Linux学习7 磁盘与分区的基础知识

Linux学习7 磁盘与分区基础知识

• ​​一、硬盘分类​​

• ​​1. SAS 硬盘​​
• ​​2. SATA​​
• ​​3. SSD硬盘​​
• ​​4. SCSI硬盘​​
• ​​5. IDE硬盘​​

• ​​二、磁盘知识​​
• ​​三、在深度系统中打开分区编辑器查看磁盘信息：​​
• ​​四、分区表​​

• ​​1. 下面重点看看MBR分区表​​

• ​​在深度系统使用下面命令读取MBR记录：​​
• ​​使用C从扇区读取文件​​
• ​​扩展分区​​

• ​​2. GPT分区（GUID Partition Table）​​

• ​​五、Linux的磁盘文件名​​
• ​​六、Linux 常用的文件格式​​
• ​​七、索引节点inode​​
• ​​八、交换分区​​

• ​​1. 基本概念​​
• ​​2. 一些操作命令​​

• ​​九、几个分区命令​​

一、硬盘分类

1. SAS 硬盘

(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI接口硬盘，是新一代的SCSI技术，和现在流行 Serial ATA(SATA)硬盘硬盘相同，更高速度、缩短连结线，向下兼容SATA。

SAS与SATA对比：

SAS接口：

尺寸一般有两种：

• 3.5英寸SAS
• 2.5英寸SAS，一般笔记本使用。

示例：希捷300GB/15000转/SAS(ST3300657SS)

• 缓存：64M
• 接口速率：6Gb/s
• 平均寻道时间：3.4/3.9ms
• 参考价：1350

网上购买SAS时，会发现有T级的企业级SAS，但价格会比300G的便宜。要看转速是7200转还是15000转。真正SAS盘目前是300G/600G。

• 真SAS盘：容量 146G/300G/600G 转速15K/10K。缓存64M/128M。接口速率3Gb/s或6Gb/s。
• 假SAS盘：1T/2T ， 7200转。容量大、便宜、支持热插拔。SATA盘体+SAS接口。在存储上用的比较多。

2. SATA

SATA（Serial ATA）硬盘，又称串口硬盘，用来取代传统的PATA硬盘。由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会在2002年确认了Serial ATA 2.0规范。

示例：希捷500G/7200转/SATA(ST9500530NS)

• 企业级SATA。
• 接口速率：3Gb/s
• 盘体尺寸：2.5英寸
• 缓存：128M
• 参考报价：1200

3. SSD硬盘

固态硬盘，由控制单元和存储单元(Flash/dram)组成，使用SATA接口。

示例：Intel SSD 520Series

• 240G，
• 参考：1140元

4. SCSI硬盘

过时的硬盘。
示例：ST3146707LW
缓存：8M

5. IDE硬盘

IDE即Integrated Drive Electronics，控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，IDE是表示硬盘的传输接口。常说的IDE接口，也称为ATA、PATA接口。

其并行传输时，8位互相干扰。速度越快，干扰越大，传输出错时，要同时重新专8位。串口传输的时钟频率比并口高。

二、磁盘知识

（图片来源博客源尖尖毛草博客）

传统的机配磁盘由盘片、机械臂、马达构成。 一块磁盘会有多个盘片。

• 磁道：盘片上一圈圈灰色同心圆。
• 扇区：磁道上一段圆弧，盘片上最小的物理存储单位，主要有512B和4KB两种格式。

(图片来源：博客园尖尖毛草博客）

• 柱面：扇区组成一个圆，上图中蓝色部分。 一个盘片上下两面都可读写，使用两个磁头读写。

老式磁盘中，每个磁道的扇区数是相等的，所以越往圆心存储密度越高。
现代磁盘改为等密度结构，外围磁道的扇区数量大于内圈磁道，寻址方式也改为以扇区为单位的线性寻址。 为了与老式3D寻址兼容，现代磁盘控制器使用地址翻译器把3D寻址参数转为线性参数。

三、在深度系统中打开分区编辑器查看磁盘信息：

四、分区表

早期的分区以柱面为最小分区单位；现在的分区通常使用扇区为最小分区单位。每个扇区有一个自己的号码。磁盘分区表主要有MBR和GPT两种格式，GPT格式可以支持2T以上容量。

• 主分区：一块硬盘取多4个主分区。主分区激活就可以用来启动。
• 扩展分区：早期设计的硬盘只能分4个分区。后来建了sda4做为扩展分区，称为逻辑分区。
• 逻辑分区可以有很多个。
• Linux限制，一块硬盘主分区+扩展分区 最多只有4个。计算机的分区多于4个余下空间不能使用。

1. 下面重点看看MBR分区表

早期的Linux为了兼容Windows的磁盘，使用了支持Windows的MBR。MBR全称是Master Boot Record，通常放在磁盘的第一个扇区。这个扇区通常为512字节大小，当中包括两种东西：

• 主引导记录：446字节
• 分区表：64字节，最多只能有4组记录区，每组记录区记录该区起止柱面号码。

在深度系统使用下面命令读取MBR记录：

sudo dd if=/dev/sda  of=~/bootsector bs=512 count=1

使用​​vim -b ~/bootsector​​​打开查看 （在vim命令模式下输入​​:%!xxd​​ 显示16进制模式）

末尾的55aa是标志位，图中选中的 ​​​8020​​开始即第一个分区信息，

• 第1字节80 表示是活动分区（00表示非活动分区）
• 第5字节83表示分区类型是Linux分区（8e为Linux LVM分区）

如果要改动文件，可以使用

sudo dd if=~/bootsector of=/dev/sda bs=512 count=1

写回磁盘。

使用C从扇区读取文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <libgen.h>
#include <unistd.h>

static void usage(char *prog_name)
{
    fprintf(stderr, "usage: %s device start count\n", prog_name);
    fprintf(stderr, "example: %s /dev/sda 0 512\n", prog_name);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char buf[4096];
    int fd = 0;
    int i = 0;
    int j = 0;
    int start = 0;
    int count = 0;
    char *device = NULL;

    if(argc != 4){
        usage(basename(argv[0]));
        exit(1);
    }
    
    device = argv[1];
    start = atol(argv[2]);
    count = atol(argv[3]);

    // 把磁盘像文件一样打开
    fd = open(device, O_RDONLY);
    if(-1 == fd){
        fprintf(stderr, "cannot open device");
        exit(1);
    }    
    // 找到起始位置
    if(lseek(fd, start, SEEK_SET) != start){
        fprintf(stderr, "cannot seek at %d", start);
        exit(1);
    }
    
    // 挨个字节读出来
    while(count > 0){
        int size = count > sizeof(buf) ? sizeof(buf) : count;

        read(fd, buf, size);
        
        /* 每行显示16个字节 每两个字节间以空格分开 */
        for(i = 0; i < size/16; i++){
            fprintf(stdout,"%08x:", i*16+start);
            for(j = 0; j < 16; j++){
                fprintf(stdout, " %02x", (int)buf[i*16+j] & 0xFF);    
            }
            fprintf(stdout,"\n");
            fflush(stdout);
        }
        count -= size;
        start += size;
    }
}

​​gcc​​编译运行：

扩展分区

分区记录里分一个扩展分区出来，然后在扩展分区前几个扇区用来再记录逻辑分区。
Linux的SATA硬盘逻辑分区可以突破63个。

2. GPT分区（GUID Partition Table）

由于 MBR分区 每个分区表只有16字节，一个分区被限制最大只能使用2.2TB的磁盘。
GPT将扇区以逻辑区块（Logincal Block Address，LBA）来处理，一个LBA默认512字节，第一个LBA就是LBA0.

• GPT使用了34个LBA来记录分区信息
• GPT把磁盘的最后34个LBA拿来作备份。
• LBA0：用来兼容MBR，存储了启动引导程序。
• LBA1：GPT表头记录
• LBA2-33：实际记录分区信息，每个LBA放4组分区记录，每组记录用到128字节空间。GPT分区表对单一分区容量限制达8ZB(1ZB=2³⁰TB)
  GPT 没有了主分区、逻辑分区的区分 。

五、Linux的磁盘文件名

• 老的ide接口，使用​​/dev/hd​​开头，现在已经很少使用；
• 现在物理磁盘一般模拟成​​/dev/sd[a-p]​​​格式，第一块磁盘为​​/dev/sda​​​；
  分区的文件名以第一块磁盘为例，为​​​/dev/sda[1-128]​​。
• 虚拟机的磁盘通常是​​/dev/vd[a-p]​​ （比如用阿里的ECS）
• 磁盘阵列通常是​​/dev/md[0-128]​​
• LVM是​​/dev/VGNAME/LVNAME​​

六、Linux 常用的文件格式

Linux较早的文件系统使用的是ext2。
centos6： 以ext4为主 。
centos7： 以xfs为主，大文件系统，日志型 ，文件可以修复。
执行命令： cat /etc/fstab

七、索引节点inode

每个存储设备或存储设备的分区被格式化为文件系统后有两部分：block+inode
文件存储在硬盘上，最小存储单位是扇区，每个扇区可能是512Byte。但操作系统读取硬盘时，不会一个一个扇区读，而是一次性连续读多个扇区，多个扇区称为一个“块”。
多个扇区组成的块，是文件存取的最小单位。
“块”的大小，常见的有4B，即连续8个扇区。块用来存储数据，而inode用来存储这些数据元信息，主要包括：

• 文件大小
• 文件所属用户User ID
• 文件的Group ID
• 文件的读/写权限
• 文件的时间戳
• 链接数
• 文件数据Block的位置
  inode为每个文件进行信息索引，所以就有了inode的数值。操作系统根据指令，可以通过inode值快速找到相对应的文件。

使用stat命令可以查看文件的inode信息：

$ stat linux2-4.mov
16777220 3753644 -rw-r--r-- 1 apple staff 0 674287083 "Jul  9 23:49:23 2020" "Jul  9 23:07:22 2020" "Jul  9 23:07:23 2020" "Jul  9 23:07:08 2020" 4096 1344096 0 linux2-4.mov

硬盘在格式化的时候，操作系统会将硬盘分成两个区域：数据区、inode区。
每个inode节点的大小一般为128B或256B；
inode节点的数量在格式化时给定，一般是每1K或每2K设置一个inode。

如果一块1G的硬盘，每个inode节点大小为128B，每1K就设置一个inode，那inode占的空间会达到128M，占硬盘的12.8%。

​​df -i​​ 命令可以查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量。

八、交换分区

1. 基本概念

Linux的交换分区类似于Windows的虚拟内存，把硬盘虚拟一块充当内存使用。
在安装Linux时，一般建议安装一个根分区、一个交换分区。
Linux下可以创建两种类型的交换空间：

• swap分区（适合有空闲的分区可使用）
• swap文件适合于没有空的硬盘分区，硬盘的空间都已经分配完毕。

2. 一些操作命令

# 查看磁盘空间占用情况
free -h
# 查看交换分区的位置
swapon -s
# 停掉swap分区，注意剩余的内存比swap的内存的空间要大，否则可能会宕机。这一步比较慢。
swapoff /swapfile # /swapfile是上面一步swapon -s 显示的位置 
free -h
# 启动swap分区
swapon -a

九、几个分区命令

# 分区查看
lsblk
# 查看lvm物理分段
pvdisplay -v -m
# 查看分区表
sudo fdisk -l