磁盤存儲

機械硬碟的原理，分區類型，磁盤管理工具

裝置檔案

• Linux上一切皆檔案，包括硬碟，網卡…
• 檔案一般包含：open(),read(),write(),close()

• 裝置類型：

  （1）塊裝置：block，存取機關：block，典型的塊裝置：磁盤

    特性①通路機關：block 512B或4K ;塊裝置的存/取都是以塊為機關進行的，若讀取一個位元組資料，進行的操作是先将所要讀取的block讀至記憶體中，然後由CPU進行處理，CPU可以一個一個進行處理，磁盤的存取均是一塊為最小機關的。

    特性②随機讀寫：塊裝置的讀寫是随機的

    特性③支援緩存：塊裝置支援緩存，緩存可加速讀取

  （2）字元裝置：char，存取機關：字元 ，典型的字元裝置：鍵盤

    特性①通路機關：char

    特性②順序讀寫

    特性③無緩存

• 裝置檔案：關聯至一個裝置驅動程式，進而能夠跟與之對應硬體裝置進行通信

• 裝置号碼：

  主裝置号：major number，辨別裝置類型

  次裝置号：minor number，辨別同一類型的不同裝置

  注意： Linux上主次裝置号相同就表示同一裝置

可使用mknod - 建立裝置
mknod 裝置名  裝置類型  主裝置号  次裝置号
    [[email protected] test]# ll /dev/sr0
    brw-rw----+ 1 root cdrom 11, 0 Aug  2 18:03 /dev/sr0
    [[email protected] test]# mknod /dev/cd   b  11  0 
    [[email protected] test]# ll /dev/cd
    brw-r--r-- 1 root root 11, 0 Aug  8 13:41 /dev/cd
    [[email protected] test]# mount /dev/cd /data/test/
    [[email protected] data]# ls -n1 test/
.... /dev/cd内容部分顯示
/dev/cd和CD光牒内容一樣，/dev/cd 與/dev/sr0 為同一裝置
    drwxr-xr-x 3 0 0    2048 Nov 26  2018 images
    drwxr-xr-x 2 0 0    2048 Nov 26  2018 isolinux
    drwxr-xr-x 2 0 0    2048 Nov 26  2018 LiveOS
    drwxrwxr-x 2 0 0 1656832 Nov 25  2018 Packages
           

• 硬碟接口類型：

  并行：

    IDE：133MB/s

    SCSI：640MB/s

  序列槽：

    SATA：6Gbps

    SAS：6Gbps

    USB：480MB/s

• 裝置命名：

  1）centos版本差異：

  centos5及之前版本将IDE接口的硬碟命名為：/dev/hd

    其餘類型接口命名為：/dev/sd

    CD光牒在5版本上被命名為：/dev/hdc

  centos6開始：所有接口類型的硬碟統一命名為：/dev/sd

    CD光牒被命名為：/dev/sr0

  2）裝置命名

    磁盤裝置的裝置檔案名：/dev/DEVICENAME

    SCSI，SATA，SAS，IDE，USE：/dev/sd

    虛拟磁盤：/dev/vd（kvm），/dev/xvd

    不同磁盤辨別：a-z，aa，ab…

      /dev/sda,/dev/sdb,…

    同一裝置上的不同分區：1，2，3…

      /dev/sda1,/dev/sda2…

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、容量占有絕對優勢
• 機械硬碟故障資料可恢複，固态硬碟損壞，資料不可恢複，硬碟損壞很常見，是以備份必不可少，而在存儲資料方面，一般選擇機械硬碟，固态硬碟目前不能完全取代機械硬碟

• Linux中機械硬碟與固态硬碟如何區分？

  Linux中有一個辨別可以區分機械硬碟與固态硬碟：

    檢視/dev/sda硬碟類型

    cat /sys/block/sda/queue/rotational

     1 – 機械硬碟

     0 – 固态硬碟

     rotational – 是旋轉，轉速之意

機械硬碟的結構

• 硬碟存儲的術語：

  head：磁頭

  track：磁道

  sector：扇區,512bytes

  cylinder：柱面

• 機械硬碟結構

CHS前期的扇區劃分：

CHS采用24bit尋址

特點：track=sector

前10bit cylinder

中間8bit head

後面6bit sector

cylinder - head - sector 硬碟三圍

是以磁盤總空間 = cylinder * head * sector * 512 = 8G

最大尋址空間即磁盤總容量為8G

CHS的缺點：CHS的尋址空間最大為8G，在磁盤容量大于8G時，CHS不适用

後期扇區劃分 ：ZBR（Zoned Bit Recording）

LBA（logical block addressing）隻關心扇區

  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

• 根據硬碟的結構，可實作加速IO通路的優化方式

  ①從實體角度：将機械硬碟換成固态硬碟？

  ②從實體角度：機械硬碟的轉速、緩存

  ③資料在機械硬碟存放的位置：資料存放至連續的空間，即同一柱面，通路較快

  ④放置于标号較小的柱面，即磁盤靠外；相同時間内，在靠外圈的柱面讀取速率較快

機械硬碟的使用

• 磁盤分區，為什麼磁盤要分區?

  優化IO性能

  實作磁盤空間配額限制

  提高修複速度

  隔離作業系統和程式

  安裝多個作業系統

  采用不同的檔案系統

• 磁盤分區方式有兩種：MBR，GPT

MBR分區方式

• 1）MBR：Master Boot Record （主引導記錄）

• 2）MBR分區特點:

    ①使用32位表示扇區數

    ②分區不超過2T

    ③按柱面進行分區

    ④主分區+擴充分區最多4個

    ⑤分區資訊無備份，分區資訊被破壞，即使硬碟資料猶在也無法通路

• 3）0磁道0扇區：512 bytes

    446 bytes ：boot loader

     64 bytes : 分區表，16位辨別一個分區

     2 bytes ：55AA 此位有辨別，表示磁盤分區

• 4）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

GPT分區方式

• 1）GPT：GUID（Globals Unique Identifiers） partition table 支援128個分區，使用64位，支援8Z（ 512Byte/block ）64Z （ 4096Byte/block）
• 2）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
• 3）UEFI (Unified Extensible Firmware Interface 統一可擴充固件接口)硬體支援GPT，使作業系統啟動

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

管理分區

• 列出塊裝置

  lsblk

  cat /proc/partitions

    這兩個指令均是檢視記憶體分區資訊，在剛執行完分區操作時，記憶體中的分區表未同步磁盤分區表時，上述兩個指令檢視的分區并不精确

• 建立分區使用：

  fdisk：建立MBR分區

  gdisk：建立GRT分區

  parted：進階分區操作，既可以建立MBR分區，又可以建立GRT分區

• 重新設定記憶體中的核心分區表版本

  partprobe

fdisk

• fdisk - 管理小于2T的硬碟，擅長管理MBR分區；超過2T必須采用GPT分區方式
• 對GPT的相容性不是特别好，目前不建議使用fdisk管理GPT分區
• fdisk 互動式指令，其對硬碟分區時，隻在記憶體中儲存，在w之前，均可以撤銷。
• 注意： fdisk其後是對硬碟進行分區，不要fdisk /dev/sda1不要對分區再分區，這樣fdisk不會報錯，但操作無效。

• fdisk 指令選項：

  fdisk -l[u]：檢視磁盤分區資訊（檢視的磁盤分區資訊，不是記憶體中分區資訊）

• fdisk DEVICE 管理分區

  子指令：

    p 分區清單

    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 保持并退出

    q 不儲存退出

fdisk進行分區操作：

檢視MBR資訊：

可見boot loader 中全部是0，表示為非活動，說明boot loader上沒有系統引導的相關檔案，做資料盤，和作業系統無關。其中白色高亮部分是分區表資訊，4個主分區表資訊。擴充分區資訊在擴充分區自己裡面存放的分區資訊。

删除分區：

注意： 在管理硬碟分區時，盡量不要寫裝置名，因為裝置名在删除時會發生變化，尤其是在配置檔案中，不要寫裝置名。當删除裝置時裝置發生改變，可能導緻服務出現問題。

centos6和centos7使用fdisk

centos7 分區以扇區為機關，centos7設計得更加完善和精确。

centos6 分區以柱面為機關，以柱面為機關分區就會存在柱面中間有剩餘的空間未使用，若選擇預設分區時，有時可能會掉坑中~~，分區大小很小并且不能選擇。

centos6上以柱面為機關，柱面會出現跨分區情況：

gdisk

• gdisk - 用于GPT分區表格磁盤的分區或查詢
• 用法與fdisk一緻；此處不再累述

parted

• parted - 管理分區，既能互動式方式，又能非互動式方式運作
• 注意： parted的操作都是實時生效的，小心使用
• 支援msdos和gpt，可以支援大硬碟，也可支援小硬碟

• parted選項：

  parted /dev/sdb mklabel gpt|msdos

  parted /dev/sdb print

  parted /dev/sdb rm 1

  parted -l 列出分區資訊

  parted mkpart part-type [fs-type] start end

  part-type：btrfs, ext2, ext3, ext4, fat16, fat32, hfs, hfs+, linux-swap, ntfs, reiserfs ,xfs.

  [fs-type] :在MBR中為primary 主分區

  start end ：從開始到結束，預設是位元組（MB）

• parted 可以寫在腳本中，批量建立分區

parted互動式操作：

parted檢視磁盤資訊

parted建立标簽，即采取哪種分區方式：

檢視标簽：

可以看到/dev/sdb前512個位元組的資訊，最後兩個位元組存在：55AA

55AA表示分區已存在

當然采用GPT分區方式時，/dev/sdb在前512位元組的最後兩個位元組：55AA

建立分區：

在VMware中添加新磁盤後掃描：
    echo '- - -' > /sys/class/scsi_host/host0/scan
    echo '- - -' > /sys/class/scsi_host/host1/scan
    echo '- - -' > /sys/class/scsi_host/host2/scan
           

同步分區表

• 檢視核心是否已經辨別新的分區：

  cat /proc/partations

• centos 6 通知核心重新讀取硬碟分區表

  1）新增分區：

  partx -a /dev/sd*

  kpartx -a /dev/sd* -f: force

  2）删除分區：

  partx -d --nr M_N /dev/sd*

  3）

  centos 6 使用partprobe 沒有作用。

• centos 5 和centos 7 使用partprobe

  partprobe [/dev/sd*]