FreeBSD und Solid State-Geräte

Der Umfang des Artikels ist auf Solid State Geräte beschränkt, die auf Flash-Speicher basieren. Flash-Speicher ist ein Solid State Speicher (keine beweglichen Teile), der nicht flüchtig ist (der Speicher behält die Daten sogar nachdem alle Energiequellen ausgeschaltet wurden). Flash-Speicher kann grossen physischen Schock aushalten und ist vergleichsweise schnell (die Flash-Speicher Lösungen, die in diesem Artikel behandelt werden, sind nur wenig langsamer als eine EIDE-Festplatte in der Schreibgeschwindigkeit und viel schneller bei Lese-Operationen). Ein sehr wichtiger Aspekt von Flash-Speichern, dessen Auswirkungen später in diesem Artikel diskutiert werden, ist, dass jeder Sektor eine begrenzte Kapazität zur Wiederbeschreibung besitzt. Man kann nur eine bestimmte Anzahl von Schreib-, Lösch- und Wiederbeschreibungsvorgängen durchführen, bevor der Sektor permanent unbrauchbar wird. Obwohl viele Flash-Speicher Produkte automatisch schlechte Blöcke markieren und manche Geräte Schreiboperationen gleichmässig verteilen, bleibt weiterhin die Anzahl der durchführbaren Schreibvorgänge begrenzt. Verschiedene Geräteeinheiten besitzen zwischen 1,000,000 und 10,000,000 Schreibzyklen pro Sektor in ihren Spezifikationen. Diese Zahlen variieren aufgrund der Umgebungstemperatur.

Im Speziellen werden wir ATA-kompatible Compact-Flash-Karten betrachten, welche als Speichermedien für Digitalkameras ziemlich populär sind. Von besonderem Interesse ist der Umstand, dass diese direkt an den IDE-Bus angeschlossen werden und kompatibel zu den ATA-Befehlen sind. Aus diesem Grund können diese Geräte mit einem einfachen und billigen Adapter direkt an den IDE-Bus eines Computers angeschlossen werden. Auf diese Weise sehen Betriebssysteme wie FreeBSD diese Geräte dann als normale (wenn auch sehr kleine) Festplatten an.

Andere Solid State Plattenlösungen existieren, jedoch platzieren deren Kosten, Obskurität und ihre Unhandlichkeit sie aussserhalb des Umfangs dieses Artikels.

Ein paar Kerneloptionen sind von besonderem Interesse für diejenigen, welche diese eingebetteten FreeBSD-Systeme erstellen möchten.

Alle eingebetteten FreeBSD-Systeme, die Flash-Speicher als Systemplatte verwenden, sind interessant für Dateisysteme im Hauptspeicher und RAM-Disks. Wegen der begrenzten Anzahl von Schreibzyklen, die auf Flash-Speicher durchgeführt werden können, werden die Platte und die Dateisysteme darauf mit grosser Wahrscheinlichkeit nur lesend eingehängt werden. In dieser Umgebung werden Dateisysteme wie /tmp und /var als RAM-Disks eingebunden, um dem System zu erlauben, Logdateien anzulegen und Zähler sowie temporäre Dateien zu aktualisieren. RAM-Disks sind eine kritische Komponente für eine erfolgreiche Solid State Umsetzung in FreeBSD.

Sie sollten dafür sorgen, dass die folgenden Zeilen in Ihrer Kernelkonfigurationsdatei vorhanden sind:

options         MFS             # Memory Filesystem
options         MD_ROOT         # md device usable as a potential root device
pseudo-device   md              # memory disk

Die Initialisierung nach dem Bootvorgang eines eingebetteten FreeBSD-Systems wird von /etc/rc.initdiskless kontrolliert.

/etc/rc.d/var hängt /var als RAM-Disk ein, erstellt eine konfigurierbare Liste von Verzeichnissen in /var mittels des mkdir(1)-Kommandos und ändert die Attribute von ein paar dieser Verzeichnisse. Bei der Ausführung von /etc/rc.d/var kommt eine andere rc.conf-Variable ins Spiel: varsize. Die Datei /etc/rc.d/var erstellt eine /var-Partition basierend auf dem Wert dieser Variable in rc.conf:

varsize=8192

Standardmässig wird dieser Wert in Sektoren angegeben.

Der Fakt, dass es sich bei /var um ein nur-Lese Dateisystem handelt, ist eine wichtige Unterscheidung, da die /-Partition (und jede andere Partition, die Sie auf Ihrem Flash-Medium haben) nur lesend eingehängt wird. Erinnern Sie sich, dass in Abschnitt 1, „Solid State Festplattengeräte“ die Beschränkungen von Flash-Speichern erläutert wurden, speziell deren begrenzte Kapazität zum Schreiben. Die Notwendigkeit, Dateisysteme auf Flash-Speichern nur lesend einzubinden und keine Swap-Dateien zu verwenden, kann nicht oft genug erwähnt werden. Eine Swap-Datei auf einem ausgelasteten System kann in weniger als einem Jahr den gesamten Flash-Speicher aufbrauchen. Häufige Protokollierung oder das Erstellen und Löschen von temporären Dateien kann das gleiche verursachen. Aus diesem Grund sollten Sie zusätzlich zum entfernen des swap-Eintrags aus ihrer /etc/fstab-Datei auch noch die Optionsfelder für jedes Dateisystem auf ro wie folgt stellen:

# Device                Mountpoint      FStype  Options         Dump    Pass#
/dev/ad0s1a             /               ufs     ro              1       1

Ein paar Anwendungen im normalen System werden sofort nach dieser Änderung ausfallen. Beispielsweise wird Cron nicht richtig funktionieren, aufgrund von fehlenden Cron-Tabellen in /var die von /etc/rc.d/var erstellt wurden. Syslog und DHCP werden ebenfalls Probleme durch das nur-Lese Dateisystem und fehlende Elemente im Verzeichnis /var verursachen, die /etc/rc.d/var erstellt hat. Diese Probleme sind jedoch nur vorübergehend und werden zusammen mit Lösungen zur Ausführung von anderen gebräuchlichen Softwarepaketen in Abschnitt 5, „Systemstrategien für kleine und Nur-Lese-Umgebungen“ angesprochen.

Eine wichtige Sache, an die man sich erinnern sollte, ist, dass ein Dateisystem, welches als nur lesend in /etc/fstab eingebunden wurde, jederzeit als schreibend durch das folgende Kommando eingehängt werden kann:

# /sbin/mount -uw partition

und auch wieder zurück auf nur lesend durch den Befehl:

# /sbin/mount -ur partition

Wenn ATA-kompatible Compact-Flash-Karten von FreeBSD als normale IDE-Festplatten erkannt werden, könnten Sie theoretisch FreeBSD aus dem Netzwerk mittels der Kern- und mfsroot-Floppies oder einer CD installieren.

Jedoch kann selbst eine kleine Installation von FreeBSD durch die normale Installationsprozedur ein System erzeugen, dass grösser als 200 MB ist. Da die meisten Leute kleinere Flash-Speichermedien einsetzen (128 MB wird hier als gross angesehen - 32 oder sogar 16 MB sind gebräuchlich) ist eine gewöhnliche Installation mit normalen Methoden nicht möglich, da es einfach nicht genug freien Plattenplatz gibt, selbst für die kleinste Installationsart.

Der einfachste Weg, diese Speicherlimitierung zu umgehen, ist, FreeBSD auf konventionelle Weise auf eine normale Festplatte zu installieren. Nachdem die Installation abgeschlossen wurde, kürzen Sie das Betriebssystem auf das nötigste, bis Sie eine Grösse erreicht hat, die auf das Flash-Medium passt und benutzen Sie dann tar auf dem gesamten Dateisystem. Die folgenden Schritte werden Sie durch den Prozess der Vorbereitung eines Flash-Mediums für ihr getartes Dateisystem führen. Beachten Sie, dass Operationen wie Partitionierung, Benennung, Erstellung von Dateisystemen, etc. von Hand durchgeführt werden müssen, da eine normale Installation nicht möglich ist. Zusätzlich zu den Kern- und mfsroot-Disketten benötigen Sie auch die fixit-Floppy.

In Abschnitt 3, „Die rc-Subsysteme und nur-Lese Dateisysteme“ wurde darauf hingewiesen, dass das /var-Dateisystem von /etc/rc.d/var konstruiert wurde und die Präsenz eines Nur-Lese-Wurzeldateisystems Probleme mit vielen in FreeBSD gebrächlichen Softwarepaketen verursacht. In diesem Artikel werden Vorschläge für das erfolgreiche Betreiben von cron, syslog, Installationen von Ports und dem Apache-Webserver unterbreitet.

# touch /var/log/security /var/log/maillog /var/log/cron /var/log/messages
# chmod 0644 /var/log/*

# mkdir /etc/pkg

# ln -s /etc/pkg /var/db/pkg

# chmod 0774 /var/log/apache
# chown nobody:nobody /var/log/apache

# rm -rf apache_log_dir
# ln -s /var/log/apache apache_log_dir