Linux_鸟哥基础篇笔记_第一部分Linux的规则安装_第2章主机规划与磁盘分区

2023-08-12 09:24:16

第一部分Linux的规则安装_第2章主机规划与磁盘分区

2.1Linux与硬件的搭配

与Windows系统完全不一样，各个组件或设备在Linux下都是一个文件，要摒弃之前对各种设备名称的概念

2.1.1 认识计算机的硬件设备

2.1.2 选择与Linux搭配的主机设备

2.1.3 各硬件设备在Linux中的文件名

设备 设备在Linux中的文件名
SCSI、SATA、USB磁盘驱动器 /dev/sd[a-p]
U盘 /dev/sd[a-p]（与SATA相同）
Virto接口 /dev/vd[a-p]（用于虚拟机内）
软盘驱动器 /dev//fd[0-7]
打印机 /dev/lp[0-2]（25针打印机）； /dev/usb/lp[0-15]
鼠标 /dev/input/mouse[0-15]（通用）; /dev/psaux（PS/2接口）; /dev/mouse（当前鼠标）
CD-ROM、DVD-ROM /dev/scd[0-1]（通用）;/dev/sr[0-1]（通用于CentOS）;/dev/cdrom（当前CD-ROM）
磁带机 /dev/ht0（IDE接口）；/dev/st0（SATA/SCSI接口）；/dev/tape（当前磁带）
IDE磁盘驱动器 /dev/hd[a-d]（旧式系统才有）

  1. 由于IDE接口的磁盘驱动器已被淘汰，所以IDE接口的磁盘文件名都被模拟为/dev/sd[a-p]

  2. 如果机器使用的是互联网服务提供商（ISP）申请使用的云端机器，这时可能得到的是虚拟机，为了加速，虚拟机内的磁盘是使用模拟器产生的，该模拟器产生的磁盘文件名可能为 /dev/vd[a-p]

2.1.4 使用虚拟机学习

2.2 磁盘分区

2.2.1 磁盘连接方式与设备文件名的关系

  1. SATA/SAS/IDE
    个人计算机常见的磁盘接口有两种：SATA/SAS，目前主流的是SATA接口，老旧的计算机上有可能有IDE接口，近年来，为了统一处理一般把IDE接口的磁盘文件名模拟成跟SATA一样

  2. SATA、USB、SAS等磁盘接口都是使用SCSI模块来驱动的，因此磁盘设备文件名都是 /dev/sd[a-p]那设备文件名
    的顺序又是什么决定的呢？
    要根据Linux内核检测到磁盘的顺序来命名：
    例题
    设PC上有两个SATA、一个USB磁盘，主板上有六个SATA插槽，这两个SATA磁盘分别安插在SATA1、SATA5插槽上，请问这三个磁盘的设备文件名是什么？
    SATA1上的文件名：/dev/sda
    SATA5上的文件名：/dev/sdb
    USB磁盘（系统启动完成后才被系统识别）：/dev/sdc

2.2.2 MSDOS(MBR) 与 GPT 磁盘分区表(partition table)

  1. 利用参考对照柱面或扇区号码的方式作为分区单位
    磁盘有多个盘片,所有盘片的同一个磁道我们称为柱面 (Cylinder), 通常那是文件系统的最小单位, 也就是分区的最小单位。近来有 GPT 这个可达到 64bit 纪录功能的分区表, 现在我们甚至可以使用扇区 (sector) 号码来作为分区单位，也就是说,分区表其实目前有两种格式

  2. MSDOS (MBR) 分区表格式与限制
    早期的 Linux 系统使用的是支持 Windows 的 MBR(Master Boot Record, 主要开机纪录区) 的方式来处理开机管理程序与分区表
    开机管理程序纪录区与分区表 放在磁盘的第一个扇区（512Bytes） 记录两个数据:
    主要开机记录区(Master Boot Record, MBR):可以安装开机管理程序的地方,有446 Bytes
    分区表(partition table):记录整颗硬盘分区的状态,有64 Bytes（最多能有四组记录区,每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码）最多仅能有四组记录区,每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码。 Linux_鸟哥基础篇笔记_第一部分Linux的规则安装_第2章主机规划与磁盘分区
    假设上面的硬盘设备文件名为/dev/sda时,那么这四个分区在Linux系统中的设备文件名：
    P1:/dev/sda1
    P2:/dev/sda2
    P3:/dev/sda3
    P4:/dev/sda4
    注 ：假设硬盘有400个柱面,共分区成为四个分区,第四个分区所在为第301到400号柱面的范围。Windows中,第一到第四个分区的代号应该就是C, D, E, F。当有数据要写入F盘时, 数据会被写入磁盘的 301~400号柱面之间。

由于分区表就只有64 Bytes而已,最多只能容纳四笔分区的记录, 这四个分区的记录被称为主要(Primary)或延伸 (Extended)分区。 根据上面的图示与说明,我们可以得到几个重点信息:

  • 其实所谓的“分区”只是针对那个64 Bytes的分区表进行设置
  • 硬盘默认的分区表仅能写入四组分区信息 这四组分区信息我们称为主要(Primary)或延伸(Extended)分区
  • 分区的最小单位“通常”为柱面(cylinder)
  • 当系统要写入磁盘时,一定会参考磁盘分区表,才能针对某个分区进行数据的处理
  1. 为什么要分区？
  • 数据的安全性:
    每个分区的数据是分开的,当你需要将某个分区的数据重整时,例如你要将计算机中Windows的C 盘重新安装一次 系统时, 可以将其他重要数据移动到其他分区,例如将邮件、桌面数据移动到D 盘去,那么C 盘重装系统并不会影响到D 盘
  • 系统的性能考虑:
    分区将数据集中在某个柱面的区段,例如、第一个分区位于柱面号码1-100号，当要读取该分区数据时，磁盘只会搜寻前面1~100的柱面范围,由于数据集中了,将有助于数据读取的速度与性能

  1. 想要把磁盘分区大于四个？延伸分区
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    硬盘的四个分区记录区仅使用到两个:(P1主要分区;P2延伸分区)
    延伸分区的目的：使用额外的扇区来记录分区信息,延伸分区本身并不能被拿来格式化。
    通过延伸分区所指向的那个区块继续作分区的记录：
    延伸分区继续分区出五个分区, 这五个由延伸分区继续切出来的分区,就被称为逻辑分区(logical partition)。 逻辑分区是由延伸分区继续分区出来的,所以他可以使用的柱面范围就是延伸分区所设置的范围，也就是图中的101~400
    上述分区在Linux系统中的设备文件名分别如下:
    P1:/dev/sda1
    P2:/dev/sda2
    L1:/dev/sda5
    L2:/dev/sda6
    L3:/dev/sda7
    L4:/dev/sda8
    L5:/dev/sda9
    设备文件名没有/dev/sda3与/dev/sda4呢?
    前面四个号码都是保留给Primary或Extended用的,所以逻辑分区的设备名称号码由5号开始

  2. MBR 主要分区、延伸分区与逻辑分区的特性:

  • 主要分区与延伸分区最多四个(硬盘的限制)
  • 延伸分区最多只能有一个(操作系统的限制)
  • 逻辑分区是由延伸分区持续切割出来的分区;
  • 能够被格式化后,作为数据存取的分区为主要分区与逻辑分区。延伸分区无法格式化;
  • 逻辑分区的数量依操作系统而不同,在Linux系统中SATA硬盘已经可以突破63个以上的分区限制;

例题1
在Windows操作系统当中,如果你想要将D与E盘整合成为一个新的分区,而如果有两种分区的情况如下图所示, 图中的特殊颜色区块为D与E盘的示意,请问这两种方式是否均可将D与E整合成为一个新的分区?
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  • 上图可以整合:因为上图的D与E同属于延伸分区内的逻辑分区,因此只要将两个分区删除,然后再重新创建一个新的分区, 就能够在不影响其他分区的情况下,将两个分区的容量整合成为一个。
  • 下图不可整合:因为D与E分属主分区与逻辑分区,两者不能够整合在一起。除非将延伸分区破坏掉后再重新分区。 但如此 一来会影响到所有的逻辑分区,要注意的是:如果延伸分区被破坏,所有逻辑分区将会被删除。 因为逻辑分区的信息都记录 在延伸分区里

例题2
如果我想将一颗大硬盘“暂时”分区成为四个partitions,同时还有其他的剩余容量可以让我在未来的时候进行规划, 我能不能分区出四个Primary?若不行,那么你建议该如何分区?

  • 由于Primary+Extended最多只能有四个,其中Extended最多只能有一个,这个例题想要分区出四个分区且还要预留剩余容 量, 因此P+P+P+P的分区方式是不适合的。因为如果使用到四个P,则即使硬盘还有剩余容量, 因为无法再继续分区,所 以剩余容量就被浪费掉了。
  • 假设你想要将所有的四笔记录都花光,那么P+P+P+E是比较适合的。所以可以用的四个partitions有3个主要及一个逻辑分区, 剩余的容量在延伸分区中。
  • 如果要分区超过4个时,必须要有Extended分区,而且必须将所有剩下的空间都分配给Extended, 然后再以logical的 分区来规划Extended的空间。 另外,考虑到磁盘的连续性,一般建议将Extended的柱面号码分配在最后面的柱面内。

例题3
假如我的PC有两颗SATA硬盘,我想在第二颗硬盘分区出6个可用的分区(可以被格式化来存取数据之用), 那每个分区在Linux系统下的设备文件名为何?且分区类型各为何?至少写出两种不同的分区方式

由于P(primary)+E(extended)最多只能有四个,其中E最多只能有一个。要求6个可用的分区,不可能分出 四个P。 下面我们假设两种环境,一种是将前四号全部用完,一种是仅花费一个P及一个E的情况:

  • P+P+P+E的环境:

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在这里插入图片描述可用的是/dev/sdb1, /dev/sdb2, /dev/sdb3, /dev/sdb5, /dev/sdb6, /dev/sdb7这六个,/dev/sdb4 前面四个号码都是保留给Primary或Extended用的。

  • P+E的环境:
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    因为1~4号是保留给主要/延伸分区的,因此第一个逻辑分区一定是由5号开始的，所以/dev/sdb3, /dev/sdb4就会被保留下来没有用到
  1. MBR 分区表主要问题:
    每组分区表仅有 16Bytes 而已,因此可纪录的 信息真的相当有限
  • 操作系统无法抓取到 2.2T 以上的磁盘容量!
  • MBR 仅有一个区块,若被破坏后,经常无法或很难救援。
  • MBR 内的存放开机管理程序的区块仅 446Bytes,无法容纳较多的程序码。
  1. GUID partition table, GPT 磁盘分区表
    过去一个扇区大小就是 512Bytes ,目前已经有 4K 的扇区设计，为了相容于所有的磁盘,因此在扇区的定义上面, 大多会使用所谓的逻辑区块位址(Logical Block Address, LBA)来处理。GPT 将磁盘所有区块以此 LBA(默认为 512Bytes) 来规划(从 0 开始编号)。
    MBR 仅使用第一个 512Bytes 区块来记录, GPT 使用 34 个 LBA 区块来纪录分区信息，同时MBR 仅有一的区块,无备份不安全,；GPT 使用前面 34 个 LBA 之外,最后 33 个 LBA 也拿来作为另一个备份

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  • LBA0 (MBR 相容区块)
    与 MBR 模式相似,LAB0也分为两个部份：
    （1）跟之前 446 Bytes 相似的区块,储存了第一阶段的开 机管理程序，
    （2）在原本的分区表的纪录区内,这个相容模式仅放入一个特殊标志的分区,用来表示此磁盘为 GPT 格式之意。 不懂 GPT 分区表的磁盘管理程序, 就不会认识这颗磁盘,除非用户有特别要求要处理这颗磁盘,否则该管理软件不能修改此分区信息

  • LBA1 (GPT 表头纪录)
    这个部份记录了分区表本身的位置与大小,同时纪录了备份用的 GPT 分区 (就是前面谈到的在最后 34 个 LBA 区 块) 放置的位置, 同时放置了分区表的检验机制码 (CRC32),操作系统可以根据这个检验码来判断 GPT 是否正确。若有错误,还可以通过这个纪录区来取得备份的 GPT(磁盘最后的那个备份区块) 来恢复 GPT 的正常运行

  • LBA2-33 (实际纪录分区信息处)
    从 LBA2 区块开始,每个 LBA 都可以纪录4笔分区纪录,所以在默认的情况下,总共可以有 432 = 128 笔分区记录，因为每个 LBA 有 512Bytes,因此每笔记录用到 128 Bytes 的空间,除了每笔纪录所需要的识别码与相关的纪录之 外,GPT 在每笔纪录中分别提供了 64bits 来记载开始/结束的扇区号码,因此,GPT 分区表对於单一分区来说, 他的最大容 量限制就会在“ 264 * 512Bytes = 263 * 1KBytes = 233TB = 8 ZB ”,要注意 1ZB = 230TB

  • 优点
    GPT 分区已经没 有所谓的主、延伸、逻辑分区的概念,既然每笔纪录都可以独立存在, 当然每个都可以视为是主分区。每一个分区都可以拿来格式化使用。

  • 注

  • 在磁盘管理工具上面, fdisk 不认识 GPT ，要使用 GPT 的话,得要操作类似 gdisk 或者是 parted 指令

  • 开机管理程序方面, grub 第一版并不认识 GPT 喔!得要 grub2 以后才会认识的

  • 并不是所有的操作系统都可以读取到 GPT 的磁盘分区格式,也不是所有的硬件都可以支持 GPT 格式是否能 够读写 GPT 格式又与开机的检测程序有关，开机的检测程序又分成BIOS 与 UEFI

2.2.3开机流程中的 BIOS 与 UEFI 开机检测程序

目前的主机系统在载入硬件驱动方面的程序,主要有早期的 BIOS 与新的 UEFI 两种机制

  1. BIOS 搭配 MBR的开机流程
    回顾： BIOS与CMOS： CMOS是记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的储存器,BIOS则是一个写入到主板上的一个固件( 固件就是写入到硬件上的一个软件程序)。BIOS就是在开机的时 候,计算机系统会主动执行的第一个程序

接下来BIOS会去分析计算机里面有哪些储存设备,我们以硬盘为例,BIOS会依据使用者的设置去取得能够开机的硬盘, 并且到该硬盘里面去读取第一个扇区的MBR位置。 MBR这个仅有446 Bytes的硬盘容量里面会放置最基本的开机管理程序, 此时 BIOS就功成圆满,而接下来就是MBR内的开机管理程序的工作了。
开机管理程序的目的是在载入(load)核心文件, 由于开机管理程序是操作系统在安装的时候所提供的,所以他会认 识硬盘内的文件系统格式,因此就能够读取核心文件, 然后接下来就是核心文件的工作,开机管理程序与 BIOS 也功成圆满,之后的工作交给操作系统
整个开机流程到操作系统之前的动作:

  • BIOS:开机主动执行的固件,会认识第一个可开机的设备;
  • MBR:第一个可开机设备的第一个扇区内的主要开机记录区块,内含开机管理程序;
  • 开机管理程序(bootloader):一支可读取核心文件来执行的软件;
  • 核心文件:开始操作系统的功能…
    注1：如果分区表为 GPT 格式的话,那么 BIOS 也能够从 LBA0 的 MBR 相容区块读取第一阶段的开机管理 程序码, 如果开机管理程序能够认识 GPT 的话,那么使用 BIOS 同样可以读取到正确的操作系统核心喔!换句话说, 如果开 机管理程序不懂 GPT ,例如 Windows XP 的环境,那自然就无法读取核心文件,开机失败
    注2：由于 LBA0 仅提供第一阶段的开机管理程序码,因此如果使用类似 grub 的开机管理程序,那么就得要额外分区出一个“ BIOS boot ”的分区, 这个分区才能够放置其他开机过程所需的程序码!在 CentOS 当中,这个分区通常占用 2MB 左右

开机管理程序（boot loader）
BIOS与MBR都是硬件本身会支持的功能,开机管理程序(Boot loader)是操作系统安装在MBR上面的一套软件。MBR仅有446 Bytes,因此这个开机管理程序是非常小而高效。

boot loader的主要任务:

  • 提供菜单:使用者可以选择不同的开机项目,也是多重开机的重要功能!
  • 载入核心文件:直接指向可开机的程序区段来开始操作系统;
  • 转交其他loader:将开机管理功能转交给其他loader负责。

双系统启动流程
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例题： 假设个人计算机只有一个硬盘,里面切成四个分区,其中第一、二分区分别安装了Windows及 Linux, 你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux开机呢?（假设MBR内安装的是可同时认识Windows/Linux操作系统的开机管 理程序）

MBR的开机管理程序提供两个菜单：

  • 菜单一(M1)可以直接载入Windows的核心文件来开机
  • 菜单二(M2)则是将开机管理工作交给第二个分区的开机扇区(boot sector)。
    多重开机
    当使用者在开机的时候选择菜单二时, 那么整个开机管理工作就会交给第二分区的开机管理程序了。 当第二个开机管理程序启动后,该开机管理程序内(上图中)仅有一个开机菜单,因此就能够使用Linux的核心文件来开机。 多重开机
    总结:
  • 每个分区都拥有自己的开机扇区(boot sector)
  • 图中的系统盘为第一及第二分区, 实际可开机的核心文件是放置到各分区内的!
  • loader只会认识自己的系统盘内的可开机核心文件,以及其他loader而已;
  • loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。

为什么如果要安装多重开机, 最好先安装Windows再安装Linux

  • Linux在安装的时候,你可以选择将开机管理程序安装在MBR或各别分区的开机扇区, 而且Linux的loader可以手动设置菜单(就是上图的M1, M2…),所以你可以在Linux的boot loader里面加入Windows开机的选项;
  • Windows在安装的时候,他的安装程序会主动的覆盖掉MBR以及自己所在分区的开机扇区,你没有选择的机会, 而且他没有让我们自己选择菜单的功能。
    如果先安装Linux再安装Windows的话,那MBR的开机管理程序就只会有Windows的项目,而不会有Linux的项目 (因为原本在MBR内的Linux的开机管理程序就会被覆盖掉)。
    那需要重新安装Linux一次吗?当然不需要,你只要用尽各种方法来 处理MBR的内容即可。 例如利用Linux的救援模式来挽救MBR
  1. UEFI BIOS 搭配 GPT 开机的流程
  • GPT 可以提供到 64bit 的寻址,也能够使用较大的区块来处理开机管理程序。但是 BIOS 其实不懂 GPT ，还得要通过 GPT 提供相容模式才能够读写这个磁盘设备
  • 而且 BIOS 仅为 16 位的程序,在与现阶段新的操作系统接轨方面有点弱，
    因此就有了 UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 这个统一可延伸固件界面的产生。
    差异
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    当载入操作系统后,一般来说,UEFI 就会停止工作,并将系统交给操作系统,这与早期的 BIOS 差异不大。
    某些操作系统无法找到特定设备时,UEFI 程序是可以部分继续执行的还是可以持续运行。

*注：过去黑客经常借由 BIOS 开机阶段来破坏系统,并取得系统的控制权,UEFI ：安全启动 (secure boot) 机制, 这个机制代表着即将开机的操作系统必须要被 UEFI 所验证,否则就无法顺利开机!微软用了很多这样 的机制来管理硬件。 不过加入这个机制后,许多的操作系统,包括 Linux ,就很有可能无法顺利开机,某些时刻,要将 UEFI 的 secure boot 功能关闭, 才能够顺利的进入 Linux
另外,与 BIOS 模式相比,虽然 UEFI 可以直接取得 GPT 的分区表,不过最好依旧拥有 BIOS boot 的分区支持, 同时, 为了与 windows 相容,并且提供其他第三方厂商所使用的 UEFI 应用程序储存的空间,你必须要格式化一个 vfat 的文件系统, 大约 提供 512MB 到 1G 左右的容量,以让其他 UEFI 执行较为方便。

2.2.4 Linux安装模式下,磁盘分区的选择(极重要)

  1. 目录树结构(directory tree)
    整个目录树 架构最重要的就是那个根目录(root directory),这个根目录的表示方法为一条斜线“/”, 所有的文件都与目录树有关Linux_鸟哥基础篇笔记_第一部分Linux的规则安装_第2章主机规划与磁盘分区

  2. 文件系统与目录树的关系(挂载)

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所谓的“挂载”就是利用一个目录当成进入点,将磁盘分区的数据放置在该目录下; 进入该目录就可以读取该分区的意思。这个动作我们称为“挂载”,那个进入点的目录我们称为“挂载点”。
上图中假设硬盘分为两个分区,partition 1是挂载到根目录,至于partition 2则是挂载到/home这个目录。当数据放置在/home内的各次目录时,数据是放置到partition 2的,如果不是放在/home下面的目录, 数据就会被放置 到partition 1

判断某个文件在哪个partition
通过反向追踪。以上图来说, 当我想要知道/home/vbird/test这个 文件在哪个partition时,由test --> vbird --> home --> /,看那个“进入点”先被查到那就是使用的进入点。 所以test使用的是/home这 个进入点而不是/。

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