第 6 堂課：基礎檔案系統管理

6.1.1：磁碟檔名與磁碟分割

磁碟內的圓形磁碟盤常見的物理特性如下：

• 磁區(Sector)為最小的物理儲存單位，目前主要有 512bytes 與 4K 兩種格式；
• 將磁區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)(在此忽略磁軌)；
• 分割的最小單位可能是磁柱 (cylinder) 也可能是磁區 (sector)，這與分割工具有關
• 磁碟分割表主要有兩種格式，分別是 MBR 與 GPT 分割表。
• MBR 分割表中，第一個磁區最重要，裡面有：
  • (1)主要開機區(Master boot record, MBR) 446 bytes 及
  • (2)分割表(partition table) 64 bytes。
• GPT 分割表除了分割數量擴充較多之外，支援的磁碟容量也可以超過 2TB。

整顆磁碟必須要經過分割之後，Linux 作業系統才能夠讀取分割槽內的檔案系統。目前的 Linux 磁碟分割主要有兩種分割， 分別為早期的 MBR 與現今的 GPT。由於 MBR 會有 2TB 容量的限制，但目前的磁碟容量已經都超過 2TB 來到 8TB 以上的等級， 因此 MBR 的分割類型就不太適用了。

磁碟檔名主要為 /dev/sd[a-p] 這種實體磁碟的檔名，以及透過 virtio 模組加速的 /dev/vd[a-p] 的虛擬磁碟檔名。 由於虛擬機器的環境中，大部分磁碟的容量還是小於 2TB 的條件，因此傳統的 MBR 還是有其存在的需求的。

• MBR 磁碟分割的限制

由於 MBR 的紀錄區塊僅有 64 bytes 用在分割表，因此預設分割表僅能紀錄四筆分割資訊。所謂的分割資訊即是紀錄開始與結束的磁區。 這四筆紀錄主要為『主要分割槽 (primary)』與『延伸分割槽 (extended)』。延伸分割不能被格式化應用， 需要再從延伸分割當中割出『邏輯分割 (logical)』之後，才能夠應用。以 P 代表主要、E 代表延伸、L 代表邏輯分割槽， 則相關性為：

• 主要分割與延伸分割最多可以有四筆(硬碟的限制)
• 延伸分割最多只能有一個(作業系統的限制)
• 邏輯分割是由延伸分割持續切割出來的分割槽；
• 能夠被格式化後，作為資料存取的分割槽為主要分割與邏輯分割。延伸分割無法格式化；
• 邏輯分割的數量依作業系統而不同，在Linux系統中SATA硬碟已經可以突破63個以上的分割限制；

• GPT 磁碟分割

常見的磁碟磁區有 512bytes 與 4K 容量，為了相容於所有的磁碟，因此在磁區的定義上面， 大多會使用所謂的邏輯區塊位址(Logical Block Address, LBA)來處理。GPT 將磁碟所有區塊以此 LBA(預設為 512bytes) 來規劃，而第一個 LBA 稱為 LBA0 (從 0 開始編號)。

與 MBR 僅使用第一個 512bytes 區塊來紀錄不同， GPT 使用了 34 個 LBA 區塊來紀錄分割資訊！ 同時與過去 MBR 僅有一的區塊的情況不同， GPT 除了前面 34 個 LBA 之外，整個磁碟的最後 33 個 LBA 也拿來作為另一個備份！

LBA2 ~ LBA33 為實際紀錄分割表的所在，每個 LBA 紀錄 4 筆資料，所以共可紀錄 32*4=128 筆以上的分割資訊。 因為每個 LBA 為 512bytes，因此每筆紀錄可佔用 512/4=128 bytes 的紀錄，因為每筆紀錄主要紀錄開始與結束兩個磁區的位置， 因此紀錄的磁區位置最多可達 64 位元，若每個磁區容量為 512bytes ，則單一分割槽的最大容量就可以限制到 8ZB， 其中 1ZB 為 2^30 TB。

此外，每筆 GPT 的分割紀錄，都是屬於 primary 的分割紀錄，可以直接拿來進行格式化應用的。

6.1.2：Linux 的 EXT2 檔案系統

新的作業系統在規劃檔案系統時，一般檔案會有屬性(如權限、時間、身份資料紀錄等)以及實際資料的紀錄， 同時整個檔案系統會紀錄全部的資訊，因此通常檔案系統會有如下幾個部份：

• superblock：記錄此 filesystem 的整體資訊，包括inode/block的總量、使用量、剩餘量， 以及檔案系統的格式與相關資訊等；
• inode：記錄檔案的屬性，一個檔案佔用一個inode，同時記錄此檔案的資料所在的 block 號碼；
• block：實際記錄檔案的內容，若檔案太大時，會佔用多個 block 。

以 EXT2 檔案系統為例，為了簡化管理，整個檔案系統會將全部的內容分出數個區塊群組 (block group)， 每個區塊群組會有上述的 superblock/inode/block 的紀錄，可以下圖示意：

• Superblock (超級區塊)

superblock 為整個檔案系統的總結資訊處，要讀取檔案系統一定要從 superblock 讀起。superblock 主要紀錄資料為：

• block 與 inode 的總量；
• 未使用與已使用的 inode / block 數量；
• block 與 inode 的大小 (block 為 1, 2, 4K，inode 為 128bytes 或 256bytes)；
• filesystem 的掛載時間、最近一次寫入資料的時間、最近一次檢驗磁碟 (fsck) 的時間等檔案系統的相關資訊；
• 一個 valid bit 數值，若此檔案系統已被掛載，則 valid bit 為 0 ，若未被掛載，則 valid bit 為 1

• inode table (inode 表格)

每一個 inode 都有號碼，而 inode 的內容在記錄檔案的屬性以及該檔案實際資料是放置在哪幾號 block 內。 inode 記錄的檔案資料至少有底下這些：

• 該檔案的存取模式(read/write/excute)；
• 該檔案的擁有者與群組(owner/group)；
• 該檔案的容量；
• 該檔案建立或狀態改變的時間(ctime)；
• 最近一次的讀取時間(atime)；
• 最近修改的時間(mtime)；
• 定義檔案特性的旗標(flag)，如 SetUID...；
• 該檔案真正內容的指向 (pointer)；

由於每個檔案固定會佔用一個 inode，而目前檔案所記載的屬性資料越來約多，因此 inode 有底下幾個特色：

• 每個 inode 大小均固定為 128 bytes (新的 ext4 與 xfs 可設定到 256 bytes)；
• 每個檔案都僅會佔用一個 inode 而已；
• 承上，因此檔案系統能夠建立的檔案數量與 inode 的數量有關；
• 系統讀取檔案時需要先找到 inode，並分析 inode 所記錄的權限與使用者是否符合，若符合才能夠開始實際讀取 block 的內容。

• data block (資料區塊)

檔案實際的資料存放在 data block 上面，每個 block 也都會有號碼，提供給檔案來儲存實際資料，也讓 inode 可以紀錄資料放在哪個 block 號碼內。

• 原則上，block 的大小與數量在格式化完就不能夠再改變了(除非重新格式化)；
• 每個 block 內最多只能夠放置一個檔案的資料；
• 承上，如果檔案大於 block 的大小，則一個檔案會佔用多個 block 數量；
• 承上，若檔案小於 block ，則該 block 的剩餘容量就不能夠再被使用了(磁碟空間會浪費)。

一般來說，檔案系統內的一個檔案被讀取時，流程是這樣的：

1. 讀到檔案的 inode 號碼
2. 由 inode 內的權限設定判定使用者能否存取此檔案
3. 若能讀取則開始讀取 inode 內所紀錄的資料放置於哪些 block 號碼內
4. 讀出 block 號碼內的資料，組合起來成為一個檔案的實際內容。

至於新建檔案的流程則是這樣的：

1. 有寫入檔案的需求時，先到 metadata 區找到沒有使用中的 inode 號碼
2. 到該 inode 號碼內，將所需要的權限與屬性相關資料寫入，然後在 metadata 區規範該 inode 為使用中，且更新 superblock 資訊
3. 到 metadata 區找到沒有使用中的 block 號碼，將所需要的實際資料寫入 block 當中，若資料量太大，則繼續到 metadata 當中找到更多的未使用中的 block 號碼，持續寫入，直到寫完資料為止。
4. 同步更新 inode 的紀錄與 superblock 的內容。

至於刪除檔案的流程則是這樣的：

1. 將該檔案的 inode 號碼與找到所屬相關的 block 號碼內容抹除
2. 將 metadata 區域的相對應的 inode 與 block 號碼規範為未使用。
3. 同步更新 superblock 資料。

6.1.3：目錄與檔名

當使用者在 Linux 下的檔案系統建立一個目錄時，檔案系統會分配一個 inode 與至少一塊 block 給該目錄。其中，inode 記錄該目錄的相關權限與屬性，並可記錄分配到的那塊 block 號碼； 而 block 則是記錄在這個目錄下的檔名與該檔名佔用的 inode 號碼資料。也就是說目錄所佔用的 block 內容在記錄如下的資訊：

前一小節提到讀取檔案資料時，最重要的就是讀到檔案的 inode 號碼。然而讀者實際操作系統時，並不會理會 inode 號碼， 而是透過『檔名』來讀寫資料的。因此，目錄的重要性就是記載檔名與該檔名對應的 inode 號碼。

6.1.4：ln 連結檔的應用

從前一小節的練習當中讀者可以發現到目錄的預設連結數 (使用 ls -l 觀察檔名的第二個欄位) 為 2， 這是因為每個目錄底下都有 . 這個檔名，而這個檔名代表目錄本身，因此目錄本身有兩個檔名連結到同一個 inode 號碼上， 故連結數至少為 2 。又同時每個目錄內都有 .. 這個檔名來代表父目錄，因此每增加一個子目錄，父目錄的連結數也會加 1 。

由於連結數增加後，若檔名刪除時，其實 inode 號碼並沒有被刪除，因此這個『實體連結』的功能會保護好原本的檔案資料。 使用者可以透過 ln 這個指令來達成實體連結與符號連結 (類似捷徑) 的功能。

6.1.5：檔案系統的掛載

就像隨身碟放入 windows 作業系統後，需要取得一個 H:\> 或者是其他的磁碟名稱後才能夠被讀取一樣， Linux 底下的目錄樹系統中，檔案系統裝置要能夠被讀取，就得要與目錄樹的某個目錄連結在一起，亦即進入該目錄即可看到該裝置的內容之意。 該目錄就被稱為掛載點。

觀察掛載點的方式最簡單為使用 df (display filesystem) 這個指令來觀察，而讀者也可以透過觀察 inode 的號碼來了解到掛載點的 inode 號碼。

6.2.1：建立分割

建立分割之前，需要先判斷：(1)目前系統內的磁碟檔名與(2)磁碟目前的分割格式。這兩個工作可以使用底下的指令完成：

如果是 GPT 的分割表，請使用 gdisk 指令來分割，若為 msdos (MBR) 分割表，則需要使用 fdisk 來分割。當然， 讀者也能夠直接參考指令型的 parted 來進行分割，只是指令比較麻煩一些些，並且沒有預設值而已。由剛剛上面的練習可以發現到訓練機為 GPT 分割表， 因此底下將以 gdisk 來進行分割的行為。首先讀者先了解一下 gdisk 的操作界面以及線上查詢的方式：

[root@study ~]# gdisk /dev/vda
GPT fdisk (gdisk) version 0.8.6

Partition table scan:
  MBR: protective
  BSD: not present
  APM: not present
  GPT: present

Found valid GPT with protective MBR; using GPT.  <==找到了 GPT 的分割表！

Command (? for help):     <==這裡可以讓你輸入指令動作，可以按問號 (?) 來查看可用指令
Command (? for help): ?
b       back up GPT data to a file
c       change a partition's name
d       delete a partition           # 刪除一個分割
i       show detailed information on a partition
l       list known partition types
n       add a new partition          # 增加一個分割
o       create a new empty GUID partition table (GPT)
p       print the partition table    # 印出分割表 (常用)
q       quit without saving changes  # 不儲存分割就直接離開 gdisk
r       recovery and transformation options (experts only)
s       sort partitions
t       change a partition's type code
v       verify disk
w       write table to disk and exit # 儲存分割操作後離開 gdisk
x       extra functionality (experts only)
?       print this menu
Command (? for help):  

之後開始列出目前這個 /dev/vda 的整體磁碟資訊與分割表資訊：

Command (? for help): p  <== 這裡可以輸出目前磁碟的狀態
Disk /dev/vda: 83886080 sectors, 40.0 GiB                     # 磁碟檔名/磁區數與總容量
Logical sector size: 512 bytes                                # 單一磁區大小為 512 bytes 
Disk identifier (GUID): A4C3C813-62AF-4BFE-BAC9-112EBD87A483  # 磁碟的 GPT 識別碼
Partition table holds up to 128 entries
First usable sector is 34, last usable sector is 83886046
Partitions will be aligned on 2048-sector boundaries
Total free space is 18862013 sectors (9.0 GiB)

Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name # 底下為完整的分割資訊了！
   1            2048            6143   2.0 MiB     EF02       # 第一個分割槽資料
   2            6144         2103295   1024.0 MiB  0700
   3         2103296        65026047   30.0 GiB    8E00
# 分割編號 開始磁區號碼  結束磁區號碼  容量大小
Command (? for help): q
# 想要不儲存離開嗎？按下 q 就對了！不要隨便按 w 啊！

接下來請管理員直接建立一個 1GB 的分割槽。

由於 /dev/vda 磁碟正在使用中，因此核心預設不會重新去探索分割表的變動，讀者需要使用 partprobe 強制核心更新目前使用中的磁碟的分割表， 這樣才能夠找到正確的裝置檔名了。若需要列出核心偵測到的完整分割表，也能使用『 cat /proc/partitions 』來觀察。

6.2.2：建立檔案系統 (磁碟格式化)

檔案系統的建立使用 mkfs 即可處理。另外，記憶體置換應該要使用 mkswap 才對。目前的作業系統大多已經針對檔案系統建置時做好最佳化設置， 因此除非讀者有特殊需求，或者是讀者知道自己高階磁碟陣列的相關參數，否則使用預設值應該就能夠取得不錯的檔案系統效能。

6.2.3：檔案系統的掛載/卸載

檔案系統要掛載時，請先注意到底下的要求：

• 單一檔案系統不應該被重複掛載在不同的掛載點(目錄)中；
• 單一目錄不應該重複掛載多個檔案系統；
• 要作為掛載點的目錄，理論上應該都是空目錄才是。

常見的掛載方式如下：

[root@localhost ~]# mount -a
[root@localhost ~]# mount [-l]
[root@localhost ~]# mount [-t 檔案系統] LABEL=''  掛載點
[root@localhost ~]# mount [-t 檔案系統] UUID=''   掛載點  # 建議用這種方式
[root@localhost ~]# mount [-t 檔案系統] 裝置檔名  掛載點
選項與參數：
-a  ：依照設定檔 /etc/fstab 的資料將所有未掛載的磁碟都掛載上來
-l  ：單純的輸入 mount 會顯示目前掛載的資訊。加上 -l 可增列 Label 名稱！
-t  ：可以加上檔案系統種類來指定欲掛載的類型。常見的 Linux 支援類型有：xfs, ext3, ext4,
      reiserfs, vfat, iso9660(光碟格式), nfs, cifs, smbfs (後三種為網路檔案系統類型)
-n  ：在預設的情況下，系統會將實際掛載的情況即時寫入 /etc/mtab 中，以利其他程式的運作。
      但在某些情況下(例如單人維護模式)為了避免問題會刻意不寫入。此時就得要使用 -n 選項。
-o  ：後面可以接一些掛載時額外加上的參數！比方說帳號、密碼、讀寫權限等：
      async, sync:   此檔案系統是否使用同步寫入 (sync) 或非同步 (async) 的記憶體機制
      atime,noatime: 是否修訂檔案的讀取時間(atime)。為了效能，某些時刻可使用 noatime
      ro, rw:        掛載檔案系統成為唯讀(ro) 或可讀寫(rw)
      auto, noauto:  允許此 filesystem 被以 mount -a 自動掛載(auto)
      dev, nodev:    是否允許此 filesystem 上，可建立裝置檔案？ dev 為可允許
      suid, nosuid:  是否允許此 filesystem 含有 suid/sgid 的檔案格式？
      exec, noexec:  是否允許此 filesystem 上擁有可執行 binary 檔案？
      user, nouser:  是否允許此 filesystem 讓任何使用者執行 mount ？一般來說，
                     mount 僅有 root 可以進行，但下達 user 參數，則可讓
                     一般 user 也能夠對此 partition 進行 mount 。
      defaults:      預設值為：rw, suid, dev, exec, auto, nouser, and async
      remount:       重新掛載，這在系統出錯，或重新更新參數時，很有用！

請將 /dev/vda4, /dev/vda5 分別掛載到 /srv/linux, /srv/win 目錄內，同時觀察掛載的情況。

[root@localhost ~]# mkdir /srv/linux /srv/win
[root@localhost ~]# mount /dev/vda4 /srv/linux
[root@localhost ~]# mount /dev/vda5 /srv/win
[root@localhost ~]# df -T /srv/linux /srv/win
檔案系統                類型      1K-區段    已用    可用 已用% 掛載點
/dev/vda4               xfs       1038336   32928 1005408    4% /srv/linux
/dev/vda5               vfat      1532988       4 1532984    1% /srv/win

請使用 swapon 的方式來啟動 /dev/vda6 這個記憶體置換空間。

[root@localhost ~]# swapon /dev/vda6
[root@localhost ~]# swapon -s
Filename                                Type            Size    Used    Priority
/dev/dm-1                               partition       2097148 3752    -1
/dev/vda6                               partition       1048572 0       -2

6.2.4：開機自動掛載

開機自動掛載的參數設定檔寫入在 /etc/fstab 當中，不過在編輯這個檔案之前，管理員應該先知道系統掛載的限制：

• 根目錄 / 是必須掛載的﹐而且一定要先於其它 mount point 被掛載進來。
• 其它 mount point 必須為已建立的目錄﹐可任意指定﹐但一定要遵守必須的系統目錄架構原則 (FHS)
• 所有 mount point 在同一時間之內﹐只能掛載一次。
• 所有 partition 在同一時間之內﹐只能掛載一次。
• 如若進行卸載﹐您必須先將工作目錄移到 mount point(及其子目錄) 之外。

訓練機的 /etc/fstab 這個檔案的內容如下：

[root@localhost ~]# cat /etc/fstab
/dev/mapper/centos-root                   /     xfs   defaults    0   0
UUID=a026bf1c-3028-4962-88e3-cd92c6a2a877 /boot xfs   defaults    0   0
/dev/mapper/centos-home                   /home xfs   defaults    0   0
/dev/mapper/centos-swap                   swap  swap  defaults    0   0

這個檔案主要有六個欄位，每個欄位的意義如下：

[裝置/UUID等]  [掛載點]  [檔案系統]  [檔案系統參數]  [dump]  [fsck]

好了，那麼讓我們來處理一下我們的新建的檔案系統，看看能不能開機就掛載呢？

6.3.1：檔案系統的卸載與移除

若需要將檔案系統卸載並回收 (舊的資料需要完整刪除)，一般建議的流程如下：

• 判斷檔案系統是否使用中，若使用中則須卸載
• 查詢是否有寫入自動掛載設定檔，若有則需要將設定內容移除
• 將檔案系統的 superblock 內容刪除

6.3.2：開機過程檔案系統出錯的救援

管理員如果修改過 /etc/fstab 卻忘記使用 mount -a 測試，則當設定錯誤，非常有可能會無法順利開機。如果是根目錄設定出錯，問題會比較嚴重， 如果是一般正規目錄設定錯誤，則依據該目錄的重要性，可能會進入單人維護模式或者是依舊可以順利開機。底下的練習中，讀者將實驗讓 /home 設定錯誤， 以嘗試進入單人維護模式救援檔案系統。