Linux磁盘管理

Linux系统一切以文件的方式存储于硬盘，应用程序数据需要时刻读写硬盘，所以企业生产环境中对硬盘的操作变得尤为重要，对硬盘的维护和管理也是每个运维工程师必须做的工作之一。

本章向读者介绍硬盘简介，硬盘数据存储方式，如何在企业生产服务器添加硬盘，对硬盘进行enquiry，初始以及对硬盘进行故障修复等内容。

 

7.1 计算机硬盘简介

硬盘是极端及主要存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，碟片外覆盖有铁磁性材料，硬盘内部由磁道，柱面，扇区，磁头等部件组成，如下图所示。

Linux系统中硬件设备相关配置文件存放在/dev下，常见硬盘命名为/dev/hda，/dev/sda，/dev/sdb，/dev/sdc，/dev/vda。不同硬盘接口，在系统中识别的设备名称不一样。

IDE硬盘接口在Linux找那个设备名为/dev/hda，SAS，SCSI，SATA硬盘接口在Linux中设备名为sda，高效云盘硬盘接口会识别为/dev/vda等。

文件存储在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做sector（扇区），每个sector存储512字节。操作系统在读取硬盘的时候，不会逐个sector滴去读取，这样效率非常低，为了提升读取效率，操作系统会一次性连续读取多个sector，即一次性读取多个sector成为一个block（块）。

由多个sector组成的block是文件存取的最小单位。block的大小常见有1KB，2KB，4KB，block在Linux中常见设置为4KB，即连续8个sector组成一个block。

/boot分区的block一般为1KB，而/data分区或者/分区的block为4KB。可以通过以下3种方法查看Linux分区block大小：

[root@yunanjiaoyu ~]# blkid /dev/sda1 //查看磁盘文件类型

 

下面命令适用于EXT3或者EXT4文件系统：

[root@yunanjiaoyu ~]# dumpe2fs /dev/sda2 |grep "Block"

[root@yunanjiaoyu ~]# tune2fs -l /dev/sda1 | grep "Block size"

[root@localhost ~]# stat /boot/ | grep "IO Block"

 

如果遇到XFS文件系统,使用下面的命令查看：

[root@yunanjiaoyu ~]# xfs_info /dev/sda1

[root@yunanjiaoyu ~]# xfs_growfs /dev/sda1

 

例如创建一个普通文件，文件大小为10B，而默认设置block为4KB，如果有1万个小文件，由于每个block只能存放一个文件，如果文件的大小比block大，会申请更多的block，相反如果文件大小比默认block小，仍会占用一个block，这样剩余的空间会被浪费掉。说明如下：

• 1万个文件理论只占用空间大小：10000*10=100000B=97.65625MB。
• 1万个文件真实占用空间大小：10000*4096B=40960000B=40000MB=40GB。
• 根据企业实际需求，此时可以将block设置为1KB，从而节省更多的空间。

 

7.2 硬盘block及inode详解

通常而言，操作系统对于文件数据的存放包括两个部分：一个文件内容；二是权限及文件属性。操作系统文件存放是基于文件系统，文件系统会将文件的实际内容存储到block中，而将权限与属性等信息存放至inode中。

在硬盘分区中，还有一个超级区块（superblock），superblock会记录整个文件系统的整体信息，包括inode，block的总量，使用大小，剩余大小等信息。每个inode与block都有编号对应，方便Linux快速定位查找文件。详细说明如下：

• superblock：记录文件系统的整体信息，包括inode与block的总量，使用大小，剩余大小以及文件系统的格式与相关信息等。
• inode：记录文件的属性，权限，同时会记录该文件的数据所在的block编号。
• block：存储文件的内容，如果文件超过默认block大小，会自动占用多个block。

每个inode与block都有编号，而每个文件都会占用一个inode，inode内则有文件数据放置的block号码。如果能够找到文件的inode，就可以找到该文件所放置数据的block号码，从而读取该文件内容。

操作系统进行格式化分区时，操作系统自动将硬盘分成两个区域，一个是数据block区，用于存放文件数据；另一个是inode table区，用于存放inode包含的元信息。

每个inode节点的大小，可以在格式化时指定，默认为128B或256B，/boot分区inode默认为128B，其它分区默认为256B，查看Linux系统inode的方法如下：

[root@yunanjiaoyu ~]# dumpe2fs /dev/sda2 |grep "Block"

[root@yunanjiaoyu ~]# tune2fs -l /dev/sda1 | grep "Block size"

[root@localhost ~]# stat /boot/ | grep "IO Block"

 

格式化磁盘时，可以指定默认inode和block的大小，-b指定默认block值，-I(大写)指定默认inode值，

[root@yunanjiaoyu ~]# mkfs.ext4 -b 4096 -I 256 /dev/sdb

7.3 硬链接介绍

一般情况下，文件名和inode编号是一一对应的关系，每个inode号码对应一个文件名。但UNIX/Linux系统多个文件名也可以指向同一个inode号码。这意味着可以用不同的文件名访问同样的内容，对文件内容进行修改，会影响到所有文件名。但删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况被称为硬链接（hard link）。

创建硬链接的命令为ln yn1.txt ya2.txt，其中yn1.txt为源文件，yn2.txt为目标文件。如果上述命令源文件与目标文件的inode号码相同，则都指向同一个inode。inode信息中有一项叫做“链接数”，记录指向该inode的文件总数，这是会增加1变成2，如下图：

同理，删除一个yn2.txt文件，就会使得yn1.txt inode节点中的“链接数”减1。如果该inode值减到0，表明没有文件名指向这个inode，系统就会回收这个inode号码，以及其所对应block区域，如下图：

实用小技巧：硬链接不能跨分区链接，硬链接只能对文件生效，对目录无效，也即是目录不能创建硬链接。硬链接源文件与目标文件公用一个inode值，从某种意义上来说，节省inode空间，不管是单独删除源文件还是删除目标文件，文件内容始终存在。链接后的文件不占用系统多余的空间。

7.4 软连接介绍

除了硬链接以外，还有一种连接——软连接，文件yn1.txt和文件yn2.txt的inode号码虽然不同，但是文件yn2.txt的内容是文件un1.txt的路径。读取文件yn2.txt时，系统会自动将访问者导向文件yn1.txt。

无论打开哪一个文件，最终读取的文件都是yn1.txt。这时，文件yn2.txt就成为文件yn1.txt的“软连接（soft link）”或者“符号链接（symbolic link）”。

文件yn2.txt依赖于文件yn1.txt而存在，如果删除了文件yn1.txt打开yn2.txt就会报错No such file or directory。

软连接与硬链接最大的不同是文件yn2.txt指向文件yn1.txt的文件名，而不是文件yn1.txt的inode号码，因此文件yn1.txt的inode链接数不会发生变化。如下图：

删除yn1.txt源文件链接数不变

实用小技巧：软连接可以跨分区链接，软连接支持目录同时也支持文件的连接。软连接源文件与目标文件inode不相同，从某种意义上说，会消耗更多inode空间。不管是删除源文件还是重启系统，该软链接还存在，但是文件内容会丢失，一旦新建源同名文件名，软链接文件恢复正常。

 

7.5 Linux下磁盘实战操作命令

企业真实场景由于硬盘常年大量读写，处经常会出现坏盘，需要更换硬盘。或者由于磁盘空间不足，需添加新硬盘，新添加的硬盘需要经过格式化，分区才能被Linux系统所使用。虚拟机CentOS 7 Linux模拟DELL R730 真实服务器添加一块新硬盘，不需要关机，直接插入用硬盘科技，一般硬盘均支持热插拔功能。企业中添加新硬盘的操作流程如下：

（1）检测Linux系统识别的硬盘设备，新添加硬盘被识别为/dev/sdb，如果有多块硬盘，会依次识别成/dev/sdc，/dev/sdd等设备名称。如下图：

[root@yunanjiaoyu ~]# fdisk -l

（2）基于新硬盘/dev/sdb设备，创建磁盘分区/dev/sdb1，如下如：

[root@yunanjiaoyu ~]# fdisk /dev/sdb

（3）fdisk分区命令参数如下，常用参数包括m，n，p，e，d，w。

• b：编辑bsd disklabel。
• c：切换dos兼容性标志。
• d：删除一个分区。
• g：创建一个新的空GPT分区别。
• G：创建一个IRIX（SGI）分区表。
• l：列出已知的分区类型。
• m：打印帮助菜单。
• n：添加一个新分区。
• o：创建一个新空DOS分区表。
• p：打印分区表信息。
• q：退出而不保存更改。
• s：创建一个新的空的sun磁盘标签。
• t：更改分区的系统ID。
• u：更改显示/输入单位。
• v：验证分区表。
• w：将分区表写入磁盘并退出。
• x：额外功能。

 

（4）创建/dev/sdb1分区方法，执行命令fdisk /dev/sdb，然后按屏幕提示一次输入n、p、1，按Enter键，再输入+20G，按Enter键，输入w，最后执行fdisk -l | tail -10，如下图所示：

fdisk /dev/sdb创建/dev/sdb1分区

 

fdisk -l 查看/dev/sdb1分区

（5）mkfs.ext4 /dev/sdb1格式化磁盘分区，如下图：

（6）/dev/sdb1分区格式化，使用mount命令挂载到/date/目录，命令详解如下，结果如下图所示：

• mkdir -p /data：创建/data/数据目录。
• mount /dev/sdb1 /data：挂载/dev/sdb1分区至/data/目录。
• df -h：查看磁盘分区详情。
• echo "mount /dev/sdb1 /data" >> /etc/rc.local：将挂载分区命令加入/etc/rc.local开机启动。

（7）自动挂载分区除了可以加入到/etc/rc.local开机启动之外，还可以加入到/etc/fstab文件中，命令详解如下，结果如下图所示：

[root@yunanjiaoyu ~]# vim /etc/fstab

/dev/sdb1 /data ext4 defaults 0 0

mount -o rw,remount /

如上命令表示重新挂载/系统，检测/etc/fstab是否有误。

 

7.6 基于GPT格式磁盘分区

MBR分区标准决定了MBR只支持在2TB一下的硬盘分区，为了能支持使用大于2TB硬盘空间，需使用GPT格式进行分区，创建大于2TB的分区，需要使用parted工具。

在企业真实环境中，通常一台服务器有多块硬盘，整个硬盘容量为10TB，需要基于GPT格式对10TB硬盘进行分区，操作步骤如下：

• parted -s /dev/sdb mklabel gpt：设置分区类型为gpt格式。
• mkfs.ext3 /dev/sdb：基于ext3文件系统类型格式话。
• mount /dev/sdb /data/：挂载/dev/sdb设备至/data/目录。

（1）如下图所示，建设/dev/sdb/为10TB硬盘，使用GPT格式来格式化磁盘。

（2）执行命令parted -s /dev/sdb mklabel gpt，如下图所示。

[root@yunanjiaoyu ~]# parted -s /dev/sdb mklabel gpt

（3）基于mkfs.ext3 /etc/sdb格式化磁盘，如下图所示：

parted命令行也可以进行分区，依次输入如下命令，如图所示：

parted→select /dev/sdb→mklabel gpt→mkpart primary 0 -1→print

mkfs.ext3 /dev/sdb1

mount /dev/sdb1 /data/

格式化/dev/sdb磁盘

parted工具执行GPT格式分区

parted工具执行GPT格式分区

7.7 mount命令工具

mount命令工具主要用于将设备或者分区挂载至Linux系统目录下，Linux系统在分区时，基于mount机制将/dev/sda分区挂载至系统目录，将设备与目录挂载之后，Linux操作系统防控进行文件的读取和存储。

7.7.1 mount命令参数详解

以下为企业中mount命令常用参数详解。

常见用法如下：

mount [-Vh]

mount -a [-fFnrsvw] [-t vfstype]

mount [-fnrsvw] [-o options [,...] ] device | dir

mount [-fnrsvw] [-t vfstype] [-o options] device dir

 

参数详解如下：

• -V：显示mount工具版本号。
• -l：显示以加载的文件系统列表。
• -h：显示帮助信息并退出。
• -v：输出指令执行的详细信息。
• -n：加载没有写入文件/etc/mtab中的文件系统。
• -r：将文件系统加载为只读模式。
• -a：加载文件/etc/fstab中配置的所有文件系统
• -o：指定mount挂载扩展参数，常见扩展指令rw，remount，loop等。

其中与-o相关指令如下：

• -o atime：系统会在每次读取文档时更新文档时间。
• -o noatime：系统会在每次读取文档时不更新文档时间。
• -o defaults：使用预设的选项rw，suid，dev，exec，auto，nouser等。
• -o exec：允许执行档被执行。
• -o user、-o nouser：使用者可以执行mount /umount的动作。
• -o remount：将已挂在的系统分区重新以其他再次模式挂载。
• -o ro：只读模式挂载。
• -o rw：可读可写模式挂载。
• -o loop：使用loop模式，把文档当成设备挂载至系统目录。
• -t：指定mount挂载设备类型，常见类型有nfs，ntfs-3g，vfat，iso9660等。

其中与-t相关指令如下：

• iso9660：光盘或光盘镜像。
• msdos：FAT6文件系统。
• vfat：Fat32文件系统。
• ntfs：ntfs文件系统。
• ntfs-3g：识别移动硬盘格式。
• smbfs：挂载Windows文件网络共享。
• nfs：UNIX/Linux文件网络共享。

 

7.7.2 企业常用mount案例

mount常用案例演示详解如下：

• mount /dev/sdb1 /data：挂载/dev/sdb1分区至/data目录。
• mount /dev/cdrom /mnt：挂载光盘至/mnt。
• mount -t ntfs-3g /dev/sdc /data1目录。
•  
• mount -o remount,rw /：重新以读写模式挂在/系统。
• mount -t iso9660 -o loop centos7.iso /mnt：将CentOS7镜像文件挂载至/mnt目录。
• mount -t fat32 /dev/sdd1 /mnt：将U盘/dev/sdd1挂载至/mnt目录。
• mount -t nfs 192.168.1.11:/data/ /mnt：将远程192.168.1.11:/data目录挂载至本地/mnt目录。

 

7.8 Linux硬盘故障修复

企业服务器运维中，经常会发现操作系统的分区变成只读文件系统，错误提示信息为Read-only file system。出现只读文件系统会导致只能读取而无法写入新文件，新数据等操作。

造成该问题的原因包括：磁盘老旧长期大量的读写，文件系统文件被破坏，磁盘碎片文件，异常断电，读写中断等。

以企业CentOS7 Linux为案例来修复文件系统，步骤如下：

（1）运城备份本地其他重要数据，出现只读文件系统，需要备份其他重要数据，基于rsync | scp远程备份，其中/data为源目录，/data/backup/2020为目标备份目录。

rsync -av /data/ root@192.168.22.12:/data/backup/2020/

（2）可以重新挂载/系统，挂载命令如下，测试文件系统是否可以写入文件。

mount -o remount,rw /

（3）如果重新挂载/系统无法解决问题，则需要重启服务器以CD/DVD光盘引导进入Linux Rescue修复模式。如下图所示，光标选择Troubleshooting，按Enter键，然后选择Rescue a CentOS system，按Enter键。

光盘引导进入修复模式

光盘引导进入修复模式

（4）选择“1）Continue”继续操作，如下图：

（5）进入修复模式，执行如下命令，df -h显示原来的文件系统，如下图所示：

（6）对有异常的分区进行检测并修复（以下为假设出现故障），根据文件系统类型，执行命令如下：

umount /dev/sda3

fsck.ext4 /dev/sda3 -y

（7）修复完成之后，重启系统即可。

reboot

 

小结：

这章节我们掌握了Linux硬盘内部结构，block及inode特性，能够针对企业硬盘进行分区，格式化等操作，满足企业的日常需求。

基于mount工具，能对硬盘，各类文件系统进行挂载操作，同时对只读文件系统能快速修复并投入使用。