第 6 堂課：基礎檔案系統管理

6.1：認識 Linux 檔案系統

目前 CentOS 7 Linux 檔案系統主要支援 EXT2 家族 (目前新版為 EXT4) 以及 XFS 大型檔案系統兩種。其中 XFS 相當適合大容量磁碟， 格式化的效能非常快。但無論哪種檔案系統，都必須要符合 inode 與 block 等檔案系統使用的特性。

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：檔案系統管理

一般來說，建立檔案系統需要的動作包括：分割、格式化與掛載三個步驟。而分割又有 MBR 與 GPT 兩種方式，實做時需要特別留意。

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]

• 第一欄：磁碟裝置檔名/UUID/LABEL name：

  這個欄位可以填寫的資料主要有三個項目：

  • 檔案系統或磁碟的裝置檔名，如 /dev/vda2 等
  • 檔案系統的 UUID 名稱，如 UUID=xxx
  • 檔案系統的 LABEL 名稱，例如 LABEL=xxx

  管理員可以依據自己的喜好來填寫適當的裝置名稱，不過如果是實體分割槽的檔案系統，這裡建議使用 Linux 裝置內獨一無二的裝置代號， 亦即是 UUID 這個資料來替代裝置檔名較佳。建議使用 blkid 找到 UUID 之後，透過 UUID="XXX" 的方式來設定。

• 第二欄：掛載點 (mount point)：
• 第三欄：磁碟分割槽的檔案系統：

  在手動掛載時可以讓系統自動測試掛載，但在這個檔案當中我們必須要手動寫入檔案系統才行！ 包括 xfs, ext4, vfat, reiserfs, nfs 等等。

• 第四欄：檔案系統參數：

  檔案系統參數有底下幾個常見的設定值，若無需要，先暫時不要更動預設的 defaults 設定值。

  參數	內容意義
  async/sync 非同步/同步	設定磁碟是否以非同步方式運作！預設為 async(效能較佳)
  auto/noauto 自動/非自動	當下達 mount -a 時，此檔案系統是否會被主動測試掛載。預設為 auto。
  rw/ro 可讀寫/唯讀	讓該分割槽以可讀寫或者是唯讀的型態掛載上來，如果你想要分享的資料是不給使用者隨意變更的， 這裡也能夠設定為唯讀。則不論在此檔案系統的檔案是否設定 w 權限，都無法寫入喔！
  exec/noexec 可執行/不可執行	限制在此檔案系統內是否可以進行『執行』的工作？如果是純粹用來儲存資料的目錄， 那麼可以設定為 noexec 會比較安全。不過，這個參數也不能隨便使用，因為你不知道該目錄下是否預設會有執行檔。 舉例來說，如果你將 noexec 設定在 /var ，當某些軟體將一些執行檔放置於 /var 下時，那就會產生很大的問題喔！ 因此，建議這個 noexec 最多僅設定於你自訂或分享的一般資料目錄。
  user/nouser 允許/不允許使用者掛載	是否允許使用者使用 mount 指令來掛載呢？一般而言，我們當然不希望一般身份的 user 能使用 mount 囉，因為太不安全了，因此這裡應該要設定為 nouser 囉！
  suid/nosuid 具有/不具有 suid 權限	該檔案系統是否允許 SUID 的存在？如果不是執行檔放置目錄，也可以設定為 nosuid 來取消這個功能！
  defaults	同時具有 rw, suid, dev, exec, auto, nouser, async 等參數。 基本上，預設情況使用 defaults 設定即可！

• 第五欄：能否被 dump 備份指令作用：

  dump 僅支援 EXT 家族，若使用 xfs 檔案系統，則不用考慮 dump 項目。因此直接輸入 0 即可。

• 第六欄：是否以 fsck 檢驗磁區：

  早期開機的流程中，會有一段時間去檢驗本機的檔案系統，看看檔案系統是否完整 (clean)。 不過這個方式使用的主要是透過 fsck 去做的，我們現在用的 xfs 檔案系統就沒有辦法適用，因為 xfs 會自己進行檢驗，不需要額外進行這個動作！所以直接填 0 就好了。

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：開機過程檔案系統問題處理

管理員可能因為某些原因需要將檔案系統回收利用，例如抽換舊硬碟來使用等等，因此讀者仍須學會如何卸載磁碟。 此外，或許因為設定的問題可能導致開機時因為檔案系統的問題而導致無法順利完成開機的流程，此時就需要額外的修復作業。

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。