個名為 sender@2023-11-25 的快照。快照是 ZFS 的一個特性，它可以在不中斷系統執行的情況下對檔案系統進行備份。
sudo zfs list -t snapshot：這條指令用於列出所有已經建立的快照。其中 -t snapshot 選項指定只列出快照型別的資料集。

將快照傳輸到另一台系統

接下來，我們需要將這個快照傳輸到另一台系統。這裡使用 SSH 和 zfs send/receive 命令來實作：

sudo zfs send sender@2023-11-25 | ssh root@192.168.1.34 zfs receive -F receiver

這條指令會將 sender@2023-11-25 快照傳輸到 IP 地址為 192.168.1.34 的目標系統，並且目標資料集名稱為 receiver。

內容解密：

sudo zfs send sender@2023-11-25：這條指令用於將 sender@2023-11-25 快照轉換為資料流。
| ssh root@192.168.1.34 zfs receive -F receiver：這部分使用 SSH 命令將資料流傳輸到目標系統，並且在目標系統上使用 zfs receive -F receiver 指令接收資料流並重建資料集。
- -F 選項用於強制覆寫目標資料集，如果目標資料集已經存在則會被覆寫。

驗證快照傳輸結果

在目標系統上，我們可以透過進入 /receiver 目錄並列出檔案來驗證快照是否成功傳輸：

cd /receiver
ls

此圖示展示了從源系統中的 sender 資料集傳送到接收系統中的 receiver 資料集的過程。該過程包括建立 ZFS 快照、將快照傳送給目標系統並透過 SSH 接收和還原資料。

內容解密：

在源系統中建立 ZFS 快照：這步驟是儲存當前檔案系統狀態的備份。
傳送快照到目標系統：透過 SSH 和 zfs send/receive 命令將快照資料流傳輸到另一台系統。
在目標系統上接收並還原資料：在目標系統上使用 zfs receive 指令接收資料流並重建資料集。
驗證資料是否成功傳輸：透過列出目標資料集中的檔案來確認資料是否成功傳輸。

追加檔案並建立增量快照

在源系統上，我們可以繼續新增新檔案並在 ZFS 資料集中建立新的增量快照。增量快照僅包含自上次快照以來的變化，這樣可以節省儲存空間和傳輸時間。

sudo zfs snapshot sender@2023-11-26

要檢視當前所有快照的狀態，可以使用以下命令：

sudo zfs list -t snapshot

內容解密：

sudo zfs snapshot sender@2023-11-26：這條指令用於建立一個新的增量快照，名稱為 sender@2023-11-26。增量快照僅包含自上次快照以來的變化。
sudo zfs list -t snapshot：這條指令用於列出所有已經建立的快照。透過檢查每個快照的大小（USED 欄位），我們可以知道哪些是完整備份（全量），哪些是增量備份。

傳輸增量備份到目標系統

接下來，我們使用 -i 選項來傳輸增量備份：

sudo zfs send -i sender@2023-11-25 sender@2023-11-26 | ssh root@192.168.1.34 zfs receive -F receiver

這條指令會將自 sender@2023-11-25 快照以來的變化（即增量備份）傳輸到目標系統。

內容解密：

-i sender@...: -i 選項表示增量備份，即僅傳輸自上次完整備份（或前一次增量備份）以來的變化。

清理與重初始化儲存裝置

最後，我們可以使用以下命令來清理和重初始化儲存裝置：

sudo zfs destroy -r sender@...
sudo zpool destroy ...

此圖示展示了在 Raspberry Pi 上管理 ZFS 快照和資料集的一個簡單流程。從建立 ZFS 快鏈到傳送和接收資料流以及最終清理和重初始化儲存裝置

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title ZFS 快照技術解析：資料管理與備份策略

package "時間序列分析" {
    package "資料準備" {
        component [時間索引] as time_idx
        component [重採樣 Resample] as resample
        component [缺失值處理] as missing
    }

    package "特徵分析" {
        component [趨勢 Trend] as trend
        component [季節性 Seasonality] as season
        component [殘差 Residual] as residual
    }

    package "預測模型" {
        component [ARIMA] as arima
        component [指數平滑] as ets
        component [Prophet] as prophet
        component [LSTM] as lstm
    }
}

time_idx --> resample : 時間聚合
resample --> trend : 分解
trend --> season : STL分解
season --> residual : 殘差分析

trend --> arima : 自迴歸
season --> ets : 季節調整
residual --> prophet : 預測
residual --> lstm : 深度學習

note right of arima
  p: 自迴歸階數
  d: 差分階數
  q: 移動平均階數
end note

@enduml

內容解密：

在 Rapsberry Pi 上操作 ZFS 是一個很有用處的技能,在這個過程裡,我們從建立一個新的ZFS資料函式庫,增加一些檔案,然後進行全量和增量備份,最後將這些備份傳輸給遠端系統並進行驗證.

在這些步驟中，我們詳細展示瞭如何在 Raspberry Pi OS 中使用 ZFS 進行系統管理、建立和傳輸快照、以及如何進行增量備份。透過這些操作，我們可以高效地管理和保護我們的資料。

ZFS 管理與使用：備份與快照操作

在使用 ZFS 進行檔案系統管理時，備份與快照是不可或缺的技術。這些技術不僅能保護資料安全，還能方便地進行資料還原。玄貓將詳細介紹如何使用 ZFS 快照來實作備份，並提供相關的 Shell 指令碼範例。

ZFS 快照與備份的基本概念

ZFS 是一種高效且可靠的檔案系統，其主要特點之一是支援快照（snapshot）。快照是一個檔案系統在特定時間點的即時映像，可以用來進行備份和還原。以下是一些關鍵概念：

快照（Snapshot）：ZFS 快照是一個只讀的檔案系統映像，可以快速建立且不佔用額外的磁碟空間（除非資料發生變化）。
傳送（Send）：ZFS 提供 zfs send 命令，可以將快照傳送到其他地方進行備份。
接收（Receive）：zfs receive 命令則用來接收從其他地方傳送過來的快照。

使用 Shell 指令碼進行自動化備份

為了簡化備份流程，可以編寫一個 Shell 指令碼來自動化這些操作。以下是一個範例指令碼，它會每天建立一個新的快照，並刪除前一天的快照：

#!/bin/bash

# 定義變數
pool="your_pool_name"
fs="your_filesystem"
snapshot_yesterday="your_snapshot_name_yesterday"
snapshot_today="your_snapshot_name_today"

# 建立今日的快照
zfs snapshot $pool/$fs@$snapshot_today

# 傳送今日的快照到遠端
zfs send $pool/$fs@$snapshot_today | ssh user@remote_host "zfs receive your_remote_pool/your_remote_fs"

# 檢查昨日的快照是否存在
if zfs list -H -o name $pool/$fs@$snapshot_yesterday > /dev/null 2>&1; then
    echo "Backup complete, destroying yesterday's snapshot"
    zfs destroy -r $pool/$fs@$snapshot_yesterday
    exit 0
else
    echo "Missing yesterday's snapshot, aborting: $snapshot_yesterday"
    exit 1
fi

內容解密：

這段指令碼首先定義了幾個變數，包括 ZFS pool、檔案系統以及快照的名稱。然後它執行以下步驟：

建立今日的快照：使用 zfs snapshot 命令建立一個新的快照。
傳送今日的快照：使用 zfs send 和 ssh 命令將今日的快照傳送到遠端主機。
檢查昨日的快照：使用 zfs list 命令檢查昨日的快照是否存在。
刪除昨日的快照：如果昨日的快照存在，則使用 zfs destroy 命令刪除它。

這樣可以確保每天只保留一個最新的快照，並將其傳送到遠端進行備份。

ZFS 的獨特優勢

ZFS 與其他檔案系統相比，具有以下幾個獨特優勢：

靈活的儲存管理：ZFS 的儲存池（zpools）可以靈活擴充套件，並且支援映象和拆分鎖儲存方式，提高了資料安全性。
高效的快照和還原：ZFS 的快照機制高效且可靠，能夠迅速建立和還原。
資料完整性檢查：ZFS 提供內建的資料完整性檢查功能，確保資料在儲存和傳輸過程中不會被損壞。

實務應用與未來趨勢

在實務應用中，ZFS 已經廣泛應用於企業級儲存解決方案中。隨著雲端運算和大資料技術的發展，ZFS 的靈活性和可靠性使其成為未來儲存技術的一個重要選擇。

玄貓認為，隨著更多企業和開發者認識到 ZFS 的優勢，未來將會有更多根據 ZFS 的創新應用出現。例如，結合 AI 和機器學習技術，可以更智慧地進行資料管理和分析。

需要考量之處

在使用 ZFS 檔案系統時，需要考量以下幾點：

學習曲線：對於初學者來說，ZFS 的學習曲線相對較陡峭，需要投入時間和精力來瞭解其基本概念和操作方法。
硬體需求：ZFS 需要較高的硬體組態來實作其高效能和可靠性。
相容性問題：在某些情況下，可能會遇到與其他系統或軟體的相容性問題。

圖形系統與桌面環境技術洞察

在現代的電腦系統中，圖形使用者介面（GUI）技術是使用者互動的核心。本文將探討 X Windows System、Wayland、Xwayland、Wayfire、GTK 和 Qt 等技術，並解釋其在桌面環境中的角色與應用。

圖形系統基礎

X Windows System

傳統上，我們將伺服器視為一台提供檔案給多台客戶端的機器，但 X Windows System 中的伺服器有不同的功能。在 X Windows System 中，伺服器是實際接受使用者輸入並顯示輸出的硬體和軟體。例如，鍵盤、滑鼠和 OLED 螢幕都是伺服器的一部分，它們圖形化地向使用者提供資訊。相反地，客戶端是連線到伺服器、接收輸入事件並要求顯示輸出的應用程式。

X Windows System 的一些關鍵特性和概念包括：

網路透明性：X11 以其網路透明性著稱，這意味著應用程式可以在一台電腦上執行，並在另一台電腦上顯示。這對於遠端桌面應用和將計算任務分佈到遠端伺服器而顯示結果在本地非常有用。
視窗管理：X11 提供基本的視窗管理功能，允許使用者移動、調整大小和操作視窗。
擴充套件支援：X11 支援擴充套件功能，可以為核心 X 協定新增額外功能，例如 X Render 擴充套件以改進圖形渲染。
多種視窗管理器：X11 是視窗管理器無關的，意味著使用者可以選擇多種不同風格和功能的視窗管理器。流行的視窗管理器包括 GNOME、KDE 和 Xfce。

儘管 X11 在 Unix 和 Linux 系統上長期是圖形環境的標準，但 Wayland 是一個更現代且高效的替代方案，專注於安全性和效能。許多 Linux 發行版和桌面環境正逐漸從 X11 轉向 Wayland 作為預設顯示協定。

Wayland：下一代圖形系統

Wayland 是一種用於顯示伺服器與其客戶端之間通訊的協定，旨在取代舊有的 X Window System。Wayland 提供了一種更現代且高效的圖形渲染方式，改善了效能和安全性。它是許多 Linux 桌面環境（如 GNOME 和 KDE）的一部分，幫助管理視窗、輸入裝置和其他圖形元素。

Xwayland：橋接舊與新

Xwayland 是一個相容層，允許專為 X Window System 設計的應用程式在 Wayland 顯示伺服器上執行。它橋接了舊有的 X11 協定和新興的 Wayland 協定，使得傳統的 X11 應用程式能夠無縫地在 Wayland 基礎的圖形環境中運作。

由於許多現有的 Linux 應用程式和視窗管理器是為 X11 開發的，因此完全轉向 Wayland 是一項巨大的工程。Xwayland 的作用如同翻譯員，使得 X11 應用程式能夠在 Wayland 執行緒中繪製圖形元素並與 Wayland 調合器互動，從而讓使用者能夠同時享受傳統 X11 應用程式和新穎 Wayland 應用程式。

Wayfire：3D Wayland 調合器

Wayfire 是一個為 Linux 設計的 3D Wayland 調合器。它是一個與 Wayland 顯示協定協力工作的視窗管理器，提供 Debian Bookworm 基礎的 Raspberry Pi OS 的桌面體驗。

Wayfire 提供了一個視覺上吸引人且功能豐富的環境，適合執行 Wayland 基礎桌面的 Linux 使用者。它允許使用者建立視覺驚艷且高度可自定義的桌面環境。

GUI 工具包：GTK 與 Qt

GTK4

GTK4（原名 GIMP 工具包）是一個開源圖形使用者介面（GUI）工具包，用於建立應用程式中的圖形使用者介面。它主要與 GNOME 桌面環境相關聯，但也可以在其他平台上使用，如 Windows 和 macOS。

GTK4 提供了一組用於構建圖形使用者介面的函式庫和工具。它包括各種圖形小工具（如按鈕、文字欄位、選單等）以及處理事件、繪製圖形和管理視窗的功能。GTK4 是用 C 語言編寫的，但它也有多種其他程式語言繫結，使得開發人員可以根據不同語言偏好進行選擇。

GTK4 在 Linux 和 Unix 軟體生態系統中被廣泛使用，並作為許多應用程式（如文字編輯器、檔案管理員）和桌面環境（如 GNOME）的基礎。它以其靈活性、可擴充套件性和建立吸引人且功能強大使用者介面而著稱。

Qt5

Qt5 是一個跨平台應用程式框架和工具包，廣泛用於開發帶有圖形使用者介面（GUI）的軟體。Qt 提供了一組豐富且強大的類別函式庫來簡化應用開發過程。

Qt 的設計目標之一是簡化跨平台開發工作流程。透過提供統一的 API 介面來讀取作業系統資訊並透過特定後端進行渲染輸出。這樣 Qt 應用就可以很方便地在不同平台之間進行佈署了。

此外 Qt 也具有內建的一套元物件系統（Meta Object System），這使得 Qt 能夠擁有像 Java 或 C# 一樣豐富且靈活強大之特性。Qt 的另一大特色就是其豐富且完善之國際化支援機制及資源處理技術（QResource），這些都讓 Qt 在處理複雜之 GUI 應用時能夠保持簡單快速而不失靈活。

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。

ZFS 快照技術解析：資料管理與備份策略

使用 ZFS 快照進行資料管理與備份

1. 儲存空間效率

2. 快速建立與刪除

3. 資料保護

4. 備份

此圖示展示了使用 zfs send 和 zfs receive 的流程：

內容解密：

5. 複製

6. 回復

在區域網中傳輸 ZFS 快照

源端機器（傳送方）

傳輸到目標機器

目標機器（接收方）

上述指令解說

安全通訊

注意事項：

注意事項：

前提條件

在 Raspberry Pi 上進行設定：

準備兩個格式化好的 USB 驅動器。

流程步驟

Raspberry Pi OS 中的 ZFS 系統管理：快照與資料傳輸

在 ZFS 資料集中建立新檔案

建立快照並進行傳輸

內容解密：

將快照傳輸到另一台系統

內容解密：

驗證快照傳輸結果

內容解密：

追加檔案並建立增量快照

內容解密：

傳輸增量備份到目標系統

內容解密：

清理與重初始化儲存裝置

內容解密：

ZFS 管理與使用：備份與快照操作

ZFS 快照與備份的基本概念

使用 Shell 指令碼進行自動化備份

內容解密：

ZFS 的獨特優勢

實務應用與未來趨勢

需要考量之處

圖形系統與桌面環境技術洞察

圖形系統基礎

X Windows System

Wayland：下一代圖形系統

Xwayland：橋接舊與新

Wayfire：3D Wayland 調合器

GUI 工具包：GTK 與 Qt

GTK4

Qt5

玄貓 BlackCat

此圖示展示了使用 `zfs send` 和 `zfs receive` 的流程：