Linux 磁盘存储术语总结

第一部分：基础概念

从硬件层面入手，理解 Linux 如何识别和管理存储设备。这是构建知识体系的起点。

1.1 磁盘与存储设备

• 磁盘 (Disk)：泛指任何用于持久存储数据的硬件设备，包括机械硬盘 (HDD)、固态硬盘 (SSD)、NVMe 驱动器等。在 Linux 中，磁盘被抽象为块设备 (Block Device)，数据以固定大小的块 (通常 512 字节或 4KB) 读写。
• 块设备 (Block Device)：Linux 内核对磁盘的抽象表示，支持随机访问。常见设备文件如 /dev/sda (SATA 硬盘)、/dev/nvme0n1 (NVMe SSD) 或 /dev/mmcblk0 (eMMC 存储)。
• 字符设备 (Character Device)：与块设备相对，用于顺序访问的设备，如磁带驱动器。但在磁盘存储中，主要关注块设备。
• 扇区 (Sector)：磁盘的最小物理存储单元，通常 512 字节。现代磁盘可能使用 4KB 高级格式 (Advanced Format)。

示例：使用 lsblk 命令查看所有块设备：

lsblk -o NAME,TYPE,SIZE,MOUNTPOINT

这会列出如 sda (磁盘) 和其分区 sda1。

1.2 存储接口与协议

• SATA (Serial ATA)：常见硬盘接口，速度可达 6 Gbps。
• SAS (Serial Attached SCSI)：企业级接口，支持热插拔和更高可靠性。
• NVMe (Non-Volatile Memory Express)：专为 SSD 设计的协议，利用 PCIe 总线，提供低延迟和高吞吐量。
• SCSI (Small Computer System Interface)：通用存储接口协议，在 Linux 中通过 /dev/sd* 表示。
• IDE/ATA：旧式接口，现多被 SATA 取代。

这些接口决定了磁盘的性能和兼容性。理解它们有助于选择硬件。

1.3 HDD 内部物理结构

HDD（Hard Disk Drive，机械硬盘）不同于 SSD，其内部由机械组件组成，数据通过磁性方式存储。以下是关键结构术语，按物理布局从内到外逐步说明，帮助建立直观模型。

• 盘片 (Platter)：HDD 的核心存储介质，通常由铝合金或玻璃制成，表面涂有磁性材料。多个盘片堆叠在主轴上，每面可存储数据。数据以磁性极化方式记录（0/1）。
• 主轴 (Spindle)：驱动盘片高速旋转的电机，通常转速为 5400 RPM、7200 RPM 或更高。旋转确保磁头能访问数据。
• 读写磁头 (Read/Write Head)：悬浮在盘片表面上的微型电磁组件，用于读取（感应磁场）或写入（改变磁场）数据。每面盘片对应一个磁头。
• 执行臂/磁头臂 (Actuator Arm)：连接磁头的机械臂，由音圈马达 (Voice Coil Motor) 驱动，实现磁头在盘片上的径向移动（寻道）。
• 磁道 (Track)：盘片表面上的同心圆环，每个磁道存储连续数据。外圈磁道更长，可容纳更多数据。
• 柱面 (Cylinder)：所有盘片上相同半径位置的磁道集合。磁头无需移动臂即可访问同一柱面的数据，提高效率。
• 扇区 (Sector)：磁道的最小划分单元，通常 512 字节，包含数据和纠错码 (ECC)。扇区是数据访问的基本单位。
• 区域 (Zone)：在 ZBR 中的分组。盘片被分成多个同心区域，每个区域的磁道有固定扇区数。
• ZBR (Zone Bit Recording)：也称分区位记录或多区记录。将盘片分成多个区域（Zone），外区扇区数多于内区，以优化数据密度和容量（因为外磁道更长）。这提高了整体存储效率，但需特殊寻址管理。
• MBR (Master Boot Record)：位于硬盘第一个扇区（扇区 0）的 512 字节结构，包含引导加载程序、分区表和签名。用于传统 BIOS 引导，支持最多 4 个主分区，磁盘限 2TB。
• 寻址方式 (Addressing Methods)：
  • CHS (Cylinder-Head-Sector)：传统物理寻址，使用柱面号、磁头号和扇区号定位数据。受限于 BIOS，支持最大 8GB 磁盘。
  • LBA (Logical Block Addressing)：现代逻辑寻址，将整个磁盘视为连续块序列（从 0 开始编号）。克服 CHS 限制，支持大容量磁盘，常与 GPT 结合。

这些结构解释了 HDD 的机械性质：寻道时间（磁头移动）、旋转延迟（等待扇区）和传输时间影响性能。相比 SSD，HDD 更适合大容量归档。

第二部分：分区与格式化

磁盘需要划分成分区才能使用文件系统。这部分解释如何逻辑分割磁盘。MBR 和 GPT 已在上节提及，这里扩展其在分区中的作用。

2.1 分区基础

• 分区 (Partition)：磁盘的逻辑划分，每个分区可独立格式化和挂载。Linux 支持主分区 (Primary Partition)、扩展分区 (Extended Partition) 和逻辑分区 (Logical Partition)。
• 分区表 (Partition Table)：记录分区信息的结构，如 MBR (Master Boot Record) 或 GPT (GUID Partition Table)。
  • MBR：传统分区表，支持最多 4 个主分区，磁盘大小限 2TB。
  • GPT：现代分区表，支持无限分区和更大磁盘，使用 UUID 标识。
• 分区标识 (Partition ID/Type)：如 83 (Linux Native)、8e (LVM) 或 ef (EFI System Partition)。

示例：使用 fdisk 或 gdisk 创建分区：

sudo fdisk /dev/sda

命令中输入 n 创建新分区。

2.2 格式化

• 格式化 (Formatting)：在分区上创建文件系统结构的过程，也称作 “mkfs” (Make File System)。
• 低级格式化 (Low-Level Formatting)：硬件级操作，创建扇区和轨道，通常由制造商完成。
• 高级格式化 (High-Level Formatting)：软件级，创建文件系统元数据。

格式化会擦除数据，因此需谨慎。常见命令：mkfs.ext4 /dev/sda1。

第三部分：文件系统

文件系统是数据组织的桥梁，决定了如何存储文件、目录和元数据。

3.1 文件系统基础

• 文件系统 (File System)：管理磁盘空间的软件层，如 Ext4、XFS、Btrfs 等。
• Inode (Index Node)：存储文件元数据的结构，包括权限、所有者、时间戳和数据块指针。每个文件/目录一个 Inode。
• 超级块 (Superblock)：文件系统的元数据块，包含 Inode 总数、块大小等信息。
• 日志 (Journal)：记录文件系统变更的机制，防止崩溃时数据丢失（如 Ext3/4 的 journaling）。

3.2 常见 Linux 文件系统

• Ext4 (Fourth Extended File System)：默认文件系统，支持大文件 (16TB)、日志和扩展属性。
• XFS：高性能文件系统，适合大容量存储，支持在线碎片整理。
• Btrfs (B-Tree File System)：现代文件系统，支持快照、子卷、RAID 和数据校验。
• FAT32/vFAT：兼容 Windows 的文件系统，用于 USB 设备。
• NTFS：Windows 文件系统，Linux 通过 ntfs-3g 支持读写。
• ZFS：高级文件系统（源自 Solaris），支持池、数据集和快照，但需额外模块。

示例：检查文件系统类型：

df -T

3.3 文件系统层次结构

• 根文件系统 (Root File System)：以 / 为根的树状结构。
• 虚拟文件系统 (VFS)：Linux 内核的抽象层，统一不同文件系统的接口。

第四部分：卷管理和高级存储

当单个磁盘不足时，使用卷管理扩展存储。

4.1 LVM (Logical Volume Manager)

• 物理卷 (Physical Volume, PV)：LVM 中的磁盘或分区，经 pvcreate 初始化。
• 卷组 (Volume Group, VG)：多个 PV 的集合，经 vgcreate 创建。
• 逻辑卷 (Logical Volume, LV)：VG 中的可调整大小的分区，经 lvcreate 创建，可动态扩展/缩小。
• 扩展区 (Extent)：LVM 的最小分配单元，通常 4MB。

示例：创建 LVM：

pvcreate /dev/sdb
vgcreate myvg /dev/sdb
lvcreate -L 10G -n mylv myvg

4.2 RAID (Redundant Array of Independent Disks)

• RAID 0：条带化，无冗余，提高性能。
• RAID 1：镜像，提供冗余。
• RAID 5：条带化加奇偶校验，至少 3 盘，平衡性能和冗余。
• RAID 10：RAID 1 + 0 的组合。
• 软件 RAID：通过 mdadm 实现，如 mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sdc /dev/sdd。
• 硬件 RAID：由控制器管理。

RAID 与 LVM 可结合使用。

4.3 其他高级概念

• 薄 provisioning (Thin Provisioning)：在 LVM/Btrfs 中，按需分配空间。
• 快照 (Snapshot)：文件系统的只读副本，用于备份。
• 加密存储：如 LUKS (Linux Unified Key Setup)，使用 cryptsetup 加密分区。

第五部分：挂载与访问

将分区或卷集成到文件系统中。

5.1 挂载 (Mounting)

• 挂载 (Mount)：将文件系统附加到目录树的过程。命令：mount /dev/sda1 /mnt。
• 挂载点 (Mount Point)：如 /home 或 /var。
• fstab (/etc/fstab)：配置文件，定义开机自动挂载。格式：设备 UUID、挂载点、文件系统类型、选项等。
• UUID (Universally Unique Identifier)：唯一标识分区，避免设备名变化。
• 卸载 (Unmount)：umount /mnt，移除挂载。

5.2 访问控制

• 权限 (Permissions)：通过 chmod/chown 管理，基于用户/组。
• ACL (Access Control Lists)：扩展权限，支持更细粒度控制，如 setfacl。
• Quota：磁盘配额，限制用户空间使用，如 quotaon。

第六部分：性能与监控

优化存储并监控健康。

6.1 性能术语

• IOPS (Input/Output Operations Per Second)：每秒 IO 操作数，衡量随机访问性能。
• 吞吐量 (Throughput)：数据传输速率，如 MB/s。
• 延迟 (Latency)：IO 操作响应时间。
• 缓存 (Cache)：如页面缓存 (Page Cache)，加速读写。

6.2 监控工具

• iostat：监控 IO 统计。
• iotop：显示进程 IO 使用。
• smartctl：检查磁盘健康 (S.M.A.R.T.)。
• df/du：检查空间使用。
• fsck：文件系统检查和修复。

示例：iostat -x 1 实时监控。