[Btrfs] Snapshot et rollback sur votre système GNU/Linux

Mise en place d’un mécanisme de snapshot/rollback sur système d’exploitation GNU/Linux avec le système de fichiers Btrfs.

Cet article fait suite à des travaux de mise en place, sur les systèmes que je gère, d’un mécanisme d’instantanés (snapshots) et de retour en arrière (rollback) sur la partition racine. Tout ce qui suit s’applique en principe à une distribution Debian ou dérivées, mais doit être adaptable aux autres distributions GNU/Linux.

Sur les distributions Fedora ce sont les gestionnaires de paquets YUM et DNF qui intègrent nativement les instantanés Btrfs permettant de faire des mises à jour avec possibilité de retour en arrière, assurant ainsi une grande stabilité et tranquillité d’exploitation pour l’administrateur système.

Sommaire

• Description
• Prérequis techniques
• Introduction à Btrfs
  • Fonctionnalités de Btrfs
• Mise en œuvre manuelle
  • Changement du volume par défaut
• Cas particulier d’Ubuntu
• Utilisation de YUM et DNF
  • Travaux pratiques
• Conclusion

Il s’agit pour moi de ma première expérience en qualité de rédacteur d’article, aussi je vous réclame toute votre indulgence. Je ferai au mieux pour apporter une information complète et claire.

Voici le commentaire à l’origine de cet article, portant sur le même sujet.

Ayant cherché pendant un certain temps à mettre en place une solution fonctionnelle permettant un retour en arrière (rollback) suite à une mise à jour système défaillante, j’ai le plaisir de vous faire découvrir la recette magique. Nous verrons que la procédure est plus ou moins complexe suivant la distribution. Suite à une conclusion personnelle, je vous donnerai, pour terminer, une liste de liens.

Je remercie vivement tous les corédacteurs de cet article.

Description

L’exploitation d’une machine GNU/Linux dans une entreprise ou à titre privé demande de réaliser des interventions régulières : mises à jour système et applicatives. Généralement, on s’appuie sur un gestionnaire de paquets. Beaucoup connaissent ici la fameuse commande apt-get install <nom-du-paquet>.

Souvent, l’installation d’un paquet, bien qu’étant complexe dans les mécanismes internes, se déroule normalement sans incident. Cela d’autant plus que l’on s’appuie sur une distribution intégrant un processus de contrôle et validation des mises à jour de paquets.

Il arrive, au contraire, que ce qui fonctionne habituellement de manière transparente, conduise à un incident sur le service ou le serveur. On se retrouve alors très embarrassé et avec au mieux la possibilité de restaurer le système (grâce aux sauvegardes effectuées en amont), au pire une cohorte d’utilisateurs mécontents en attente de la restauration du service.

La procédure de restauration n’est pas toujours explicite et peut être complexe. Le temps pour le faire assez long, ce qui engendre une interruption de service conséquente.

Pour remédier à ces éventuelles difficultés, il faudrait pouvoir disposer d’une image du système créée à la demande ou régulièrement. Ces images sont appelées ici snapshots. Ce sont des instantanés du système de fichiers pris à un instant donné. Idéalement ces snapshots devront couvrir l’ensemble des données liées à l’application et au système d’exploitation. On pourra exclure les données utilisateurs (/home) si elles résident sur le même serveur, de même que les données applicatives (bases de données, etc.).

Le terme rollback est repris du monde des bases de données relationnelles. Une transaction complexe sera validée dans son ensemble si l’ensemble des transactions élémentaires aboutissent. Si une seule échoue, l’ensemble de la transaction est annulée : on parle de retour en arrière ou rollback.

Idéalement, il faudrait pouvoir bénéficier des mêmes services quand on exploite un système GNU/Linux. Pour cela, on pourra s’appuyer sur un système de fichiers bénéficiant d’instantanés. Les candidats sont : LVM, Btrfs, XFS…

Paradoxalement, ces mécanismes sont disponibles en environnement virtualisé (VirtualBox) ou via la para‐virtualisation (Docker, LXC) et sont très faciles à mettre en œuvre, alors qu’il faut parfois batailler pour avoir des fonctionnalités similaires si l’on travaille avec les gestionnaires de paquets usuels.

Comme l’indique une réponse au commentaire à l’origine de l’article, certaines distributions proposent une solution basée sur snapper ; en l’occurrence, la distribution mentionnée dans la réponse est Arch Linux.

snapper est un outil venant d’openSUSE dont une des fonctionnalités est la création d’instantanés à l’aide des gestionnaires de paquets YaST et zypp. Cela signifie que les distributions openSUSE et dérivées intègrent nativement la gestion des instantanés sur les systèmes de fichiers Btrfs et LVM. D’autres distributions ont fait des efforts pour porter snapper à leurs infrastructures respectives.

Outre Arch Linux susmentionnée, il y a des paquets snapper créés automatiquement par les développeurs openSUSE pour d’autres distributions, à savoir CentOS, Debian, Fedora, RHEL, SLE, Scientific Linux et Xubuntu.

Prérequis techniques

Il faut disposer d’une machine avec un système d’exploitation GNU/Linux comportant :

• une partition racine au format Btrfs ainsi que l’utilitaire associé (paquet btrfs-tools) ;
• un espace disque suffisant pour gérer des instantanés.

Sachez qu’il est possible de convertir une partition au format ext3 ou ext4 vers le format Btrfs avec la commande btrfs-convert.

Introduction à Btrfs

Avant de vous lancer dans l’exploitation de volumes Btrfs, sachez que certains bogues liés à la gestion des RAID 5 et 6 persistent. Il est généralement conseillé de n’utiliser Btrfs que dans certains cas : sauvegarde ou en excluant les RAID 5 et 6. Pour le reste, Btrfs apporte des fonctionnalités simples à utiliser dont il serait dommage de se priver : haute disponibilité par la mise en œuvre de fonctions de maintenance à chaud (en ligne).

Fonctionnalités de Btrfs

• Btrfs s’appuie sur la notion de volumes et sous‐volumes ;
• le volume principal est une partition et sera formaté avec la commande mkfs.btrfs ;
• les sous‐volumes seront gérés par la commande btrs subvolume create <chemin> ;
• un sous‐volume peut être créé dans le volume principal ou dans un sous‐volume ;
• un instantané est un sous‐volume avec des caractéristiques particulières : volume COW + attributs lecture seule ou lecture‐écriture, etc. ;
• Btrfs gère la notion de volume par défaut : btrfs subvolume [set-default|get-default] ;
• il est possible de monter un sous‐volume par son nom ou son identifiant ; c’est ce mécanisme qui est utilisé au moment du démarrage du système (GRUB et fstab).

On pourra se reporter au guide de prise en main de Btrfs pour les détails de mise en œuvre. L’objet premier de cet article est de montrer les mécanismes de mise en œuvre de snapshot/rollback sur système d’exploitation GNU/Linux.

Petite précision : la commande btrfs accepte des arguments dont la longueur importe peu, en effet les trois commandes ci‐dessous sont identiques :

btrfs subvolume list /
btrfs sub l /
btrfs su l /

Il est juste nécessaire que les arguments passés à la commande btrfs soient suffisamment discriminants.

Mise en œuvre manuelle

Dans un premier temps, je vous montrerai une mise en œuvre d’un instantané permettant le redémarrage d’un système GNU/Linux depuis un état antérieur réputé fonctionnel. Par la suite, on verra qu’il est possible d’automatiser la procédure, en particulier avec des outils tels que snapper ou des greffons complémentaires aux gestionnaires de paquets GNU/Linux.

L’idée consiste à :

1. réaliser un instantané de la racine ;
2. effectuer les modifications ; dans le cas présent, il suffira de créer des fichiers sur le compte root pour la démonstration ;
3. procéder au retour en arrière avec la commande btrfs subvolume set-defaut.

Pour vous faire la main, vous ferez les manipulations dans une machine virtuelle. Vous avez l’embarras du choix. Il vous suffit d’installer une distribution GNU/Linux en mode console avec le minimum de paquets et d’effectuer un instantané une fois le système d’exploitation installé. Rien de nouveau sur ce sujet.

Je me connecte sur le serveur, je passe super‐utilisteur (root) et je vais observer le répertoire du compte super‐utilisteur /root :

• initialement, le répertoire /root est vide ;
• on crée un fichier indiquant qu’on est avant le snapshot (before-snapshot) ;
• pour finir, on liste les sous‐volumes Btrfs :

cd /root
touch before-snapshot
ls
before-snapshot
btrfs subvolume list /
ID 257 gen 43 top level 5 path @

Voyons comment est géré l’accès au volume Btrfs sur notre machine :

mount | grep btrfs
/dev/sda5 on / type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=257,subvol=/@)
/dev/sda7 on /home type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=257,subvol=/@home)

• on voit que la partition racine possède le subvolid 257 et un nom de volume /@ ;
• la partition /home est montée dans une seconde partition indépendante ; habituellement, si l’on ne précise rien, l’installateur Debian créé un sous‐volume du même nom rattaché au volume principal.

cat /etc/fstab 
...
UUID=c4eedff5-784a-4cda-9da1-dd192befc889 / btrfs defaults,subvol=@ 0 1
...

• ici, nous avons la racine rattachée au volume par défaut (/@) ; pas de spécification de volume ID ;
• le reste importe peu, si ce n’est que la partition /boot est indépendante.

Nous allons donc créer un instantané de la partition racine que l’on va placer dans le répertoire /.snapshot :

mkdir /.snapshots
btrfs subvol snapshot / /.snapshots/01
Create a snapshot of '/' in '/.snapshots/01'

On vérifie que nous avons maintenant un volume principal et un sous‐volume (ID 261, chemin d’accès /.snapshots/01). Cet instantané est en lecture‐écriture ; il faudrait utiliser l’option -r pour le passer en mode lecture seule :

btrfs subvol list /
ID 257 gen 85 top level 5 path @
ID 261 gen 85 top level 257 path .snapshots/01

Vérifions qu’on a bien la présence des fichiers « signature » dans chaque répertoire /root :

touch /root/after-snapshot
ls -al /root/*snap* /.snapshots/01/root/*snap*
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  29 13:17 /root/after-snapshot
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  28 11:58 /root/before-snapshot
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  28 11:58 /.snapshots/01/root/before-snapshot

Changement du volume par défaut

Afin de redémarrer la machine sur l’instantané (état précédent), on va changer le volume par défaut et redémarrer la machine :

btrfs subvol get-default /
ID 5 (FS_TREE)
btrfs subvolume list /
ID 257 gen 86 top level 5 path @
ID 261 gen 85 top level 257 path .snapshots/01
btrfs subvolume set-default 261 /
btrfs subvol get-default /
ID 261 gen 85 top level 257 path .snapshots/01

On relance la machine et on observe ce qu’il s’est passé :

cd /root
ls -al /root/*snap* /.snapshots/01/root/*snap*
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  29 13:17 /root/after-snapshot
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  28 11:58 /root/before-snapshot
-rw-r--r-- 1 root root 0 déc.  28 11:58 /.snapshots/01/root/before-snapshot
mount | grep btrfs
/dev/sda5 on / type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=257,subvol=/@)
/dev/sda7 on /home type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=257,subvol=/@home)

Malheureusement, on peut constater que la machine n’a pas redémarré sur le bon instantané (Ubuntu seulement). Le volume ID de l’instantané devrait être 261.

Cas particulier d’Ubuntu

Quand on installe la racine d’Ubuntu sur une partition Btrfs, l’installateur crée automatiquement et de manière transparente un sous‐volume @ et démarre sur /@/. Quant à la partition /home, elle est localisée dans le sous‐volume /@home/. Cela permet de gérer dans un seul volume Btrfs, l’ensemble des sous‐volumes nécessaires au fonctionnement d’un système GNU/Linux.

Cela a pour corollaire qu’Ubuntu ne démarre pas sur le volume par défaut, mais bien sur le sous‐volume /@/. Par ailleurs, le volume racine de ce sous‐volume porte toujours l’ID 5 (toplevel 5) :

root@ubuntu:/# btrfs sub list /
ID 257 gen 132 top level 5 path @
ID 261 gen 139 top level 257 path @/.snapshots/01

Pour contrôler le sous‐volume sur lequel Ubuntu démarre, on pourra donc au choix supprimer le montage de la racine sur le volume /@ et s’appuyer sur le volume par défaut, ou renommer le répertoire /@ en un autre sous‐volume et transférer l’instantané 01 vers /@ :

# liste des sous‐volumes ; 
root@ubuntu:/# btrfs sub list /
ID 257 gen 132 top level 5 path @
ID 261 gen 139 top level 257 path @/.snapshots/01
# je monte le volume racine (id=5)
root@ubuntu:/# mount -o subvolid=5 /dev/sda5 /mnt
root@ubuntu:/# ls -alt /mnt/
total 16
drwxr-xr-x 1 root root 244 déc.  29 13:08 ..
drwxr-xr-x 1 root root 244 déc.  29 13:08 @
drwxr-xr-x 1 root root   2 déc.  27 12:50 .
# le sous‐volume /@ est bien visible
root@ubuntu:/# ls -alt /mnt/@/
total 32
drwxrwxrwt 1 root root   94 janv.  2 13:57 tmp
drwx------ 1 root root   88 déc.  29 13:17 root
drwxr-xr-x 1 root root    4 déc.  29 13:16 .snapshots
drwxr-xr-x 1 root root  244 déc.  29 13:08 .
drwxr-xr-x 1 root root 2894 déc.  28 20:32 etc
…

Permutation du sous‐volume /@ avec /@/.snapshots/01 :

root@ubuntu:/mnt# mv @ @_old
root@ubuntu:/mnt# mv @_old/.snapshots/01 @
root@ubuntu:/mnt# ls
@  @_old
root@ubuntu:/mnt# reboot
Connection to 192.168.0.155 closed by remote host.
Connection to 192.168.0.155 closed.

Concernant GRUB, je supprime la partie rootflags :

cat /boot/grub/grub.cfg
...
   linux /vmlinuz-4.4.0-21-generic root=UUID=... ro rootflags=subvol=@

Redémarrage…

# c’est bien le sous‐volume ID 261 qui est monté par défaut
root@ubuntu:/root# btrfs sub get-default /
ID 261 gen 151 top level 5 path @
# liste des sous‐volumes (les chemins d’accès ont changé)
root@ubuntu:/root# btrfs sub list /
ID 257 gen 144 top level 5 path @_old
ID 261 gen 149 top level 5 path @
# comment est montée la partition racine
root@ubuntu:/root# mount | grep btrfs
/dev/sda5 on / type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=261,subvol=/@)
/dev/sda7 on /home type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=257,subvol=/@home)
root@ubuntu:/root# btrfs sub list /
ID 257 gen 144 top level 5 path @_old
ID 261 gen 149 top level 5 path @

Utilisation de YUM et DNF

Les gestionnaires de paquets YUM et DNF sont présents dans Fedora et dérivées (CentOS, RHEL…). À terme, DNF vise à supplanter YUM. Dans le cas d’espèce, YUM possède un greffon nommé yum-fs-snapshot qui, lorsqu’activé, prend automatiquement une image du système de fichiers (SF) avant d’entamer toute transaction. Ainsi, à la fin de cette dernière, arriverait‐il qu’on souhaite restaurer le système de fichiers à son état antérieur qu’il suffira d’effectuer un rollback. Ce greffon a été porté sur DNF et est mentionné dans les cas d’utilisation sur le Wiki de Btrfs.

Travaux pratiques

Installation de snapper et de son greffon dans DNF ; Btrfs est supposé déjà configuré :

dnf install snapper python3-dnf-plugins-extras-snapper

Configurer snapper sur un (sous‐)volume indiqué. Par défaut, la configuration est appelée « root » :

snapper create-config /
snapper list-configs
snapper list

Modifier le système sans prendre d’instantané :

dnf --disableplugin=dnf.plugin.snapper install <FOO>

Modifier le système en prenant un instantané. Les différents instantanés sont numérotés et leurs numéros figurent dans les sorties de snapper list :

dnf update <FOO>
snapper list

Supposons que la mise à jour précédente a entraîné la création de l’instantané n^o N. Pour revenir à l’instantané n^o N-1 :

snapper rollback <N-1>
systemctl reboot

À noter que DNF dispose de ses propres transactions qu’il ne faudrait pas confondre avec celles de snapper et qui sont elles aussi dotées de mécanismes de retour en arrière :

1- historique de toutes les transactions ; la première colonne indique leur numéro ;
2- annuler toutes les transactions accomplies après la transaction n^o X.

dnf history # 1-
dnf history rollback <X> # 2-

Conclusion

La mise en œuvre d’instantanés sur la partition racine permet d’enregistrer une image disque d’un système GNU/Linux qui pourra être réutilisée en cas d’incident suite à une mise à jour du système.

Btrfs est un système de fichiers dont la mise en œuvre est simple. Il permet de créer des instantanés très facilement. Il est possible sur certaines distributions GNU/Linux d’adjoindre un greffon au gestionnaire de paquets, ce qui facile la mise en œuvre des instantanés et des retours en arrière (Fedora, Arch Linux). Pour les autres distributions (Debian, Ubuntu), il faudra passer par une mise en œuvre manuelle en attendant que les communautés prennent en charge ces fonctionnalités.

On peut lister ici les outils complémentaires :

• snapper ;
• NixOS (dépêche en cours de rédaction) ;
• DNF + greffon ;
• apt-btrfs-snapshot ;
• grub-btrfs : permet d’ajouter aux menus GRUB, les sous‐volumes Btrfs présents à la racine.

Aller plus loin

• Documentation de Btrfs (209 clics)
• Wiki Btrfs sur Archlinux (144 clics)
• Snapper (184 clics)