磁盤及分區詳解（MBR和GPT）
- 1、磁盤為什麼要分區？
- 2、Linux裝置檔案
- 3、磁盤簡介
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- 3.1 硬碟接口類型
- 3.2 機械硬碟和固态硬碟
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- 3.2.1 磁盤術語
- 3.2.2 機械硬碟
- 4、分區方式
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- 4.1 CHS和LBA
- 4.2 第一種分區方式：MBR
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- 4.2.1 MBR簡介
- 4.2.2 MBR分區結構
- 4.2.3 MBR中的DPT結構
- 4.2.4 MBR執行個體
- 4.3 第二種分區方式：GPT
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- 4.3.1 GPT簡介
- 4.3.2 GPT分區
- 4.3.3 GUID
- 4.4 優缺點
- 5、兩種分區方式在啟動系統流程上的差別
- 6、管理分區
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- 6.1 lsblk
- 6.2 parted指令
- 6.3 分區工具fdisk和gdisk
- 6.4 同步分區表
- 6.5 partx 示例
- 7、新增磁盤分區總體示例
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- 7.1 磁盤資訊檢視
- 7.2 增加新分區 /dev/vda3 ，格式為 LVM
- 7.3 進行新增分區檢視
- 7.4 通知核心，重讀分區
- 7.5 對新增分區進行檔案系統部署
- 7.6 對新增分區進行挂載使用
- 7.7 編輯 /etc/fstab 檔案，實作開機自動挂載
1、磁盤為什麼要分區？
實作磁盤分區可以有以下優勢：
- 優化I/O性能
- 實作磁盤空間配額限制
- 提高修複速度
- 隔離系統和程式
- 安裝多個OS
- 采用不同檔案系統
2、Linux裝置檔案
Linux的哲學思想之一：一切皆檔案。
# 裝置類型：
# 塊(block)：随機通路，資料交換機關是“塊”
# 字元(character)：線性通路，資料交換機關是“字元”
# 裝置檔案：FHS
# /dev
# 裝置檔案：關聯至裝置的驅動程式，進而能夠跟與之對應硬體裝置進行通信
# 裝置号：
# major：主裝置号，區分裝置類型；用于标明裝置所需要的驅動程式
# minor：次裝置号，區分同種類型下的不同的裝置；是特定裝置的通路入口
# mknod指令：
# make block or character special files
# mknod [OPTION]... NAME TYPE [MAJOR MINOR]
# -m MODE：建立後的裝置檔案的通路權限
# 裝置檔案名：ICANN
# 磁盤：
# IDE： /dev/hd[a-z]
# 例如：/dev/hda, /dev/hdb
# 不同磁盤表示 （SCSI, SATA, USB, SAS）
# /dev/sd[a-z]
# /dev/sda, /dev/sdb, ...
# 同一裝置上的不同分區
# /dev/sda#
# /dev/sda1, /dev/sda2, ...
# 注意：CentOS 6和7統統将硬碟裝置檔案辨別為/dev/sd[a-z]#
# 引用裝置的方式：
# 1、裝置檔案名
# 2、卷标
# 3、UUID
3、磁盤簡介
在開始介紹磁盤分區以前，先簡單介紹下磁盤。
硬碟（Disks: 持久存儲資料）是一種I/O裝置。
3.1 硬碟接口類型
# IDE(ata)：并口，133MB/s
# SCSI：并口，Ultrascsi320, 320MB/S, UltraSCSI640, 640MB/S
# SATA：序列槽，6gbps
# SAS：序列槽，6gbps
# USB：序列槽，480MB/s
# 并口：同一線纜可以接多塊裝置
IDE：兩個，主，從
SCSI：
寬帶：16-1
窄帶：8-1
# 序列槽：同一線纜隻可以接一個裝置
# iops：io per second
3.2 機械硬碟和固态硬碟
- 機械硬碟（HDD）：Hard Disk Drive，即是傳統普通硬碟，主要由：盤片，磁頭，盤片轉軸及控制電機，磁頭控制器，資料轉換器，接口，緩存等幾個部分組成。機械硬碟中所有的盤片都裝在一個旋轉軸上，每張盤片之間是平行的，在每個盤片的存儲面上有一個磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發絲的直徑還小，所有的磁頭聯在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行資料的讀寫操作。資料通過磁頭由電磁流來改變極性方式被電磁流寫到磁盤上，也可以通過相反方式讀取。硬碟為精密裝置，進入硬碟的空氣必須過濾。
- 固态硬碟（SSD）：Solid State Drive，用固态電子存儲晶片陣列而制成的硬碟，由控制單元和存儲單元（FLASH晶片、DRAM晶片）組成。固态硬碟在接口的規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的完全相同，在産品外形和尺寸上也與普通硬碟一緻。
- 相較于HDD，SSD在防震抗摔、傳輸速率、功耗、重量、噪音上有明顯優勢，SSD傳輸速率性能是HDD的2倍。
- 相較于SSD，HDD在價格、容量、使用壽命上占有絕對優勢。
- 硬碟有價，資料無價，目前SSD不能完全取代HHD。
3.2.1 磁盤術語
# head：磁頭
# track：磁道
# cylinder: 柱面
# sector: 扇區，512bytes
3.2.2 機械硬碟
機械硬碟由堅硬金屬材料制成的塗以磁性媒體的盤片，盤片兩面稱為盤面或扇面，都可以記錄資訊，由磁頭對盤面進行操作，一般用磁頭号區分。結構特性決定了機械硬碟如果受到劇烈沖擊，磁頭與盤面可能産生的哪怕是輕微撞擊都有可能報廢。
假設磁頭不動，硬碟旋轉，那麼磁頭就會在磁盤表面畫出一個圓形軌迹并将之磁化，資料就儲存在這些磁化區中，稱之為磁道，将每個磁道分段，一個弧段就是一個扇區。一個硬碟可以包含多個扇面，扇面同軸重疊放置，每個盤面磁道數相同，具有相同周長的磁道所形成的圓柱稱之為柱面，柱面數與磁道數相等。
最初的尋址方式稱為CHS，在LBA（Logical Block Address）概念誕生之前，由他負責管理磁盤位址。所謂CHS即柱面（cylinder），磁頭（header），扇區（sector），通過這三個變量描述磁盤位址，需要明白的是，這裡表示的已不是實體位址而是邏輯位址了。這種方法也稱作是LARGE尋址方式。該方法下：
硬碟容量=磁頭數×柱面數×扇區數×扇區大小（一般為512byte）。
後來，人們通過為每個扇區配置設定邏輯位址，以扇區為機關進行尋址，也就有了LBA尋址方式。但是為了保持與CHS模式的相容，通過邏輯變換算法，可以轉換為磁頭/柱面/扇區三種參數來表示，和 LARGE尋址模式一樣，這裡的位址也是邏輯位址了。（固态硬碟的存儲原理雖然與機械硬碟不同，采用的是flash存儲，但仍然使用LBA進行管理。）
4、分區方式
磁盤分區方式一般有兩種：MBR和GPT。
在講之前，先介紹下CHS和LBA。
4.1 CHS和LBA
- CHS：即柱面（cylinder），磁頭（header），扇區（sector）。
# 采用24bit位尋址
# 其中前10位表示cylinder，中間8位表示head，後面6位表示sector
# 最大尋址空間8GB
- LBA（logical block addressing）
# LBA是一個整數，通過轉換成CHS格式完成磁盤具體尋址
# ATA-1規範中定義了28位尋址模式，以每扇區512位組來計算
# ATA-1所定義的28位LBA上限達到128 GiB
# 2002年ATA-6規範采用48位LBA，同樣以每扇區512位組計算容量上限可達128 Petabytes
- 由于CHS尋址方式的尋址空間在大概8GB以内，是以在磁盤容量小于大概8GB時，可以使用CHS尋址方式或是LBA尋址方式；在磁盤容量大于大概8GB時，則隻能使用LBA尋址方式。
4.2 第一種分區方式：MBR
4.2.1 MBR簡介
# MBR：Master Boot Record
# 使用32位表示扇區數，分區不超過2T
# 分為三部分（512位元組）：
# 446bytes：bootloader, 程式，引導啟動作業系統的程式；
# 64bytes：分區表，每16bytes辨別一個分區，一共隻能有4個分區；
4主分區
3主1擴充
n邏輯分區
# 2bytes：MBR區域的有效性辨別；55AA為有效
# 主分區和擴充分區的辨別：1-4
# 邏輯分區：5+
4.2.2 MBR分區結構
# 硬碟主引導記錄MBR由4個部分組成
# 主引導程式（偏移位址0000H--0088H），它負責從活動分區中裝載，并運作系統引導程式
# 出錯資訊資料區，偏移位址0089H--00E1H為出錯資訊，00E2H--01BDH全為0位元組
# 分區表（DPT,Disk Partition Table）含4個分區項，偏移位址01BEH--01FDH
# 每個分區表項長16個位元組，共64位元組為分區項1、分區項2、分區項3、分區項4
# 結束标志字，偏移位址01FE--01FF的2個位元組值為結束标志55AA
4.2.3 MBR中的DPT結構
4.2.4 MBR執行個體
80 01 01 00, 0B FE BF FC, 3F 00 00 00, 7E 86 BB 00
其中， “80”是一個分區的激活标志，表示系統可引導；“01 01 00”表示分區開始的磁頭号為01，開始的扇區号為01，開始的柱面号為00；“0B”表示該分區的系統類型是FAT32，其他比較常用的有04(FAT16)、07(NTFS)；“FE BF FC”表示分區結束的磁頭号為254，分區結束的扇區号為63、分區結束的柱面号為764；“3F 00 00 00”表示首扇區的相對扇區号為63；“7E 86 BB 00”表示總扇區數為12289622。
可以看到，在隻配置設定64位元組給DPT的情況下，每個分區項分别占用16個位元組，是以隻能記錄四個分區資訊，盡管後來為了支援更多的分區，引入了擴充分區及邏輯分區的概念。但每個分區項仍然用16個位元組存儲。能表示的最大扇區數為FF FF,FF FFH，是以可管理的最大空間=總扇區數*扇區大小（512byte），也就是2TB（在1：1000的換算下，有時也叫2.2T）。超過2TB以後的空間，不能配置設定位址，自然也就無法管理了。
MBR的諸多缺點使其應用大大受限。是以有了後面的GPT分區技術。
4.3 第二種分區方式：GPT
GPT 是 GUID Partition Table 的縮寫，意為 全局唯一辨別分區表。
4.3.1 GPT簡介
# GPT支援128個分區，使用64位，支援8Z（512Byte/block ）64Z （4096Byte/block）
# 使用128位UUID(Universally Unique Identifier) 表示磁盤和分區GPT分區表自動備份在頭和尾兩份，并有CRC校驗位
# UEFI (統一擴充固件接口)硬體支援GPT，使作業系統啟動
GPT 是一個實體硬碟的分區表的結構布局的标準。它是可擴充固件接口（UEFI）标準（被Intel用于替代個人計算機的BIOS）的一部分，被用于替代BIOS系統中的一32bits來存儲邏輯塊位址和大小資訊的主引導記錄（MBR）分區表。對于那些扇區為512位元組的磁盤，MBR分區表不支援容量大于2.2TB（2.2×10^12位元組）的分區，然而，一些硬碟制造商（諸如希捷和西部資料）注意到這個局限性，并且将他們的容量較大的磁盤更新到4KB的扇區，這意味着MBR的有效容量上限提升到16 TiB。 這個看似“正确的”解決方案，在臨時地降低人們對改進磁盤配置設定表的需求的同時，也給市場帶來關于在有較大的塊（block）的裝置上從BIOS啟動時，如何最佳的劃分磁盤分區的困惑。GPT配置設定64bits給邏輯塊位址，因而使得最大分區大小在2^64-1個扇區成為可能。對于每個扇區大小為512位元組的磁盤，那意味着可以有9.4ZB（9.4×10^ 21位元組）或8 ZiB個512位元組（9,444,732,965,739,290,426,880位元組或18,446,744,073,709,551,615（2^64 -1）個扇區×512（2^9）位元組每扇區)。
4.3.2 GPT分區
EFI部分又可以分為4個區域：EFI資訊區(GPT頭)、分區表、GPT分區、備份區域。
PMBR存在的意義就是，當不支援GPT的分區工具試圖對硬碟進行操作時（例如MS-DOS和Linux的fdisk程式），它可以根據這份PMBR以傳統方式啟動，過程和MBR+BIOS完全一緻，極大地提高了相容性。而支援GPT的系統在檢測PMBR後會直接跳到GPT表頭讀取分區表。和MBR類似，分區表中存儲了某個分區的起始和結束位置及其檔案系統屬性資訊，而分區才是實際存在的實體磁盤的一部分。
4.3.3 GUID
GUID 是 Globally Unique Identifier 的縮寫，意為 全局唯一辨別符。
GUID 是一種由算法生成的唯一辨別，通常表示成32個16進制數字（0－9，A－F）組成的字元串，如：{21EC2020-3AEA-1069-A2DD-08002B30309D}，它實質上是一個128位長的二進制整數（4個2進制數代表一個16進制數字）。
GUID的主要目的是産生完全唯一的數字。在理想情況下，任何計算機和計算機叢集都不會生成兩個相同的GUID。GUID的總數也足夠大，達到了2128（3.4×1038）個，是以随機生成兩個相同GUID的可能性是非常小的，但并不為0。是以，用于生成GUID的算法通常都加入了非随機的參數（如時間），以保證這種重複的情況不會發生。
4.4 優缺點
相較于MBR，GPT具有以下優點：
- 得益于LBA提升至64位，以及分區表中每項128位設定，GPT可管理的空間近乎無限大，假設一個扇區大小仍為512位元組，可表示扇區數為，算下來，可管理的硬碟容量=18EB(1EB=1024PB=1,048,576TB)。
- 分區數量幾乎沒有限制。
- 自帶保險，由于在磁盤的首尾部分各帶一個GPT表頭，任何一個受到破壞後都可以通過另一份恢複，極大地提高了磁盤的抗性。
- 循環備援檢驗值針對關鍵資料結構而計算，提高了資料崩潰的檢測幾率。
- 盡管目前分區類型不超過百數，GPT仍提供了16位元組的GUID來辨別分區類型，使其更不容易産生沖突。
- 每個分區都可以擁有一個特别的名字，最長72位元組。
- 完美支援UEFI，畢竟它就是UEFI規範的衍生品。在将來全行業UEFI的情境下，GPT必将更快淘汰MBR。
5、兩種分區方式在啟動系統流程上的差別
6、管理分區
# 列出塊裝置
# lsblk
# 建立分區使用：
# fdisk建立MBR分區
# gdisk建立GPT分區
# parted進階分區操作
# 重新設定記憶體中的核心分區表版本
# partprobe
6.1 lsblk
lsblk指令用于列出所有可用塊裝置的資訊，而且還能顯示他們之間的依賴關系，但是它不會列出RAM盤的資訊。塊裝置有硬碟，閃存盤，CD-ROM等等。
常用選項：
-a, --all # 顯示所有裝置。
-b, --bytes # 以bytes方式顯示裝置大小。
-d, --nodeps # 不顯示 slaves 或 holders。
-D, --discard # print discard capabilities。
-e, --exclude <list> # 排除裝置 (default: RAM disks)。
-f, --fs # 顯示檔案系統資訊。
-h, --help # 顯示幫助資訊。
-i, --ascii # use ascii characters only。
-m, --perms # 顯示權限資訊。
-l, --list # 使用清單格式顯示。
-n, --noheadings # 不顯示标題。
-o, --output <list> # 輸出列。
-P, --pairs # 使用key="value"格式顯示。
-r, --raw # 使用原始格式顯示。
-t, --topology # 顯示拓撲結構資訊。
示例：
[[email protected] ~]# lsblk
NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda 8:0 0 120G 0 disk
├─sda1 8:1 0 1G 0 part /boot
└─sda2 8:2 0 119G 0 part
├─centos-root 253:0 0 50G 0 lvm /
├─centos-swap 253:1 0 2G 0 lvm [SWAP]
└─centos-home 253:2 0 67G 0 lvm /home
sdb 8:16 0 10G 0 disk /mnt/mydata
sdc 8:32 0 2G 0 disk
└─sdc1 8:33 0 1G 0 part [SWAP]
sr0 11:0 1 10G 0 rom
# 字段解釋：
NAME # 這是塊裝置名
MAJ:MIN # 本欄顯示主要和次要裝置号
RM # 本欄顯示裝置是否可移動裝置。注意，在本例中裝置sdb和sr0的RM值等于1，這說明他們是可移動裝置
SIZE # 本欄列出裝置的容量大小資訊。例如298.1G表明該裝置大小為298.1GB，而1K表明該裝置大小為1KB
RO # 該項表明裝置是否為隻讀。在本案例中，所有裝置的RO值為0，表明他們不是隻讀的
TYPE # 本欄顯示塊裝置是否是磁盤或磁盤上的一個分區。在本例中，sda和sdb是磁盤，而sr0是隻讀存儲（rom）
MOUNTPOINT # 本欄指出裝置挂載的挂載點
6.2 parted指令
# 磁盤分區和分區大小調整工具
# parted的操作都是實時生效的，小心使用
# 用法：parted [選項]... [裝置[指令[參數]...]...]
# parted /dev/sdbmklabelgpt|msdos
# parted /dev/sdbprint
# parted /dev/sdbmkpartprimary 1 200 （預設M）
# parted /dev/sdbrm1
# parted –l 列出分區資訊
6.3 分區工具fdisk和gdisk
fdisk 提供了一個互動式接口來管理分區，它有許多子指令，分别用于不同的管理功能；所有的操作均在記憶體中完成，沒有直接同步到磁盤；直到使用w指令儲存至磁盤上。
注意：在已經分區并且已經挂載其中某個分區的磁盤裝置上建立的新分區，核心可能在建立完成後無法直接識别。
# gdisk / dev / sdb 類 fdisk 的 GPT分區工具
# fdisk -l [-u] [device...] 檢視分區
# fdisk/dev/sdb 管理分區
# 子指令：
# p 顯示現有分區資訊
# t 更改分區類型
# n 建立新分區
# d 删除分區
# v 校驗分區
# u 轉換機關
# w 儲存并退出
# q 不儲存并退出
# l 檢視所有已經ID
# m 檢視幫助
在主分區1到主分區3建立完畢後，隻有使用 e 建立擴充分區後，才能繼續在擴充分區的基礎上繼續建立分區。
但是需要注意的是，一般主分區1、主分區2、主分區3和擴充分區（e）要把全部的磁盤空間配置設定完，不然剩下的磁盤空間會無法使用。
一般都是把擴充分區配置設定磁盤剩餘空間，然後在擴充分區的基礎上建立新的分區。
6.4 同步分區表
# 檢視核心是否已經識别新的分區
# cat /proc/partations
# centos6,7：通知核心重新讀取硬碟分區表
新增分區用
# partx -a /dev/DEVICE
# kpartx -a /dev/DEVICE -f
# 删除分區用
# partx -d --nrM -N /dev/DEVICE
# CentOS 5: 使用 partprobe
# partprobe [/dev/DEVICE]
6.5 partx 示例
在建立完分區後，需要用以下指令，對磁盤重讀分區資訊。建立分區才會被識别。
[[email protected] ~]# partx -a /dev/sdh
partx: /dev/sdh: error adding partitions 1-5
7、新增磁盤分區總體示例
7.1 磁盤資訊檢視
[[email protected] tmp]# fdisk -l
Disk /dev/vda: 107.4 GB, 107374182400 bytes, 209715200 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk label type: dos
Disk identifier: 0x000ad887
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/vda1 * 2048 2099199 1048576 83 Linux
/dev/vda2 2099200 20971519 9436160 8e Linux LVM
7.2 增加新分區 /dev/vda3 ，格式為 LVM
[[email protected] tmp]# fdisk /dev/vda
Welcome to fdisk (util-linux 2.23.2).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.
Command (m for help): n
Partition type:
p primary (2 primary, 0 extended, 2 free)
e extended
Select (default p):
Using default response p
Partition number (3,4, default 3):
First sector (20971520-209715199, default 20971520):
Using default value 20971520
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (20971520-209715199, default 209715199): +10G
Partition 3 of type Linux and of size 10 GiB is set
Command (m for help): t
Partition number (1-3, default 3): 3
Hex code (type L to list all codes): L
8 AIX 4e QNX4.x 2nd part 8e Linux LVM df BootIt
Hex code (type L to list all codes): 8e
Changed type of partition 'Linux' to 'Linux LVM'
Command (m for help): w
The partition table has been altered!
Calling ioctl() to re-read partition table.
WARNING: Re-reading the partition table failed with error 16: Device or resource busy.
The kernel still uses the old table. The new table will be used at
the next reboot or after you run partprobe(8) or kpartx(8)
Syncing disks.
7.3 進行新增分區檢視
[[email protected] tmp]# fdisk -l
Disk /dev/vda: 107.4 GB, 107374182400 bytes, 209715200 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk label type: dos
Disk identifier: 0x000ad887
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/vda1 * 2048 2099199 1048576 83 Linux
/dev/vda2 2099200 20971519 9436160 8e Linux LVM
/dev/vda3 20971520 41943039 10485760 8e Linux LVM
7.4 通知核心，重讀分區
[[email protected] tmp]# partx -a /dev/vda
partx: /dev/vda: error adding partitions 1-2
[[email protected] tmp]# partx -a /dev/vda
partx: /dev/vda: error adding partitions 1-3
7.5 對新增分區進行檔案系統部署
[[email protected] tmp]# mkfs.ext4 /dev/vda3
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks
655360 inodes, 2621440 blocks
131072 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=0
Maximum filesystem blocks=2151677952
80 block groups
32768 blocks per group, 32768 fragments per group
8192 inodes per group
Superblock backups stored on blocks:
32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632
Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done
7.6 對新增分區進行挂載使用
[[email protected] tmp]# mount /dev/vda3 /tangtang/
[[email protected] tmp]# cd /tangtang/
[[email protected] tangtang]# ll
total 16
drwx------ 2 root root 16384 Oct 31 10:51 lost+found # 顯示此目錄，說明挂載成功
7.7 編輯 /etc/fstab 檔案，實作開機自動挂載
[[email protected] tangtang]echo "/dev/vda3 /tangtang ext4 defaults 0 0" >> /etc/fsta