Btrfs: от новичка до профессионала

Btrfs (B-tree File System) — это современная файловая система Linux с поддержкой атомарных снапшотов, субтомов, встроенного сжатия, RAID и даже дубликатного хранения. В отличие от традиционных ext4 или XFS, она работает по принципу COW (copy-on-write), что позволяет: безболезненно откатывать систему после обновлений или сбоев; создавать резервные копии без остановки служб и сервисов; хранить сразу несколько состояний системы (как в Git); автоматически экономить место за счёт сжатия; использовать один раздел как полноценную систему снапшотов и подкаталогов. В НАЙС.ОС Btrfs используется как корневая файловая система по умолчанию и даёт возможность реализовать атомарные обновления, защиту от сбоев и откаты через GRUB. Эта статья подойдёт как новичкам (поясним всё с нуля), так и профессионалам (оптимизация, производительность, RAID, безопасность).

1. Что такое Btrfs — в двух словах

Btrfs (B-tree File System) — это современная копирующая при записи ( Copy-on-Write , COW) файловая система, разработанная в 2007 году инженерами Oracle как ответ на ограничения ext3/ext4 и необходимость встроенных механизмов целостности, снапшотов, управления томами и отказоустойчивости.

В отличие от ext4 или XFS, Btrfs изначально создавалась как система с расширенными возможностями , где такие вещи как:

• 📸 Снапшоты — моментальные копии системы без копирования данных;
• 📂 Субтомы — логическое разбиение на независимые разделы внутри одной ФС;
• 🌀 Сжатие — встроенное, на лету (zstd/lzo/zlib);
• 🧠 Встроенный RAID — без необходимости в mdadm;
• 🧬 Целостность данных — встроенные CRC-контроли и проверки;
• 🧹 Дедупликация и балансировка — управление многотомными хранилищами;

Всё это делает Btrfs универсальным решением для рабочих станций, серверов, CI/CD, дистростроения и защищённых систем.

2. Почему Btrfs снова актуальна

После долгого пути развития, Btrfs к 2025 году стал по-настоящему зрелой и стабильной файловой системой. Он официально поддерживается в ядрах Linux 5.10+ и активно используется в нескольких крупных дистрибутивах:

• SUSE Linux Enterprise — основная ФС по умолчанию;
• openSUSE (Leap и MicroOS) — мощный инструмент для атомарных обновлений;
• Fedora — для рабочих станций и серверов с интеграцией snapper;
• НАЙС.ОС — для атомарных обновлений, снапшотов и rollback через GRUB;

Сегодня Btrfs предлагает уникальный баланс между:

• 🧱 Надёжностью — COW, встроенные контрольные суммы, защита от silent corruption;
• ⚙️ Функциональностью — снапшоты, субтомы, RAID, сжатие;
• 🚀 Производительностью — особенно с включённым zstd-сжатием и SSD;
• 🛠️ Удобством — простой CLI, хорошая документация и стабильность.

Если раньше Btrfs вызывал сомнения в продакшене, то теперь — это один из лучших вариантов для новых систем , требующих отказоустойчивости и гибкости.

3. Установка и разметка

Для работы с Btrfs достаточно установить пакет btrfs-progs — он предоставляет все необходимые инструменты: от форматирования до управления снапшотами и RAID.

🔧 Создание файловой системы

      mkfs.btrfs -L ROOTFS /dev/sdX
  

Здесь /dev/sdX — ваш раздел (например, /dev/sda2 ), а -L задаёт метку тома.

📂 Монтирование и fstab

Один из ключевых аспектов — работа с субтомами . Стандартная схема в большинстве дистрибутивов:

• @ — корень системы /
• @home — домашние каталоги /home
• Опционально: @log , @var , @snapshots

Создание субтомов:

      mount /dev/sdX /mnt
      btrfs subvolume create /mnt/@
      btrfs subvolume create /mnt/@home
      umount /mnt
  

Монтирование с параметрами:

      mount -o subvol=@,compress=zstd,autodefrag /dev/sdX /mnt
      mount -o subvol=@home,compress=zstd,autodefrag /dev/sdX /mnt/home
  

        UUID=xxxxx /      btrfs defaults,subvol=@,compress=zstd,autodefrag 0 1
        UUID=xxxxx /home  btrfs defaults,subvol=@home,compress=zstd,autodefrag 0 2
    

Такая схема позволяет использовать атомарные обновления , гибко управлять частями системы, делать снапшоты только нужных субтомов и не затрагивать пользовательские данные при откатах.

4. Снапшоты и откат: в чём магия

Снапшоты в Btrfs — это моментальные копии состояния субтома. Благодаря технологии Copy-on-Write , снапшот не копирует все файлы, а лишь фиксирует текущее дерево данных. Это мгновенно и экономит место , особенно при сжатии.

📁 Read-only vs Read-write

• Read-only снапшоты — подходят для отката, резервного копирования, атомарных обновлений;
• Read-write снапшоты — можно использовать как рабочую копию или временную среду.

🛠️ Основные команды

      # Создание снапшота:
      btrfs subvolume snapshot /mnt/@ /mnt/@_backup_2025_07_22

      # Read-only:
      btrfs subvolume snapshot -r /mnt/@ /mnt/@_ro_snapshot

      # Удаление снапшота:
      btrfs subvolume delete /mnt/@_ro_snapshot

      # Откат (замена субтома):
      btrfs subvolume set-default @backup_2025_07_22
      reboot
  

Для ручного отката достаточно выбрать другой снапшот как default и перезагрузить систему — без chroot, без LiveCD .

🔁 Интеграция с утилитами

• Snapper — мощный инструмент управления снапшотами с diff, rollback и автосозданием;
• Timeshift — GUI-решение для снапшотов пользовательской системы, удобно в десктопах.

НАЙС.ОС использует схему снапшотов при обновлении системы (до и после), с возможностью выбора в GRUB . Это позволяет откатиться даже если обновление полностью сломало загрузку .

5. Субтомы (subvolumes): организация пространства

В Btrfs нет понятия «разделов» внутри файловой системы. Вместо этого используются subvolumes — логические единицы хранения, которые можно монтировать отдельно, снапшотить, или удалять независимо.

📂 Что такое subvolume?

Subvolume — это изолированная директория верхнего уровня , которая ведёт себя как самостоятельный том. Однако физически всё это лежит на одном разделе/устройстве. Они удобны для:

• гибкой разметки диска без переразбивки;
• атомарных обновлений и избирательных снапшотов;
• разделения системных и пользовательских данных.

🔧 Управление субтомами

      # Создание:
      btrfs subvolume create /mnt/@
      btrfs subvolume create /mnt/@home
      btrfs subvolume create /mnt/@var_log

      # Список:
      btrfs subvolume list /mnt

      # Удаление:
      btrfs subvolume delete /mnt/@old_snapshot
  

💡 Примеры использования

• @ — корень системы ( / )
• @home — пользовательские файлы ( /home )
• @var/log — системные логи (можно исключить из снапшотов)
• @snapshots — каталог с автоснапшотами (например, snapper)

В fstab каждое подмонтирование можно настроить отдельно, включая опции сжатия, noatime и даже read-only.

Это даёт системным администраторам гибкость уровня LVM — но без необходимости в партиционировании.

6. Сжатие и экономия места

Одно из самых полезных и недооценённых свойств Btrfs — встроенное прозрачное сжатие данных . Оно позволяет:

• экономить место на диске (особенно для текстовых/JSON/лог-файлов);
• уменьшить количество I/O операций и ускорить загрузку файлов с SSD;
• в некоторых случаях — повысить производительность.

📦 Поддерживаемые алгоритмы

• zstd — современный, быстрый и сбалансированный по компрессии;
• lzo — очень быстрый, но слабее по сжатию;
• zlib — старый, самый медленный, но максимально совместимый.

⚙️ Как включить сжатие

В fstab или при монтировании вручную:

      mount -o compress=zstd /dev/sdX /mnt
  

Пример строки в /etc/fstab :

      UUID=xxxx / btrfs defaults,subvol=@,compress=zstd 0 1
  

Для эффективной работы сжатия файлы должны быть заново записаны на диск. Используйте:

      btrfs filesystem defragment -r -v -czstd /home
  

✅ Как проверить, что сжатие работает

      btrfs filesystem df /
  

        filefrag -v somefile | grep -i compressed
    

🚫 Что не стоит сжимать

• Медиафайлы (видео, фото, mp3) — они уже сжаты;
• Базы данных (например, PostgreSQL) — может привести к снижению производительности;
• Кэш браузеров или временные каталоги.

В НАЙС.ОС сжатие zstd включено по умолчанию для большинства субтомов — как оптимальный компромисс между скоростью и эффективностью.

7. RAID и многодисковая конфигурация

Btrfs обладает встроенной поддержкой RAID — без необходимости использовать mdadm или сторонние средства. Массивы создаются и управляются средствами самой файловой системы, а не на уровне блочных устройств.

⚙️ Поддерживаемые уровни RAID

• RAID 0 — распределение данных (striping), без избыточности;
• RAID 1 — зеркалирование, копии на двух устройствах;
• RAID 10 — комбинация RAID 1 + RAID 0 (striped mirrors);
• RAID 5 / 6 — распределённый паритет, (экспериментальные!)

В отличие от mdadm , Btrfs позволяет использовать RAID на уровне данных и/или метаданных независимо:

      mkfs.btrfs -d raid1 -m raid1 /dev/sdX /dev/sdY
  

Также можно добавить устройство в существующий том:

      btrfs device add /dev/sdZ /mnt
      btrfs balance start /mnt
  

🔄 Замена и управление

Если нужно заменить диск «на горячую»:

      btrfs replace start /dev/sdX /dev/sdY /mnt
      btrfs replace status /mnt
  

⚠️ Ограничения RAID5/6

Поддержка RAID5 и RAID6 в Btrfs считается экспериментальной . Есть риск потери данных в некоторых сценариях восстановления, особенно при незавершённой балансировке или сбоях питания.

Рекомендуется использовать RAID1 или RAID10 для критичных данных. RAID5/6 — только для экспериментов или невысоких требований к надёжности.

В НАЙС.ОС Btrfs RAID может быть использован при установке вручную или через кастомный инсталлятор. По умолчанию используется одиночный том ( single ), но доступны профили RAID1/10.

8. Проверка и восстановление

Btrfs предоставляет встроенные инструменты для мониторинга и восстановления состояния файловой системы. Это позволяет выявить ошибки, деградацию носителей и предотвратить потерю данных.

🔍 Проверка целостности

• btrfs scrub start /mnt — фоновая проверка блока данных на ошибки, и при наличии RAID — автоматическое восстановление с зеркала.
• btrfs scrub status /mnt — статус выполнения.

📊 Статистика и ёмкость

      btrfs filesystem df /
      btrfs device stats /
  

⚖️ Балансировка тома

Если вы добавили или удалили диски, или видите разбалансировку, используйте:

      btrfs balance start /mnt
  

🛠 Проверка на ошибки

В отличие от ext4, утилита btrfs check не должна использоваться на смонтированной файловой системе!

      umount /dev/sdX
      btrfs check /dev/sdX
  

Для исправления ошибок (только если уверены):

      btrfs check --repair /dev/sdX
  

⚠️ ВНИМАНИЕ: --repair может повредить данные. Используйте в крайнем случае и только с бэкапом.

🔧 Вспомогательные утилиты

• btrfs inspect-internal dump-super — чтение суперблока вручную;
• btrfs rescue — инструменты для восстановления повреждённых томов (метаданные, ключи, zero-log).

В НАЙС.ОС задачи scrub и balance могут запускаться автоматически по cron или systemd timer. Это повышает стабильность при длительной работе и снижает риск silent errors.

9. Btrfs и безопасность

Btrfs — это не только удобство и гибкость, но и мощные возможности для повышения безопасности Linux-систем. В сочетании с механизмами мандатного контроля, он становится основой защищённых дистрибутивов.

🛡️ Read-only снапшоты

• Любой снапшот можно сделать только для чтения:

      btrfs property set -ts /mnt/@snapshot ro true
  

Это защищает его от случайных или злонамеренных изменений — идеальный способ зафиксировать «золотое состояние» системы.

🔐 Интеграция с IMA и SELinux

• Снапшоты можно использовать совместно с IMA (Integrity Measurement Architecture): хэши файлов фиксируются при установке и проверяются при запуске.
• С помощью SELinux можно ограничить доступ к снапшотам только доверенным процессам, исключая постэксплуатационные атаки.

↩️ Защита от rollback-атак

Система может предотвращать запуск старых снапшотов (например, с известными уязвимостями) через механизм подписей снапшотов и контроль целостности.

В НАЙС.ОС предусмотрена проверка:

• Целостности снапшота (через AIDE или встроенную подпись);
• Сопоставления снапшота с версией ядра и конфигурацией загрузчика.

🧱 Пример из НАЙС.ОС

В защищённой ОС НАЙС.ОС используется Btrfs как корневая ФС по умолчанию. Перед каждым обновлением создаётся read-only снапшот с меткой времени. После успешного обновления он может быть проверен через IMA + AIDE , а в случае компрометации — использован для отката через GRUB.

10. Btrfs для разработчика

Btrfs — не только файловая система для пользователей, но и мощный инструмент в руках DevOps-инженеров, сборочных систем и CI/CD-конвейеров. Благодаря Copy-on-Write, снапшотам и btrfs send/receive можно строить гибкие, воспроизводимые среды сборки и доставки ПО.

🛠️ Работа со снапшотами в CI/CD

• Быстрое клонирование окружений: один btrfs subvolume snapshot и вы получили копию среды без копирования данных.
• Откат окружения в начале каждого теста без потерь времени на пересоздание дисков.
• Изоляция билдов без необходимости использовать полноценные контейнеры.

📦 Создание сборочных слоёв

• Сборка базового слоя (toolchain, deps) — снапшот → сборка основного ПО — снапшот → финальный слой.
• Можно «откатить» до любого слоя и пересобрать только нужные части.

📤 Использование btrfs send/receive

Позволяет экспортировать снапшот как поток байт (read-only!) и получить минимальный «дельта-образ».

      btrfs send /mnt/@build-root | lz4 > build-layer.img.lz4
      # а на стороне CI или сборки ISO:
      lz4 -d build-layer.img.lz4 | btrfs receive /mnt/
  

• Можно использовать для сборки ISO-образов, атомарных обновлений или отложенной доставки в staging/production.
• Дельты между снапшотами сильно экономят трафик и ускоряют delivery.

🐳 Использование в Kubernetes / Podman

• Btrfs позволяет использовать снапшоты в качестве overlayfs lowerdir .
• Это снижает накладные расходы при запуске контейнеров, особенно в dev/CI-средах.
• Может использоваться совместно с Podman и CRI-O (опция: --storage-driver=btrfs ).

В НАЙС.ОС механизм снапшотов Btrfs активно используется в сборочном пайплайне, включая доставку образов, откат на CI-сервере, минимальные обновления и создание доверенных, подписанных ISO.

11. Производительность: мифы и реальность

Вокруг Btrfs долгое время ходили мифы о «медленной работе», «нестабильности» и «опасности RAID5». Но к 2025 году многое изменилось. Давайте разберёмся, что правда, а что — пережитки прошлого.

🐢 Что действительно тормозит Btrfs?

• Отключённый TRIM на SSD — приводит к накоплению мусора и снижению производительности.
• Использование nodatacow на сжимаемых файлах — приводит к неэффективному дисковому IO.
• Старые ядра Linux (< 5.10) — в них отсутствуют важные оптимизации записи и сбалансировки метаданных.
• Некорректно настроенные btrfs balance — могут тормозить систему в фоне.

⚖️ Сравнение с ext4 и XFS

🚫 Когда Btrfs — не лучший выбор

• Real-time системы (RT-патчи, критичная задержка) — COW может мешать предсказуемости записи.
• Тяжёлые СУБД с высоким IO (PostgreSQL, Oracle) — возможны накладные расходы при высоком уровне фрагментации.
• RAID5/6 — всё ещё считается нестабильным и экспериментальным (особенно при сбоях питания).

На практике, Btrfs обеспечивает отличную производительность в типовых сценариях (рабочие станции, CI/CD, файловые сервера) при грамотной настройке и свежем ядре.

12. Советы по эксплуатации

Btrfs мощна, но требует внимания. Ниже — базовые советы по обслуживанию, предотвращению проблем и грамотной эксплуатации в реальных системах.

🔄 Как часто делать scrub и balance

• btrfs scrub — рекомендуем запускать раз в месяц :

  
            btrfs scrub start -Bd /
        

  Это проверка целостности данных и метаданных, особенно важна при использовании встроенного RAID.
• btrfs balance — оптимизирует распределение блоков. Запускайте:
  • Раз в 1–2 месяца;
  • После удаления больших объёмов данных;
  • Только частично:

    
                  btrfs balance start -dusage=75 -musage=75 /
              

🧹 Как не засорить систему снапшотами

• Используйте read-only снапшоты по умолчанию — они меньше по размеру.
• Автоматически удаляйте старые снапшоты по числу/возрасту:
  • Вручную или через cron
  • Или с помощью snapper cleanup
• Храните снапшоты в отдельном subvolume: @snapshots

⚠️ Btrfs в read-only после сбоя

Если система загрузилась с корнем в read-only после сбоя питания или ошибки метаданных:

1. Проверьте состояние:

   
             dmesg | grep BTRFS
         

2. Запустите scrub или check (последний — только как крайняя мера):

        btrfs scrub start -Bd /
    

          btrfs rescue zero-log /dev/sdXn
      

Важно: btrfs check --repair использовать только при бэкапе и понимании риска!

💾 Резервное копирование через send | receive

Это один из лучших способов сделать полную, атомарную и быструю резервную копию Btrfs-системы:

      # На исходной машине:
      btrfs subvolume snapshot -r /@ /@backup-2025-07-22
      btrfs send /@backup-2025-07-22 | ssh backuphost 'btrfs receive /mnt/backup/'
  

• Поддерживает инкрементальные бэкапы;
• Идеально подходит для offline-архивов и air-gapped систем.

        0 3 * * 7 root btrfs scrub start -Bd /
        0 4 * * 7 root snapper cleanup number
    

Следуя этим простым рекомендациям, вы получите от Btrfs стабильность, предсказуемость и безопасность — как на сервере, так и на рабочей станции.

13. Дорожная карта и развитие

Btrfs активно развивается и получает новые функции, направленные на повышение безопасности, надёжности и применимости в защищённых ОС.

🔒 Интеграция с verity и dm-integrity

• dm-verity — механизм для создания неизменяемых, проверяемых разделов. Планируется поддержка подписанных снапшотов Btrfs с хеш-деревом.
• dm-integrity — проверка целостности данных на уровне блока. Интеграция с ним обеспечит защиту от silent corruption и аппаратных сбоев.
• Это особенно актуально для:
  • систем хранения с требованиями к аудиту;
  • доверенной загрузки (TBoot, SecureBoot);
  • встроенных систем и промышленных контроллеров.

🗝️ Поддержка пользовательского шифрования (fscrypt)

• fscrypt — современный интерфейс для прозрачного шифрования каталогов .
• Btrfs уже поддерживает fscrypt в новых ядрах (5.15+), и ведётся работа над улучшением производительности и удобства интеграции.
• Это позволит:
  • шифровать отдельные профили пользователей без LUKS;
  • использовать аппаратные ускорения (AES-NI, Кузнечик);
  • гибко управлять ключами в системах с мандатным доступом.

Btrfs продолжает эволюцию: от просто интересной COW-ФС до полноценной базы для защищённых и надёжных Linux-дистрибутивов.

14. Заключение

Btrfs — это современная, мощная и уже зрелая файловая система, которую можно (и нужно) использовать в повседневной практике.

• Это не страшно — начните с одного снапшота, одной команды scrub или одного сабтома @home .
• Подходит как новичкам , так и профессионалам : от простых откатов до автоматизации в CI/CD и дистрострое.
• Идеальный выбор для:
  • разработчиков и сборщиков дистрибутивов (атомарные обновления, откат без боли);
  • DevSecOps-инфраструктуры (интеграция с IMA, снапшоты, контроль целостности);
  • домашних и серверных рабочих станций (надёжность + экономия места через сжатие);
  • и, конечно, защищённых операционных систем, таких как НАЙС.ОС .

Настало время переосмыслить корневую файловую систему. Btrfs уже здесь — надёжный, проверенный, гибкий.