2018-1-17Linux系统管理Linux磁盘及文件系统的概念

Posted 2020-10-21

  在本章当中，我们开始对于Linux的系统篇的介绍，我们首先了解一下磁盘的构造以及文件系统的概念，在上一篇的基础中，主要介绍了Linux的命令的用法等其它的一些概念，知识比较琐碎，希望将这些基础知识多看得以巩固，唉。。。日子不好过啊，学习本来就很难。那么在这一章当中我们来讲述Linux磁盘及文件系统的概念。

一、操作系统的组成部分

  我们操作系统组成部分大致分为硬件和软件，硬件设备是最底层的，这是计算机的一个运行的基础，冯诺依曼定义了硬件部件，分别为是CPU(由运算器和控制器组成)然后是Memory(主存，也就是内存设备)，是一个可编址的存储单元，它的单元是一个的大小是一个字节，是一串八位二进制组成的，每一个字节都有一个十六进制标识着，但是内存只是临时性的存储，只要一断电，所有的数据也都会没有，所以我们需要一个辅存，用来永久存储这些数据，断电之后，数据依然存在，现在来说，如果主机无法连接网络的话就是一个孤岛而已，那么网卡设备就是另一种重要的IO设备，对于服务器来说，网卡是极为重要的，因为它是服务出入的一个接口。
  早期的硬盘设备对于PC来讲接口有很多种，早期的IDE，和现在SATA等，线缆的类型是不一样的，对于数据类型的存取是由CPU来实现的，它们之间的传输也是通过某种协议来实现的。
  我们来总结一下硬件的组成以及硬盘接口的类型等属性。

   CPU, Memory(RAM), I/O

   I/O：Disk, EhterCard
    
     接口类型：
        IDE(ata)：并口，133MB/s
        SCSI并口：Ultrascsi320, 320MB/s, Ultrascsi640, 640MB/s
        SATA：串口，6gbps；
        SAS：串口，6gbps；
        USB：串口，480MB/s

  那么关于接口的类型分为大致两部分，一个是并口，另一个是串口，按理来说并口比串口要快，就像多个跑道一起跑，但是它们相互之间防御机制很弱的话，就会产生干扰，

   并口：同一线缆可以接多块设备
     IDE：两个，主，从；
     SCSI：
        宽带：16-1
        窄带：8-1
    
     串口：同一线缆只可以接一个设备

   iops：io per second

  那么现在硬盘也分为了两种，一种是机械式硬盘，另一种是固态式硬盘，这两个实现存储的方式是不一样的，机械硬盘是一种机械设备，是通过硬盘旋转来进行数据存取，而固态硬盘是电气设备，是通过电子的运转来实现的，所以后者对于数据的存取更快一些。

二、硬盘的工作原理

  我们主要了解机械式硬盘是如何工作的，简单来讲，就是由真空封装的，由马达带动的多个钢性的盘片，上面涂有磁性的材料，通过上面的固定轨道来实现存取数据，而数据的存储容量取决于涂有磁性材料的密度，这对其工艺的要求是很高的，盘片上从外向内划分了许多轨道，我们称之为磁道。
  在盘面上划分了许多轨道，所存储的数据对每个轨道来说也是不一样的，在同轴马达上，所划过的长度是不一样的，属于固定角速设备，对于数据的存取来说，在磁盘上面悬浮着一个磁头，通过它来读取磁盘上面磁性材料的数据，也可以发送高能信号用来存储在磁性材料当中；这个设备我们称之为磁头。
  对于磁盘来说，正反两面都有磁头，这些磁头都固定在一个机械臂上，所以读取数据由两部分组成，第一步就是挪动磁头，定位在磁道当中，第二步就是等待那个数据转过磁头中去，所以在磁道上读取数据就会有一个平均寻道时间。但由于由内而外的周长其实不一样，所以不能够以一个磁道来进行存储，否则很难实现数据的有效管理，于是乎就把磁道划分成固定大小的扇区，每一个扇区存储量为512bytes。
  刚才讲过，这些磁头都是固定在机械臂上，也就是说是能同步进退了，在某一时刻，不同盘面上同一个编号的磁道，叫做一个柱面。
  那么为什么进行分区，如果不分区的话，就会当成一个文件系统来进行存储，但大体上只能支持四个分区，但为了变成可独立管理的文件系统，彼此间不互相干扰，所以就划分了分区。而分区的划分是按照柱面来进行的。越靠近外面的分区，分区较好，因为单位时间内，磁头划过的时间长，存储的数据量也大，所以一般Windows默认会安装在C盘。

   硬盘：机械硬盘，固态硬盘；
     机械硬盘：
        track：磁道bytes
        sector：扇区, 512
        cylinder：柱面
            分区划分基于柱面；
            
        平均寻道时间：5400rpm, 7200rpm, 10000rpm, 15000rpm

三、设备类型

  对于Linux的哲学思想来说，是一切皆文件，这种哲学思想来说能够对待在硬盘设备上，使得设备有两种类别，一种是块文件，另一种为字符文件。

   设备类型：
     块(block)：随机访问，数据交换单位为"块"；
     字符(charactor)：线性访问，数据交换单位为"字符"；

  而对于Linux哲学思想之一：一切皆文件来说，它们也有文件来对设备进行控制，我们称之为设备文件，根据FHS(文件层级结构标准)，系统将设备文件存放在/dev目录下，而设备文件的主要作用就是关联该设备的启动程序，它是该设备的访问入口，每一个设备都会有一个设备号，没有大小之分。

   设备文件：FHS
     /dev
        设备文件：关联至设备的驱动程序；是设备的访问入口；
        
        设备号：
            major：主设备号，区分设备类型；用于标明设备所需要的驱动程序；
            minor：次设备号，区分同种设备类型下的不同设备；是特定的访问入口；

  如果将来需要手动创建设备文件时，可以使用mknod命令。它是可以创建块设备以及字符设备文件的一条命令，其命令格式为：

   mknod [OPTION]... NAME TYPE [MAJOR MINOR]

  该命令选项如下：

   -m MODE：创建后的设备文件的访问权限

  那么在系统上所有的设备文件名，都是由ICANN定义的，不然的话，不同的发行版对于设备的文件名会截然不同，对于系统来说，不同的磁盘设备都会有不同的设备文件。示例如下：

   磁盘：
    IDE：/dev/hd[a-z]
        例如：/dev/hda, /dev/hdb
    
    SCSI, SATA, USB, SAS：/dev/sd[a-z]
    
    分区：
        /dev/sda#
        
    注意：CentOS 6和7统统将硬盘设备文件标识为/dev/sd[a-z]#
    
    引用设备的方式：
        设备文件名；
        卷标；
        UUID；

三、磁盘分区

  我们刚才讲过磁盘最多只能分四个区，这是属于MBR类型，现在不只有MBR类型，还有GPT类型，在0磁道0扇区，用作于MBR扇区，MBR我们称之为主引导记录，共512个字节，分为了三部分，但是好像不止可以分到四个分区，这是因为我们把其中一个分区拿出来指向另外一个存储空间，把那新的空间当作新的存储表用来存储，而用来引导其它分区标的分区就叫做扩展分区，因此整个的空间都能够给扩展分区，但是扩展不能直接使用，需要在该指向的空间中创建成逻辑分区，一般最后一个主分区我们就划分成扩展分区，那么我们来总结一下：

   磁盘分区：MBR, GPT
     MBR：0 sector
        Master Boot Record
        
            分为三部分：
                446bytes：bootloader, 程序, 引导启动操作系统的程序；
                64bytes：分区表，每16bytes标识一个分区，一共只有4个分区；
                    4个主分区
                    3主1扩展：
                        n个逻辑分区；
                    扩展分区：将某一个主分区指向另一个分区表，我们称之为扩展分区，而在这里分区的空间我们称之为逻辑分区；
                2bytes：MBR区域的有效性标识；55AA为有效；
                
        主分区和扩展分区的标识：1-4;
        逻辑分区：5+；

  即使你的扩展分区一个都没用，逻辑分区也得是从5+开始。
  那么管理磁盘分区的命令为fdisk，作用为管理磁盘分区表的，该命令的格式及用法为：

   fdisk命令：
    
     1、查看磁盘的分区信息；
        fdisk -l [-u] [device]：列出指定磁盘设备上的分区情况；
        
     2、管理分区：
        fdisk device
        
        fdisk提供了一个交互式接口来管理分区，它有许多子命令，分别用于不同的管理功能；所有的操作均在内存中完成，没有直接同步到磁盘；直接使用w命令保存至磁盘上；
    
        常用命令：
            n：创建新分区；
            d：删除已有分区；
            t：修改已有分区；
            l：查看所有已知ID；
            w：保存并退出；
            q：不保存并退出；
            m：查看帮助信息；
            p：显示现有分区信息；

  那么接下来想要使用它的话，你就可以添加一块硬盘或者在现有的磁盘上，找出现有的空间来进行操作。