Linux---系统的初步学习【项目三磁盘管理与文件系统】

项目三磁盘管理与文件系统

3.1 项目知识准备

3.1.1 硬盘

如果从存储数据的介质上来区分，硬盘可分为机械硬盘（Hard Disk Dirve，HHD）和固态硬盘（Solid State Disk，SSD），机械硬盘采用磁性碟片来存储数据，而固态硬盘通过闪存颗粒来存储数据。

1 机械硬盘

机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）是一种数据存储设备，它使用旋转的磁盘（通常为金属盘片）和移动的读写头来存储和检索数据。机械硬盘是计算机中常见的存储设备之一，具有容量大、成本相对较低的特点。不过，与固态硬盘（SSD）相比，机械硬盘的读写速度较慢，且由于其机械部件的存在，对震动和冲击更为敏感，耐用性可能略低。

机械硬盘的主要组成部分包括：

磁盘：硬盘中的数据存储介质，通常由多个旋转的磁盘组成。
读写头：用于读取或写入数据的设备，它悬浮在磁盘表面，不接触磁盘。
主轴：支撑磁盘旋转的轴。
控制器：管理数据的读写过程，与计算机系统通信。

机械硬盘的容量通常从几百GB到数TB不等，适用于需要大量存储空间的应用场景，如视频编辑、大型数据库存储等。随着技术的发展，机械硬盘也在不断改进，例如通过增加磁盘数量、提高磁盘转速（如7200RPM）来提升性能。然而，固态硬盘因其更快的读写速度和更好的耐用性，正在逐渐取代机械硬盘在许多应用领域的地位。

2 固态硬盘

固态硬盘（SSD，Solid State Drive）是一种使用闪存芯片作为存储介质的数据存储设备。与传统的机械硬盘（HDD）相比，固态硬盘具有许多显著的优点：

速度：SSD的读写速度远远超过HDD，这使得计算机启动更快，程序加载和运行更加迅速。
耐用性：由于SSD没有移动部件，它们对震动和冲击更加抵抗，因此更耐用，适合在移动设备中使用。
能耗：SSD的能耗通常低于HDD，这有助于延长笔记本电脑和其他便携设备的电池寿命。
噪音：由于SSD没有机械部件，它们在运行时几乎没有噪音。
热量：SSD产生的热量比HDD少，有助于保持系统的冷却。
尺寸和重量：SSD通常比HDD更轻巧，有助于制造更薄更轻的设备。

然而，固态硬盘也有一些局限性：

成本：尽管价格在逐渐下降，但相同容量的SSD通常比HDD更昂贵。
写入次数限制：SSD的闪存单元有一定的写入次数限制，尽管对于大多数用户来说，这并不是一个实际问题。
容量：SSD的容量通常小于HDD，尤其是在高端市场。

固态硬盘的类型包括：

SATA SSD：使用SATA接口，与许多现有的计算机系统兼容。
NVMe SSD：使用更快的NVMe协议，通常通过M.2或U.2接口连接，提供更高的性能。
PCIe SSD：通过PCIe接口直接连接到主板，提供极高的数据传输速度。

固态硬盘适用于需要快速读写性能的应用，如游戏、视频编辑、专业图形设计和企业级应用。随着技术的进步和成本的降低，SSD正变得越来越普及。

3.1.2 Linux的文件系统

Linux文件系统详细介绍

Linux文件系统是一个树状结构，以根目录 / 开始，所有文件和目录都位于根目录下。它遵循文件系统层次标准（Filesystem Hierarchy Standard, FHS），这个标准定义了文件和目录的组织方式。

主要特点：

层次结构：所有文件和目录都按照一定的层次结构组织。
权限管理：每个文件和目录都有相应的权限设置，包括读（r）、写（w）、执行（x）。
文件类型：支持多种文件类型，包括普通文件、目录、符号链接、设备文件、管道、套接字等。
挂载点：可以挂载不同的存储设备或远程文件系统到特定的目录。
文件系统类型：支持多种文件系统类型，每种类型都有其特定的特性和用途。

常用目录：

/bin：存放基本的二进制执行文件。
/etc：系统配置文件。
/home：用户的个人目录。
/var：存放变量数据，如日志文件。
/tmp：存放临时文件。
/usr：用户应用程序。
/proc：虚拟文件系统，提供系统和进程信息。

文件系统管理工具：

ls：列出目录内容。
cd：改变当前目录。
cp：复制文件或目录。
mv：移动或重命名文件或目录。
rm：删除文件或目录。
df：报告文件系统的磁盘空间使用情况。
du：估计文件或目录的磁盘使用量。

6个常用的Linux文件系统类型

文件系统类型	特点	常用场景
ext4	扩展文件系统第四版，高可靠性，支持大文件和大量子目录。	通用场景，大多数Linux发行版默认文件系统。
XFS	高性能文件系统，适合大数据量和高并发操作。	数据库、高性能计算、大数据应用。
Btrfs	支持快照、校验和、压缩等高级功能，适合高级存储需求。	数据备份、虚拟化环境、需要数据完整性的场景。
NTFS	微软Windows的文件系统，Linux可通过特定驱动程序访问。	需要与Windows系统进行文件共享的跨平台应用。
FAT32	兼容性好，广泛用于U盘、SD卡等便携式存储设备。	跨操作系统的文件交换。
ZFS	高级文件系统，支持数据完整性、压缩、去重等，依赖特定硬件。	数据中心、存储池、高级存储解决方案。
tmpfs	基于内存的文件系统，用于存放临时数据，读写速度快。	临时数据存储，提高性能的场景。

在选择文件系统类型时，需要考虑性能、可靠性、兼容性以及特定应用的需求。例如，对于需要高性能和大数据处理的应用，可能会选择XFS或ZFS；而对于需要与Windows系统共享数据的场景，则可能会选择NTFS或FAT32。

3.1.3 物理设备的命名规则

Linux系统中的物理设备命名规则有助于快速识别和访问设备。以下是一些主要的设备类型及其命名规则的描述：

硬盘驱动器

IDE硬盘：以hd开头，后跟一个字母（如hda、hdb）。
SATA硬盘：以sd开头，后跟一个或两个字母（如sda、sdb、sdc1），其中第二个字母表示分区。

网络接口卡

以太网：以eth开头，后跟数字（如eth0、eth1）。
无线网络：可能以wlan或wlp开头，后跟数字。

声卡

通常以sound开头，后跟数字（如sound0、sound1）。

打印机

以lp开头，后跟数字（如lp0、lp1）。

调制解调器

以tty开头，后跟一个斜杠和数字（如ttyS0、ttyS1）。

字符设备和串行端口

串行端口通常以tty开头，后跟一个大写字母和数字的组合（如ttyS0、ttyUSB0）。

图形显示设备

以fb开头，后跟数字（如fb0表示帧缓冲设备）。

随机数生成器

以random开头，后跟数字（如random0）。

基于UUID的命名

在/dev/disk/by-uuid/目录下，设备可以通过其UUID进行识别，提供更稳定的命名方式。

表格：Linux物理设备命名示例

设备类型	命名规则示例	描述
硬盘	`/dev/sda`	第一个SATA硬盘
分区	`/dev/sda1`	`/dev/sda`的第一个分区
网络接口	`/dev/eth0`	第一个以太网接口
无线网络	`/dev/wlp3s0`	无线网络接口，可能以`wlp`开头
声卡	`/dev/snd/card0`	声卡设备，可能包含`snd`和数字
打印机	`/dev/lp0`	第一个打印机设备
调制解调器	`/dev/ttyS0`	第一个串行端口调制解调器
串行端口	`/dev/ttyUSB0`	USB到串行端口适配器
显示设备	`/dev/fb0`	帧缓冲设备
随机数生成	`/dev/random`	随机数生成设备
UUID命名	`/dev/disk/by-uuid/`	基于UUID的设备命名，如`/dev/disk/by-uuid/123e4567-e89b-12d3-a456-426655440000`

请注意，上述表格中的命名规则示例仅供参考，实际的设备名称可能因系统配置和内核版本而异。例如，声卡的设备文件可能因使用的声卡驱动不同而有所变化。此外，随着技术的发展，新的设备和命名规则可能会被引入。

3.2项目实施

3.2.1 任务一：添加及配置硬盘

在CentOS 8中添加及配置硬盘的步骤通常包括以下几个阶段：物理安装硬盘、分区、格式化、挂载以及更新/etc/fstab文件以实现自动挂载。以下是详细的步骤：

步骤1：物理安装硬盘

关闭系统电源。（VM中保持Linux系统关机）
安装新的硬盘到服务器或计算机的硬盘槽中。

这一步在VM中的体现如下：

找到CentOS 8 >>> 点击编辑虚拟机设置；

在这里插入图片描述

弹出虚拟机设置框>>>选择硬盘>>>添加；

在这里插入图片描述

弹出添加硬件向导>>>选择添加硬盘，下一步>>>选择SCSI的虚拟磁盘类型，下一步>>>默认创建新虚拟磁盘，下一步>>>指定虚拟磁盘的大小，默认将虚拟磁盘拆分成多个文件，下一步>>>默认，点击完成。

在这里插入图片描述

重新启动系统。

步骤2：检测新硬盘

打开终端。
使用lsblk或fdisk -l命令来查看当前系统中的硬盘列表，确认新硬盘已经被系统识别。
```
lsblk
# 或者
sudo fdisk -l
```

在这里插入图片描述

步骤3：分区

使用fdisk或parted命令来创建新的分区。这里以fdisk为例：
```
sudo fdisk /dev/sdX
```
其中/dev/sdX是新硬盘的设备名（例如/dev/sdb）。
在fdisk提示符下，按m查看帮助，然后按n创建新分区。
选择分区类型（例如p为主分区，e为扩展分区）。
设置分区大小。
输入w保存更改并退出fdisk。

在这里插入图片描述

步骤4：格式化分区

使用mkfs命令为新分区创建文件系统。例如，创建ext4文件系统：
```
#可以使用命令sudo fdisk -l 查看并确认，再进行格式化分区
sudo mkfs.ext4 /dev/sdXN
```
其中/dev/sdXN是新分区的设备名（例如/dev/sdb1）。

步骤5：挂载分区

创建一个挂载点目录：

#newdisk可以和分区同名
sudo mkdir /mnt/newdisk

挂载分区到新目录：
```
sudo mount /dev/sdXN /mnt/newdisk
```

在这里插入图片描述

步骤6：更新`/etc/fstab`文件

作用是确保在系统启动时，特定的分区或存储设备能够自动挂载到预期的目录（挂载点）。{一般这一步初学者也可以不做}

找到或创建一个UUID。使用blkid命令获取分区的UUID：
```
sudo blkid
```

打开/etc/fstab文件进行编辑：

#当然，如果后面遇到需要永久挂载的项目时，方法一样
sudo nano /etc/fstab

在文件末尾添加一行，指定UUID、挂载点、文件系统类型以及挂载选项：
```
UUID=你的分区UUID /mnt/newdisk ext4 defaults 0 2
```
保存并关闭编辑器。（按照系统操作提示）

步骤7：测试挂载

使用mount -a命令测试挂载配置：
```
sudo mount -a
```
如果没有错误消息，说明配置正确。

步骤8：重新挂载（如果需要）

如果需要重新挂载分区到不同的目录，先卸载当前挂载点：
```
sudo umount /mnt/newdisk
```

创建新的挂载点并重新挂载：

sudo mkdir /mnt/newmountpoint
sudo mount /dev/sdXN /mnt/newmountpoint

更新/etc/fstab文件中的挂载点路径。

步骤9：重启系统

重启系统以确保分区在启动时自动挂载：
```
sudo reboot
```

请注意，上述步骤中的设备名（如/dev/sdX和/dev/sdXN）需要根据你的实际情况替换为正确的设备和分区名。此外，操作过程中需要具有root权限或使用sudo来执行需要特权的命令。在编辑/etc/fstab文件时要特别小心，因为错误的配置可能会导致系统无法启动。

3.2.2 任务二在Linux中配置RAID

CentOS 8提供了对RAID技术的支持，可以使用软RAID方法创建，使用 mdsdm lh立和管理B提)设备。

在Linux中配置RAID的步骤：

准备磁盘分区：
- 确保至少有四个磁盘分区，例如/dev/sdb1、/dev/sdc1、/dev/sdd1和/dev/sde1，它们的大小相同，例如都是2GB。
设置分区类型：
- 使用fdisk命令将这些分区的文件系统类型设置为“Linux raid autodetect”。具体操作如下：
```
[root@localhost~]# fdisk /dev/sdb
命令（输入m获取帮助）：t
分区号（1,2，默认2）：1
Hex代码（输入L列出所有代码）：fd
```
- 重复上述步骤为其他分区设置类型。
检查mdadm工具是否安装：
- 使用rpm -q mdadm命令检查mdadm是否已安装。如果未安装，使用以下命令安装：
```
[root@localhost~]# yum install mdadm
```
检查磁盘是否已配置RAID：
- 使用mdadm -E /dev/sd[b-e]1命令检查磁盘是否已经配置过RAID。如果显示“No md superblock detected”，说明磁盘尚未配置RAID。
创建RAID：
- 使用mdadm命令创建RAID5，包括一个备用硬盘分区。命令如下：
```
[root@localhost~]# mdadm --create /dev/md0 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sd[b-d]1 -spare-devices=1 /dev/sde1
```
  参数说明：
  - --create：创建RAID。
  - --level=5：指定使用RAID5级别。
  - --raid-devices=3：指定3个硬盘分区作为数据存储。
  - --spare-devices=1：指定1个硬盘分区作为备用。
格式化RAID设备：
- 使用mkfs.xfs命令将新创建的RAID设备格式化为xfs文件系统：
```
[root@localhost~]# mkfs.xfs /dev/md0
```
查看RAID的详细信息：
- 使用mdadm --detail /dev/md0命令查看RAID的详细信息，包括活动设备数、工作设备数、失败设备数和备用设备数。
创建挂载点并挂载RAID设备：
- 创建一个目录作为挂载点，然后将RAID设备挂载到该目录：
```
[root@localhost~]# mkdir /mnt/md0
[root@localhost~]# mount /dev/md0 /mnt/md0
```
模拟硬盘损坏：
- 这一步是可选的，用于测试RAID的容错能力。首先，将一个硬盘分区标记为失效：
```
[root@localhost~]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdc1
```
- 然后，使用mdadm --detail /dev/md0查看当前的RAID状态，确认硬盘分区已标记为失效。
修复RAID：
- 如果硬盘分区修复或更换，可以将其重新添加到RAID中：
```
[root@localhost~]# mdadm /dev/md0 -a /dev/sdc1
```
取消挂载和停止RAID：
- 在完成测试或不再需要RAID时，可以取消挂载RAID设备并停止RAID：
```
[root@localhost~]# umount /mnt/md0
[root@localhost~]# mdadm --stop /dev/md0
```
删除磁盘分区的RAID信息：
- 如果需要彻底删除RAID配置，可以使用以下命令：
```
[root@localhost~]# mdadm --zero-superblock /dev/sd[b-d]1
```

请注意，这些步骤提供了一个基本的RAID配置指南，具体操作可能需要根据你的系统环境和需求进行调整。

3.2.3 扩展任务：配置逻辑卷管理（LVM）

逻辑卷管理（LVM）是一种强大的磁盘管理工具，特别适合需要灵活(动态磁盘管理技术)管理和扩展存储空间的场景。它通过提供灵活的存储管理方式，解决了传统分区管理的诸多问题，提高了存储效率和系统性能，增强了数据的安全性和可靠性。对于系统管理员来说，LVM是一个不可或缺的工具，能够帮助他们更有效地利用磁盘资源，满足日益增长的存储需求。以下是LVM的介绍：