1、硬盘分区

1.1 硬盘设备名与主要组成部件

常见的硬盘类型有两种：SATA和SAS；

由于SATA/USB/SAS等硬盘都是使用SCSI模组来驱动的，因此这些界面的硬盘设备文件名都是/dev/sd[ap]的格式。
硬盘设备名以Linux核心检测到的硬盘顺序来排序；（比如主板有6个SATA接口，SATA1接了一个硬盘，SATA5接了一个硬盘，USB接口接了一个U盘，那它们的设备名分别是：SATA1上的设备名为：/dev/sda、SATA5上的设备名为：/dev/sdb（而不是/dev/sde）、U盘的设备名为：/dev/sdc（开机后才会被系统识别到））；

Linux下各硬件的设备名

硬盘的组成主要有磁盘、机械手臂、磁盘读取头与主轴马达所组成，资料是写入在磁盘上面。磁盘上面又可细分出扇区(Sector)与磁道(Track)两种单位，其中扇区的物理量设计有两种大小，分别是512bytes与4Kbytes。最小存储单位是扇区（Sector）；扇区组成的圆称为磁道（Track），所有硬盘上面的同一个磁道可以组成一个柱面（Cylinder），柱面是分割硬盘时的最小单位。

硬盘主要组成部件

磁盘示意图

SATA速度对比

Tips:

硬盘的第一个扇区记录了整个硬盘的重要信息！如传统的MBR（Master Boot Record），以及GPT（GUID Partition Table）这两种分区格式。

1.2 MBR与GPT硬盘分区表

• MBR分区表格式与限制

MBR（Master Boot Record，主要开机记录区）；
硬盘的第一个扇区存放着开机管理程序记录区和分区表；这个扇区通常是512bytes的大小，有以下两个资料：
（1）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；
（2）分区表（partition table）：记录整个硬盘分区的状态，有64 bytes；

最多只能有四个分区记录，即每个分区表仅为16bytes，每个分区表记录了该区段的启始与结束的柱面号码。

MBR主分区、扩展分区与逻辑分区的定义：

1. 主分区与扩展分区最多可以有四个（硬盘的限制）；
2. 扩展分区最多只能有一个（操作系统的限制）；
3. 逻辑分区是由扩展分区分割出来的分区（只要删除扩展分区，所有的逻辑分区将被删除）；
4. 只有主分区和逻辑分区可以被格式化，扩展分区无法被格式化；
5. 逻辑分区的数量在Linux中SATA硬盘可以突破63个以上的分区限制；
6. /dev/sd[ap]1~4前面这四个号码都是保留给Primary或Extended用的；
7. 逻辑分区的设备名号码从5开始；

MBR分区表限制有如下问题：

1. 操作系统无法识别到2.2T以上的硬盘容量！
2. MBR仅有一个区块，若被破坏后，经常无法或很难抢救。
3. MBR存放开机管理程序的区块仅446bytes，无法容纳较多的程序码。

• GUID partition table，GPT硬盘分区

过去的扇区大小是512bytes，目前有4K的扇区设计。为了兼容所有的硬盘，会使用逻辑区块地址（Logbical Block Address，LBA）来处理。GPT将硬盘所有区块以此LBA（默认为512bytes）来规划，而第一个LBA称为LBA0。

与MBR仅使用第一个512bytes区块来纪录不同，GPT使用了34个LBA区块来纪录分区信息。GPT除了前面34个LBA之外，整个磁盘的最后33个LBA也拿来作为另一个备份！（MBR只有一个区块，被干掉就死光光）

GPT分区表的结构示意图

上述图示说明如下：

• LBA0 (MBR 相容区块)
与MBR模式相似的，这个相容区块也分为两个部份，一个就是跟之前446 bytes相似的区块，储存了第一阶段的开机管理程序！而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，用来表示此硬盘为GPT格式之意。

• LBA1 (GPT 表头纪录)
这个部份纪录了分区表本身的位置与大小及备份用的GPT 分区的位置（最后34个LBA区块），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获取备份的GPT(硬盘最后的那个备份区块) 来恢复GPT 的正常运作！

• 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，总共可以有4*32 = 128笔记录；每个LBA有512bytes，因此每笔纪录为128 bytes，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/结束的磁区号码，因此，GPT分区表对于单一分区来说，他的最大容量限制就会在『 2的64次幂 * 512bytes = 2的63次幂 * 1Kbytes = 2的33次幂 *TB = 8 ZB 』，要注意1ZB = 2的30次幂 TB；

Tips：

1. GPT分区默认可以提供128笔记录；
2. 目前Linux kernel通过udev等方式的处理，已经没有单个硬盘最多只能分15个分区的限制！
3. 此外，GPT分区已经没有所谓的主、扩展、逻辑分区的概念，即每个分区都可以被格式化!
4. fdisk这个软件识别不了GPT，需要使用 gdisk 或者 parted 才行！
5. Linux开机管理程序 grub1 识别不了GPT，需要 grub2 以上版本；
6. 是否能够读写GPT格式与开机的检测程序（即 BIOS 与 UEFI ）有关！

1.3 开机流程中的BIOS与UEFI开机检测程序

• BIOS搭配MBR/GPT的开机流程

CMOS是记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的储存器（在主板上使用一颗纽扣电池单独供电），BIOS则是一个写入到主板上的一个固件（再次说明，固件就是写入到硬件上的一个软件程序）。这个BIOS就是在开机的时候，电脑系统会主动执行的第一个程序！

从开机到操作系统之前的简要流程：

POST开机自检> BIOS分析电脑存在哪些存储设备>> 依据使用者的设置获取可以正常开机的硬盘>>> 读取硬盘的第一个扇区的MBR位置>>>> 接下来的工作交给MBR内的开机程序>>>>> 载入核心文件。

这个开机管理程序的目的是载入(load)核心文件（开机管理程序由操作系统安装时提供）。

Tips:

1. LBA0仅提供第一阶段的开机管理程序，如果使用grub的开机管理程序的话，需要额外分出一个BIOS boot分区。在CentOS中，这个分区通常占用2MB左右。

2. BIOS也能够从LBA0的MBR兼容区块读取第一阶段的开机管理程序，只要开机管理程序能够识别GPT，那么使用BIOS同样可以读取正确的操作系统核心。

3. BIOS与MBR是硬件本身会支持的功能，至于Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件。

4. boot loader主要任务项目如下:
   (1)提供选单：使用者可以选择不同的开机项目，这也是多系统的重要功能！
   (2)载入核心档案：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统；
   (3)转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。

硬盘只有一个MBR，但是开机管理程序除了可以安装在MBR之外，还可以安装在每个分区的开机扇区(boot sector)！这个特色才能造就『多系统』的功能。

Windows和Linux双系统图示

上图总结：

1. 每个分区都拥有自己的开机扇区（boot sector）；
2. 图中的系统分区为第一和第二分区；
3. 实际可开机的核心文件是放在各分区内的；
4. Loader只会认识自己的系统分区内的可开机核心文件，以及其他loader而已；
5. 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。

Tips:

如果要安装Windows+Linux双系统，最好先安装Windows再安装Linux。因为Linux在安装的时候，你可以选择将开机管理程序安装在MBR或者其它分区的开机扇区，而且loader可以手动设置选单，所以可以在Linux的boot sector里面加入Windows的开机选项；Windows在安装的时候，它的安装程序会主动覆盖掉MBR以及自己所在的分区的开机扇区，没有选择的机会，也没有选单功能。

• UEFI BIOS搭配GPT开机的流程

  UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 统一可扩展固件接口，使用C语言编写；（传统的BIOS使用的是组合语言编写）
  传统BIOS与UEFI的区别如下图：
  
  传统BIOS与UEFI的区别
  
  由于过去cracker经常借由BIOS开机阶段来破坏系统，并取得系统的控制权，因此UEFI加入了一个所谓的安全启动（secure boot）机制，这个机制代表着即将开机的作业系统必须要被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。加入这个机制后，许多的操作系统，包括Linux可能无法顺利开机。此时，需要关闭UEFI的secure boot功能，才能进入Linux。

Tips:

1. 使用UEFI时建议依旧保留BIOS boot的分区支持；

2. 为了与Windows兼容，并且提供给其它厂商使用的UEFI应用程序存储空间，必须要格式化一个vfat的文件系统，大约提供512M到1G左右的容量，以便让其他UEFI执行。

3. 开机管理程序与核心放置在硬盘开始前的2TB位置即可！/boot目录的设备名变成/dev/sda3之后，不再是/dev/sda1。

1.4 Linux安装模式下，硬盘分区的选择（极重要）

• 目录树结构（directory tree）

目录树结构是以根目录为主，然后向下呈现分支状的目录结构的一种档案架构。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『 / 』。

Linux目录树相关性示意图

比如想要获取到mydata这个文件，就必须从根目录开始找：/ >home >dmtsai >mydata；最终的文件名为：/home/dmtsai/mydata

• 文件系统与目录树的关系（挂载）

所谓的『挂载』就是利用一个目录当成进入点，将硬盘分区的资料放置在该目录下；也就是说，进入该目录就可以读取该分区的意思。那个进入点的目录我们称为『挂载点』。根目录一定要挂载到某个分区，其它目录则按需求挂载。

目录树与分区之间的相关性

上图中假设当资料放置在 /home 目录时，资料是放置到partition2的。

判断某个文件在那个partition可透过反向追踪。如上图/home/vbird/test，由test--> vbird--> home--> /，看那个『进入点』先被查到那就是使用的进入点了。

初次接触Linux只要分『 / 』及『swap』即可，并预留备硬盘容量；

1.5 主机服务规划与硬件的关系

• NAT（达成IP分享器的功能）：
  Linux NAT可以额外的安装很多分析软件，可以用来分析用户端的连线，或者是用来控制带宽与流量，达到更公平的带宽使用。需要较好的网卡。

• SAMBA（加入windows网上邻居）：
  Windows邻居只能连接十个用户，使用SAMBA服务器可以将Linux加入Windows邻居，且不限连接数。可将 /home 独立出来。对网卡和硬盘容量有要求。

• Mail（邮件服务器）：
  可将/var独立出来。也是对网卡和硬盘容量有要求。

• Web（WWW服务器）：
  CentOS使用Apache这套软件来达成WWW网站的功能。CPU等级不能太低，最重要的是RAM！

• DHCP（提供用户端自动获取IP的功能）：

• FTP
  对网卡和硬盘容量有要求。

重点回顾：

1. 在Linux系统中，每个设备都被当成一个文件来对待，每个设备都会有设备名。

2. 硬盘设备名通常分为两种，实际SATA/USB设备名为/dev/sd[ap]，而虚拟机的设备可能为/dev/vd[ap]；

3. 硬盘的第一个扇区主要记录了两个重要的信息，分别是： (1)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 (1)分区表(partition table)：记录整个硬盘分区的状态，有64 bytes；

4. 硬盘的MBR 分区方式中，主要与扩展分割最多可以有四个，逻辑分区的设备名号码，一定由5号开始；

5. 如果磁盘容量大于2TB 以上时，系统会自动使用GPT 分区方式来处理磁盘分区。

6. GPT 分区已经没有扩展与逻辑分区的概念，你可以想像成所有的分区都是主分区！

7. 某些操作系统要使用GPT 分区时，必须要搭配UEFI 的新型BIOS 格式才可安装使用。

8. 开机的流程：BIOS-->MBR-->-->boot loader-->核心文件；

9. boot loader的功能主要有：提供选单、载入核心、转交控制权给其他loader；

10.boot loader可以安装的地方有两个，分别是MBR 与boot sector；

11. Linux操作系统的文件使用目录树系统，与磁盘的对应需要有『挂载』的动作才行；