14 Luglio 2023

ZFS vs BTRFS: Una Comparazione Pratica e una Guida alla Scelta nei Diversi Contesti

Vantaggi e svantaggi dei due Filesystem enterprise grade come ZFS e BTRFS

Introduzione

In un’era in cui i dati sono alla base di quasi tutte le attività, dal commercio al cloud computing, la gestione dei file system è diventata una componente cruciale dell’amministrazione dei sistemi. Nell’ampio ecosistema dei file system moderni, due soluzioni emergono come protagonisti principali: ZFS (Zettabyte File System) e BTRFS (B-tree File System).

Questi due giganti rappresentano l’apice dell’innovazione nel campo dei file system, fornendo una serie di funzionalità che vanno molto oltre la mera memorizzazione dei file. Entrambi ZFS e BTRFS sono noti per la loro capacità di gestire enormi quantità di dati, la loro resilienza di fronte a guasti di sistema, e la loro scalabilità rispetto alle mutevoli esigenze di archiviazione. Le loro funzionalità avanzate, che comprendono la gestione dei volumi, la deduplicazione dei dati, la compressione, gli snapshot, e il supporto per i dischi multipli, offrono una flessibilità e una sicurezza senza precedenti rispetto ai file system tradizionali.

Tuttavia, nonostante le similitudini, ZFS e BTRFS sono fondamentalmente diversi in molti aspetti chiave. La loro genesi, il loro design, le loro funzionalità specifiche e le loro peculiarità presentano pro e contro unici che possono influenzare notevolmente la scelta tra i due. Di conseguenza, la decisione su quale file system implementare non è sempre semplice e richiede una comprensione chiara delle esigenze specifiche dell’ambiente di sistema e delle capacità uniche di ciascun file system.

Nel contesto Linux, entrambi i sistemi di file hanno guadagnato popolarità e sono ampiamente utilizzati nelle diverse distribuzioni. Mentre ZFS ha guadagnato riconoscimento per la sua affidabilità e le sue robuste caratteristiche di protezione dei dati, BTRFS è apprezzato per la sua flessibilità e l’integrazione con il kernel Linux.

Questo articolo mira a fornire un confronto completo e obiettivo tra ZFS e BTRFS. Esploreremo la storia di ciascuno, mettendo in luce come sono nati e come si sono evoluti nel corso degli anni. Analizzeremo le caratteristiche, i punti di forza e le debolezze di ciascuno, esaminando come queste influenzano il loro comportamento e le loro prestazioni in diverse situazioni. Infine, offriremo una guida pratica per aiutare gli amministratori di sistema a determinare quale file system sia la scelta migliore per le loro specifiche esigenze e contesti di utilizzo.

Storia di ZFS e BTRFS

ZFS: Il Pioniere

ZFS, acronimo di Zettabyte File System, ha visto la luce per la prima volta nel 2005, quando Sun Microsystems l’ha introdotto come componente chiave del suo sistema operativo Solaris. L’idea di base era di creare un sistema di file che potesse risolvere molte delle sfide e delle limitazioni imposte dai file system precedenti.

A differenza dei suoi predecessori, ZFS non è solo un file system, ma un’entità complessa che unisce in sé un file system e un manager di volume logico. Questo design ibrido consente a ZFS di gestire in modo efficiente l’archiviazione dei dati, offrendo al contempo un alto livello di resilienza e protezione dei dati.

Le funzionalità offerte da ZFS sono numerose e includono snapshot, un metodo per creare copie leggere dei dati che possono essere utilizzate per il backup e il recupero. ZFS introduce anche una serie di tecniche per aumentare la ridondanza e proteggere i dati, come il RAID-Z, un’implementazione software di RAID che offre una maggiore tolleranza ai guasti e una migliore gestione dell’errore.

Da quando Sun Microsystems ha rilasciato ZFS, il file system ha subito numerosi sviluppi. Diverse implementazioni open source di ZFS sono ora disponibili, tra cui ZFS on Linux (ZoL). Questo progetto ha portato ZFS nel cuore dell’ecosistema Linux, rendendolo una scelta popolare tra gli amministratori di sistema che cercano un file system avanzato e robusto.

BTRFS: L’alternativa Linux-Native

Solo due anni dopo la nascita di ZFS, nel 2007, Oracle ha presentato BTRFS. BTRFS, che sta per B-tree File System, è stato concepito come un file system di livello enterprise che potesse competere con ZFS fornendo funzionalità simili, ma con un’attenzione particolare all’integrazione con il kernel Linux.

BTRFS condivide molte delle caratteristiche di alto livello di ZFS, tra cui la gestione avanzata dei volumi e la protezione dei dati. Come ZFS, BTRFS consente la creazione di snapshot per backup e ripristino e include funzionalità di ridondanza per aumentare la resilienza dei dati. Tuttavia, BTRFS ha anche le sue peculiarità, che lo distinguono da ZFS in diversi modi chiave.

Una di queste peculiarità è la flessibilità di BTRFS in termini di gestione dei volumi. Mentre ZFS richiede la configurazione dei pool di dischi in fase di creazione, BTRFS consente di aggiungere e rimuovere dischi al volo, offrendo un grado di adattabilità che ZFS non può eguagliare.

Inoltre, BTRFS è stato sviluppato come parte del kernel Linux e, pertanto, beneficia di un’integrazione più stretta con esso. Questo offre a BTRFS alcuni vantaggi, come la capacità di utilizzare direttamente le funzionalità del kernel per migliorare le prestazioni e la stabilità. Nonostante ciò, BTRFS ha ancora dei problemi di stabilità, soprattutto quando si utilizzano alcune delle sue funzionalità più avanzate. Esploreremo questi aspetti in dettaglio più avanti nell’articolo.

Performance e velocità di lettura e scrittura tra ZFS e BTRFS

Nella sfida delle prestazioni tra ZFS e BTRFS, entrambi i file system si dimostrano competitivi, tuttavia, esistono diverse sfumature tecniche che possono influenzare la scelta basandosi sulle specifiche esigenze dell’utente.

ZFS eccelle in termini di velocità di scrittura, grazie all’implementazione di un modello di storage basato su pool e ai meccanismi di caching, come ZFS Intent Log (ZIL) e Adaptive Replacement Cache (ARC). ZIL è un meccanismo di cache che ritarda le operazioni di scrittura, accodando le richieste di I/O per poi eseguirle insieme, incrementando significativamente le prestazioni. ARC, invece, è un algoritmo di cache che tiene traccia dei dati più frequentemente letti, aumentando la velocità di lettura pre-caricando questi dati in memoria.

BTRFS, al contrario, può mostrare prestazioni di lettura e scrittura superiori in alcuni scenari specifici, dovuti alla sua struttura basata su B-tree e alla capacità di eseguire operazioni di I/O in parallelo. Questa architettura rende BTRFS particolarmente efficiente nel gestire un gran numero di piccoli file.

Uno dei fattori critici nel confronto delle prestazioni tra ZFS e BTRFS è la distinzione tra operazioni di I/O sincrone e asincrone. I benchmark possono essere facilmente falsati se non si tiene conto di questa differenza. Le operazioni sincrone richiedono una conferma per ogni singola operazione di scrittura, assicurando la coerenza dei dati ma penalizzando le prestazioni. Le operazioni asincrone, invece, consentono di eseguire numerose operazioni di scrittura prima di richiedere una conferma, risultando in prestazioni superiori a scapito della sicurezza dei dati. ZFS tende a gestire meglio le operazioni sincrone grazie a ZIL, mentre BTRFS può avere un vantaggio nelle operazioni asincrone.

Tuttavia, va sottolineato che le prestazioni effettive possono variare considerevolmente a seconda di molteplici fattori, tra cui la configurazione hardware, le dimensioni e la struttura del file system e la natura specifica del carico di lavoro. Entrambi i file system offrono un insieme di strumenti per l’ottimizzazione delle prestazioni, tra cui diverse strategie di caching e di allocazione dello spazio, che possono essere modulate per massimizzare le prestazioni in base alle esigenze specifiche.

In definitiva, quando si considerano le prestazioni, la scelta ottimale tra ZFS e BTRFS dipenderà da una serie di fattori, tra cui il tipo di carico di lavoro, le necessità specifiche di velocità di lettura e scrittura, le risorse hardware disponibili e, non meno importante, la strategia di gestione della coerenza dei dati.

Comparazione di Funzionalità: ZFS vs BTRFS

Gestione dei Volumi e Protezione dei Dati

Quando si parla di gestione di file system di livello enterprise, la gestione dei volumi e la protezione dei dati sono aspetti centrali che determinano l’efficienza, la sicurezza e la resilienza del sistema. In questo ambito, ZFS e BTRFS mostrano una serie di caratteristiche e capacità eccezionali che rappresentano un salto qualitativo rispetto ai tradizionali file system.

ZFS: Pool di Volumi e Ridondanza dei Dati

Nel contesto di ZFS, la gestione dei volumi si basa su un modelo di “pool” di storage. Questo significa che, invece di gestire ogni disco individualmente, ZFS consente agli amministratori di raggruppare più dischi in un singolo pool, fornendo un’astrazione di alto livello per l’archiviazione dei dati. Questo modello offre vantaggi significativi in termini di prestazioni e ridondanza.

Un pool ZFS può essere costituito da una serie di dischi, ognuno dei quali può essere configurato per essere parte di un array RAID-Z. Il RAID-Z è l’implementazione di ZFS del tradizionale RAID (Redundant Array of Independent Disks), un’architettura di storage che distribuisce i dati su più dischi per aumentare la velocità di lettura/scrittura e la tolleranza ai guasti. A differenza del RAID tradizionale, tuttavia, RAID-Z è in grado di evitare il cosiddetto “hole di scrittura RAID”, un problema che può causare la perdita di dati in caso di un guasto del sistema durante una scrittura.

La gestione dei volumi di ZFS offre anche funzionalità di deduplicazione e compressione. La deduplicazione aiuta a risparmiare spazio eliminando i dati duplicati, mentre la compressione riduce la quantità di spazio necessaria per memorizzare i dati. Queste funzionalità, insieme alla resilienza offerta da RAID-Z, contribuiscono a fare di ZFS una soluzione robusta e efficiente per la protezione dei dati.

BTRFS: Flessibilità e Complessità

Dall’altra parte, BTRFS adotta un approccio leggermente diverso alla gestione dei volumi. Mentre ZFS organizza i dischi in pool, BTRFS consente agli utenti di aggiungere o rimuovere dischi individuali al volo. Questo offre un livello di flessibilità che può essere particolarmente vantaggioso in ambienti dinamici, dove le esigenze di storage possono cambiare rapidamente.

Tuttavia, questa flessibilità viene a un prezzo. La gestione dei volumi in BTRFS può essere più complessa rispetto a ZFS, poiché richiede la comprensione di concetti come i “subvolumes” e le “btrfs raid levels”. Un subvolume in BTRFS è simile a un file system indipendente, ma condiviso nello stesso spazio di archiviazione, mentre i livelli RAID di BTRFS determinano come i dati sono distribuiti tra i dischi.

Allo stesso tempo, BTRFS offre una serie di funzionalità per la protezione dei dati simili a quelle di ZFS. Questo include la capacità di creare snapshot, un metodo efficace per eseguire backup dei dati, e una serie di opzioni per la ridondanza dei dati, tra cui le sue proprie implementazioni di RAID. Tuttavia, è importante notare che alcune di queste funzionalità, come il RAID 5 e 6 di BTRFS, sono ancora considerate instabili e non sono raccomandate per l’uso in ambienti di produzione.

Snapshot e Cloning

In un’era in cui i dati sono uno dei beni più preziosi, la capacità di eseguire backup efficienti e ripristinare rapidamente i dati in caso di problemi è di vitale importanza. In questo contesto, le funzionalità di snapshot e cloning offerte da ZFS e BTRFS sono strumenti fondamentali che aiutano gli amministratori di sistema a garantire la sicurezza dei dati.

ZFS: Snapshot e Cloning Ultra efficienti

ZFS offre un’implementazione molto efficiente di snapshot e cloning. Le snapshot sono essenzialmente istantanee dei dati a un dato momento, che possono essere utilizzate per eseguire backup o ripristinare i dati a uno stato precedente. In ZFS, la creazione di una snapshot è quasi istantanea e inizialmente non richiede alcuno spazio di archiviazione aggiuntivo. Questo perché ZFS utilizza una struttura dati chiamata Merkle tree, che consente di registrare solo i cambiamenti nei dati invece di copiare l’intero set di dati.

Il cloning, d’altra parte, si riferisce alla creazione di una copia modificabile di una snapshot. Anche in questo caso, ZFS brilla per la sua efficienza. Quando viene creato un clone, ZFS non copia fisicamente i dati. Invece, crea un nuovo ramo nel Merkle tree che punta agli stessi dati della snapshot originale. Solo quando i dati nel clone vengono modificati, ZFS registra i cambiamenti in nuovi blocchi, lasciando i dati originali intatti. Questo metodo “copy-on-write” permette a ZFS di creare cloni in modo estremamente veloce e senza consumare spazio di archiviazione extra.

BTRFS: Snapshot e Cloning con qualche Limitazione

Anche BTRFS supporta la creazione di snapshot e cloni. Come ZFS, BTRFS utilizza un approccio copy-on-write per le snapshot, il che significa che creare una snapshot è un’operazione veloce che inizialmente non richiede spazio extra. Tuttavia, a differenza di ZFS, BTRFS non utilizza un Merkle tree per tracciare i cambiamenti nei dati. Questo significa che, nel tempo, le snapshot in BTRFS possono diventare più grandi e meno efficienti dello spazio rispetto alle snapshot in ZFS.

Inoltre, BTRFS offre la possibilità di creare cloni di file e directory, che è simile alla funzionalità di cloning di ZFS. Tuttavia, la gestione dei cloni in BTRFS può essere più complicata rispetto a ZFS. Mentre ZFS mantiene un legame stretto tra un clone e la sua snapshot originale, BTRFS tratta i cloni come oggetti indipendenti, il che può rendere difficile la gestione delle dipendenze tra cloni e snapshot.

In sintesi, mentre BTRFS offre funzionalità di snapshot e cloning che possono essere utili in molti scenari, ZFS tende ad avere un vantaggio in termini di efficienza dello spazio e delle prestazioni, grazie alla sua implementazione avanzata di Merkle tree e al suo stretto legame tra snapshot e cloni.

Pro e Contro di ZFS e BTRFS

ZFS: Pro e Contro

Esploriamo in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi di ZFS, affrontando sia gli aspetti che lo rendono un file system preferito per molte organizzazioni, sia le sfide che possono sorgere nel suo utilizzo.

Vantaggi di ZFS:

Robustezza e Affidabilità:

ZFS è rinomato per la sua robustezza e affidabilità. Dotato di un meccanismo di integrità dei dati incorporato chiamato “checksumming”, ZFS può rilevare e correggere automaticamente gli errori silenziosi, offrendo un’alta tolleranza ai guasti e un recupero dei dati eccezionale.

Gestione Avanzata dei Volumi:

ZFS offre un modello di gestione dei volumi basato su pool, che permette di combinare più dischi in un unico pool di storage. Questo approccio fornisce un’ampia gamma di opzioni per la configurazione del pool di dischi, consentendo una gestione dei dati flessibile e performante.

Compressione e Deduplicazione:

ZFS supporta la compressione e la deduplicazione dei dati a livello di file system. Queste caratteristiche aiutano a risparmiare spazio di archiviazione, migliorando al contempo l’efficienza dello spazio.

Svantaggi di ZFS:

Esigenze di Risorse:

ZFS è noto per essere un file system “affamato” di risorse, soprattutto in termini di memoria. Per offrire le sue avanzate funzionalità e mantenere le prestazioni, ZFS può richiedere una notevole quantità di RAM. In particolare, se si intende utilizzare la deduplicazione, la quantità di memoria necessaria può aumentare significativamente.

Limitazioni nella Gestione dei Dischi:

Sebbene ZFS offra una gestione avanzata dei volumi, presenta una limitazione importante: non consente di aggiungere o rimuovere dischi da un pool esistente senza distruggere e ricreare il pool. Questo può rendere più complesse alcune operazioni di manutenzione e aggiornamento del sistema di storage. A differenza di BTRFS, ZFS non supporta l’espansione dinamica del pool di dischi, il che può limitare la sua flessibilità in determinati scenari.

Pro e Contro di BTRFS

Analizziamo in profondità i vantaggi e le limitazioni del file system BTRFS, esaminando sia le caratteristiche che lo rendono una soluzione attraente, sia i potenziali problemi che possono sorgere con il suo uso.

Vantaggi di BTRFS:

Flessibilità e Gestione Dinamica dei Volumi:

Uno dei principali vantaggi di BTRFS è la sua estrema flessibilità. A differenza di ZFS, BTRFS consente di aggiungere e rimuovere dischi al volo, rendendo più semplice e senza interruzioni l’espansione o la riduzione dello spazio di archiviazione. Questa funzionalità può essere particolarmente utile in ambienti in cui lo spazio di archiviazione deve essere regolato dinamicamente in base alla domanda.

Inoltre, BTRFS consente di ridimensionare i volumi in tempo reale, offrendo un ulteriore livello di flessibilità nella gestione dello storage. Queste caratteristiche di gestione dinamica dei volumi lo rendono una scelta preferibile per alcuni utenti rispetto a ZFS.

Supporto per Snapshot e Cloni:

Come ZFS, BTRFS supporta la creazione di snapshot e cloni. Queste funzionalità offrono una protezione significativa dei dati, consentendo agli utenti di eseguire backup efficienti e di ripristinare i dati a un determinato punto nel tempo. Sebbene la gestione delle snapshot e dei cloni in BTRFS possa essere meno efficiente in termini di spazio e prestazioni rispetto a ZFS, queste funzionalità rimangono un aspetto forte di BTRFS.

Integrazione con il Kernel Linux:

BTRFS è nativo nel kernel Linux, il che significa che può beneficiare di aggiornamenti e miglioramenti più rapidi rispetto a ZFS. Questa integrazione profonda con il kernel Linux può anche portare a una migliore compatibilità e performance su piattaforme Linux.

Limitazioni di BTRFS:

Problemi di Stabilità:

BTRFS è noto per avere problemi di stabilità, specialmente quando si utilizzano alcune delle sue funzionalità più avanzate come la RAID 5/6. Questi problemi possono portare a perdite di dati o a guasti del sistema, rendendo BTRFS una scelta meno affidabile rispetto a ZFS per certi scenari.

Assenza della Deduplicazione:

Sebbene BTRFS supporti la compressione dei dati, non supporta la deduplicazione a livello di file system. La deduplicazione può risparmiare una notevole quantità di spazio di archiviazione eliminando le copie duplicate dei dati, e la sua mancanza in BTRFS può essere vista come una limitazione importante per gli ambienti in cui la conservazione dello spazio di archiviazione è fondamentale.

Scelta tra ZFS e BTRFS per Soluzioni di Archiviazione di Grandi Dimensioni

La selezione di un file system appropriato per un file server, un NAS (Network Attached Storage) o una SAN (Storage Area Network) dipende in gran parte dalle specifiche esigenze dell’organizzazione e dalle caratteristiche del carico di lavoro. Quando si tratta della conservazione di grandi quantità di dati, ZFS e BTRFS emergono come due contendenti degni di nota, ciascuno con i suoi punti di forza e debolezze.

ZFS: La Scelta per Affidabilità e Conservazione dei Dati

Se la priorità è l’affidabilità, l’integrità dei dati e la necessità di conservare enormi quantità di dati, ZFS potrebbe emergere come la scelta più sensata. Il suo meccanismo di checksumming e correzione automatica degli errori fornisce una garanzia robusta per l’integrità dei dati, un aspetto fondamentale quando si gestiscono grandi volumi di dati.

ZFS brilla anche nella sua gestione avanzata dei volumi e nelle sue funzionalità di compressione e deduplicazione dei dati. Queste funzionalità aiutano a utilizzare lo spazio di archiviazione in modo più efficiente, una caratteristica critica per l’archiviazione di grandi volumi di dati. Tuttavia, va notato che ZFS può essere più esigente in termini di risorse, in particolare la memoria RAM, il che può essere un aspetto da considerare per le organizzazioni con hardware limitato.

BTRFS: La Scelta per Flessibilità e Integrazione con Linux

D’altro canto, se l’ambiente richiede una maggiore flessibilità, come la capacità di aggiungere o rimuovere dischi al volo, o se si desidera un’interazione più stretta con il kernel Linux, BTRFS potrebbe essere la scelta migliore. BTRFS offre una notevole flessibilità nella gestione dei volumi e la sua integrazione con il kernel Linux potrebbe offrire benefici in termini di compatibilità e prestazioni.

Tuttavia, si deve prestare attenzione ai problemi di stabilità che possono sorgere con BTRFS, in particolare quando si utilizzano alcune delle sue funzionalità più avanzate. Inoltre, a differenza di ZFS, BTRFS non supporta la deduplicazione a livello di file system, il che potrebbe influire sull’efficienza dello spazio di archiviazione.

Conclusione

Nel mondo dei moderni file system, ZFS e BTRFS rappresentano due pilastri potenti e flessibili, che offrono funzionalità avanzate molto al di là di quelle offerte dai tradizionali file system. Sia che si tratti di gestione avanzata dei volumi, creazione di snapshot, clonazione, compressione dei dati o altro, entrambi i file system presentano strumenti e tecniche che semplificano notevolmente la gestione delle soluzioni di archiviazione di grandi dimensioni.

Tuttavia, la scelta tra ZFS e BTRFS non è una questione di superiorità assoluta di uno rispetto all’altro, ma piuttosto una decisione basata sui requisiti specifici del tuo ambiente operativo, i limiti hardware disponibili e le priorità relative all’affidabilità dei dati, la flessibilità operativa e l’integrazione con il kernel Linux.

Se l’ambiente richiedesse un’alta affidabilità, un’eccellente integrità dei dati e una gestione avanzata dei volumi, ZFS potrebbe essere la scelta giusta. La sua reputazione di robustezza e affidabilità, unita alle sue potenti capacità di compressione e deduplicazione dei dati, ne fanno un candidato ideale per l’archiviazione di grandi volumi di dati.

D’altra parte, se l’ambiente richiede una maggiore flessibilità nella gestione dei volumi, come l’aggiunta o la rimozione di dischi al volo, o se c’è un particolare interesse per un’integrazione più stretta con il kernel Linux, BTRFS potrebbe essere la scelta più adatta. BTRFS offre un’ampia gamma di funzionalità flessibili e la sua stretta integrazione con il kernel Linux potrebbe portare a vantaggi significativi in termini di compatibilità e prestazioni.

In definitiva, la scelta tra ZFS e BTRFS dovrebbe essere attentamente ponderata, tenendo conto delle esigenze specifiche e delle limitazioni del tuo ambiente. Entrambi i file system offrono una vasta gamma di strumenti avanzati, rendendo entrambi i candidati validi per gestire soluzioni di storage di grandi dimensioni. È importante ricordare che la scelta del file system giusto può avere un impatto significativo sulle prestazioni, l’efficienza e l’affidabilità del tuo sistema di archiviazione.

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