Linux03-主机规划与磁盘划分

一、认识服务器的硬件

1.1 硬件结构

说明:

• 内存边的两个黑色小框是CPU的位置
• PCIE卡可以接网卡,显卡,存储扩展卡,RAID卡等

服务器真实图片：

前面板图，主要是硬盘、开关机键、USB接口、VGA接口：

后面板图，1000M、10G网口（电网&接网线、光口&接光线）、BMC接口、USB接口、VGA接口（接显示器）、电源模块、后置硬盘：

Raiser卡图片：

网卡安装在Raiser卡上，Raiser卡安装在主板上。

网卡图片：

系统模块框图:

CPU与内存插槽示意图:

VGA线缆示意图:

1.2 硬件设备在Linux中的文件名

在Linux系统中，一切都是文件，每个设备对应一个文件。

二、磁盘

2.1 磁盘的相关概念

应用 / 文件系统 ↑ 块设备（sda / nvme0n1） ↑ 协议（SATA / SAS / NVMe） ↑ 物理接口（SATA口 / SFF-8643 / M.2） ↑ 存储介质（HDD / SSD）

接口 ≠ 协议 ≠ 磁盘类型

2.2 按存储介质分类

• 机械硬盘HDD

  磁盘盘片调整旋转，碰头寻道读写

  转速越高读写速度越快，5400转/分钟、7200转/分钟、10K、15K

  如下截图是BMC上看到的一块SATA接口的机械硬盘信息截图：

  下图中协商速率大于支持的速率，实际最大只支持6Gbps，协商是指通道支持的速率，但是由于SATA协议只支持6G所以只能到6G

  从协议层角度看HDD支持哪些？

  硬盘类型	接口	协议
  SATA HDD	SATA	ATA
  SAS HDD	SAS	SCSI
  SCSI HDD	SCSI	SCSI
  FC HDD	FC	SCSI over FC

  HDD 历史上有多种协议，但在现代系统中，机械硬盘基本只剩 SATA 和 SAS 两种；不存在 NVMe HDD。

• 固态硬盘

  NAND Flash存储，无机械结构，延迟小，抗震，

​ SSD 主流只有三大协议：SATA（AHCI）、SAS（SCSI）、NVMe（PCIe）

多个nvme盘时的命名规律

命名解释：

nvme 0 n 1 │ │ │ │ │ │ │ └─ Namespace ID │ │ └──── 命名空间分隔符 │ └──────── 控制器编号 └────────────── NVMe 设备类型

下图是一张 SATA接口的SSD硬件信息图，从图中可以看到支持的速率为6G，协商速率也为6G

下图是一张 SATA接口的SSD硬件信息图，从图中可以看到支持的速率为6G，协商速率也为2.5G,在使用时实际只支持2.5G

下图是一张 SAS接口的SSD硬件信息图，从图中可以看到支持的速率为12G，协商速率也为12G

下图是一张PCIe接口的NVMe SSD的磁盘信息

lsscsi -t 命令结果中有/nvme0n1 接口是pcie, lsblk命令也可看到nvme设备

smartctl -i /dev/nvme0n1 命令查看nvme ssd磁盘信息

三、RAID技术

把多块物理硬盘组合成一个“虚拟大硬盘”，实现提供性能、提供可靠性、提升容量。

3.1 解决三个问题

3.2 RAID工作位置

物理硬盘 → RAID → 分区 → LVM → 文件系统 → 挂载

3.3 RAID三种核心技术

3.4 硬RAID与软RAID

3.5 真实环境中使用

多块硬盘 ↓ 做 RAID ↓ 得到 1 块“虚拟磁盘” ↓ 再做 GPT 分区（不是必须） ↓ 再做 LVM（先把磁盘分区或者整块磁盘创建成PV，加入至VG,然后从VG中划分LV，格式化LV【建文件系统】，LV挂载至目录） ↓ 再建文件系统 ↓ 挂载

四、磁盘分区MBR&GPT

4.1 为什么需要磁盘分区

分区=把一个物理磁盘（物理磁盘、RAID后的逻辑磁盘、虚拟机的虚拟磁盘）变成多个逻辑磁盘来管理。

操作系统只能从某个“分区”启动，没有分区，系统不知道从哪里启动。

BIOS的启动方式，系统盘的一个分区分挂载至/boot。

UEFI的启动方式，系统盘的一个分区分挂载至/boot/efi。

MBR和GPT是磁盘分区表标准，用于描述硬盘如何划分分区、如何启动操作系统。

4.2 MBR与GPT分区

MBR=Master Boot Record（主引导记录）

属于BIOS时代的分区标准。

MBR结构

MBR只有 512 Bytes，里面包含 3部分：

MBR = 引导程序 + 分区表 在同一个扇区，一旦损坏，系统无法启动，分区丢失。

4.2.1 MBR分区方式

MBR分区表只有64字节

每个分区项 = 16字节
所以最多：

64 / 16 = 4个分区

因此 MBR最大只能有：

• 4个主分区（Primary）

为了解决不够用 → 发明了：

扩展分区（Extended Partition）

4个主分区不够 → 把其中一个改成“扩展分区” 扩展分区里面再套无限逻辑分区

最终结构：

MBR ├─ 主分区1 ├─ 主分区2 ├─ 主分区3 └─ 扩展分区 ├─ 逻辑分区5 ├─ 逻辑分区6 ├─ 逻辑分区7

注意：
没有分区4 → 因为扩展分区占了位置。

4.2.2 MBR最大容量限制

MBR使用 32位地址：

最大扇区数 = 2^32 每扇区 = 512B 最大容量 = 2TB

所以：
👉MBR最大只支持 2TB

4.3 GPT分区

GPT = GUID Partition Table

属于：UEFI 时代的分区标准
是为替代 MBR 设计的现代方案。

4.3.1 GPT磁盘布局

GPT不是只在一个扇区。

GPT在磁盘头尾各保存一份分区表

磁盘开始 │ ├─ Protective MBR（兼容MBR） ├─ GPT Header（主头） ├─ Partition Table（主表） │ │ ← 数据区 → │ ├─ Partition Table（备份表） └─ GPT Header（备份头） 磁盘结尾

4.4 BIOS + MBR vs UEFI + GPT

4.4.1 MBR 磁盘结构

┌───────────────────────────────┐ │ LBA 0 │ │ Master Boot Record (512B) │ │ ┌───────────────────────────┐ │ │ │ BootLoader 446B │ │ │ │ 分区表 64B (4个分区项) │ │ │ │ 结束标志 55AA │ │ │ └───────────────────────────┘ │ └───────────────────────────────┘ │ │ 分区数据区域 │ ├───────────────┬───────────────┬───────────────┐ │ 主分区1 │ 主分区2 │ 主分区3 │ ├───────────────┴───────────────┬───────────────┤ │ 扩展分区 (容器) │ │ │ ├─逻辑分区5 │ │ │ ├─逻辑分区6 │ │ │ └─逻辑分区7 │ │ └───────────────────────────────────────────────┘

4.4.2 GPT 磁盘结构

磁盘开始 ┌───────────────────────────────┐ │ Protective MBR (兼容MBR) │ └───────────────────────────────┘ ┌───────────────────────────────┐ │ GPT Header (主头) │ │ • 磁盘GUID │ │ • 分区表位置 │ │ • CRC校验 │ └───────────────────────────────┘ ┌───────────────────────────────┐ │ Partition Table (主分区表) │ │ 分区1 GUID │ │ 分区2 GUID │ │ 分区3 GUID │ │ ... 默认128个分区 │ └───────────────────────────────┘ │ │ 巨大的数据区域 │ ├───────────────┬───────────────┬───────────────┐ │ 分区1 │ 分区2 │ 分区3 │ ├───────────────┴───────────────┴───────────────┤ │ 分区4 分区5 分区6 …… 分区128 │ └───────────────────────────────────────────────┘ ┌───────────────────────────────┐ │ Partition Table (备份分区表) │ └───────────────────────────────┘ ┌───────────────────────────────┐ │ GPT Header (备份头) │ └───────────────────────────────┘ 磁盘结束

4.5 BIOS + MBR vs UEFI + GPT 启动流程图

4.5.1 BIOS + MBR 启动流程（传统）

开机上电 │ ▼ BIOS 固件启动 │ ▼ 读取硬盘 第0扇区 (MBR) │ ▼ 执行 MBR 中的 BootLoader (446B)：把操作系统内核加载到内存中并启动 │ ▼ 查找 “活动分区”(Active Partition) │ ▼ 加载 分区中的 BootLoader │ ▼ 启动操作系统

MBR分区下的lsblk -f 命令结果，可以看到/boot挂载在第一个分区上。

BIOS 启动特点

• 只能读取磁盘前512B • 只能识别MBR • 启动链很短 • 极度依赖第0扇区

关键问题：
👉 MBR坏 = 直接无法开机

4.5.2 UEFI + GPT 启动流程（现代）

开机上电 │ ▼ UEFI 固件启动 │ ▼ 读取 GPT 分区表 │ ▼ 找到 EFI System Partition (ESP) │ ▼ 读取 EFI 启动文件 │ (类似 exe 程序) ▼ 运行 bootx64.efi 【boot loader】 │ ▼ 启动操作系统 │ ▼ /boot/vmlinuz-xxx.xxx 内核文件 │ ▼ 启动init/systemd等进程

UEFI系统执行lsblk -f 查看磁盘挂载，可以看到有一个分区挂载至/boot/efi，文件系统为FAT32

/boot/efi/目录下的BOOTX84.EFI文件截图如下所示：

查看磁盘分区，确认为GPT

4.5.3 什么是 ESP 分区（重点）

UEFI 不再从“扇区”启动，而是从文件系统启动。

ESP 分区格式：

FAT32 文件系统

典型结构：

EFI System Partition └─ /EFI/ ├─ Microsoft/ │ └─ Boot/ │ └─ bootmgfw.efi │ ├─ ubuntu/ │ └─ grubx64.efi │ └─ Boot/ └─ bootx64.efi

本质：

👉 UEFI 直接运行.efi 可执行文件

就像：

BIOS = 读磁盘扇区 UEFI = 运行硬盘里的程序

4.5.4 两种启动方式对比图

BIOS启动： 固件 → MBR → 分区Boot → OS 扇区级启动 UEFI启动： 固件 → GPT → ESP分区 → .EFI程序 → OS 文件级启动

五、LVM逻辑卷管理

解决分区固定大小的问题，引入LVM。

LVM 是一个虚拟存储层，插在分区和文件系统之间。

5.1 LVM的三层结构

1️⃣ PV（物理卷）

PV 可以是：

• 整块磁盘
• 一个分区
• 多块磁盘组合

2️⃣ VG（卷组）= 存储池

把多个 PV 合成一个池子：

VG = PV + PV + PV

3️⃣ LV（逻辑卷）= 新分区

在 VG 里切出 LV：

LV 就是新的“分区”

例如：

vg_data ├─ lv_root 100G ├─ lv_home 500G ├─ lv_var 200G

这些 LV 才会格式化：

mkfs.ext4 /dev/vg_data/lv_home

然后挂载使用。

5.3 用了LVM还需要分区吗

典型 Linux GPT 分区：

/dev/sda1 EFI 512M ← 必须（UEFI） /dev/sda2 LVM 其余空间 ← 给 LVM

5.2 理解图

没有 LVM（传统）

磁盘 ├─ 分区1 → 文件系统 → / ├─ 分区2 → 文件系统 → /home └─ 分区3 → 文件系统 → /var

空间固定死❌

使用 LVM

磁盘 └─ 分区(LVM类型) ↓ PV ↓ VG (存储池) ↓ ├─ LV → 文件系统 → / ├─ LV → 文件系统 → /home └─ LV → 文件系统 → /var

空间可动态调整✅

六、开机流程中的BIOS与UEFI

没有软件的硬件是没有用的，为了管理计算机硬件资源 ，有了操作系统 这个系统软件的生产。由于操作系统会控制所有的硬件并且提供核心功能，因此计算机能够认识硬件内的文件，并且进一步读取硬盘内的软件与执行该软件来达成各项目的。

问题是，既然操作系统也是软件，那么计算机是如何认识这个操作系统软件并且执行的？天机的时候，计算机没有任何软件系统，那它要如何读取硬盘内的操作系统的？这就是涉及到计算机的开机程序了BIOS&UEFI。

6.1 BIOS

CMOS记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的存储器，BIOS是一个写入到主板上的一个固件。在开机的时候，计算机系统会主动执行的第一个程序就是BIOS。

接下来BIOS会分析计算机里面有哪些存储设备，以硬盘为例，BIOS会依据用户的设定去取得能够开机的硬盘，并且到该硬盘里去读取第一个磁区的MBR位置。MBR这个仅有446bytes的硬盘容量存放了最基本的开机管理程序boot loader。

boot loader加载内核，由于boot loader是操作系统在安装的时候所提供的，所以它会认识硬盘内的文件系统格式，因此能够读取内核。

boot loader的作用：

提供菜单：用户可以选择不同的开机项目，这也是多系统开机的重要功能。

载入内核：直接指向可开机的程序来开始操作系统。

转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。

简单的说，整个开机流程到操作系统之前的动作是这样的：

1. BIOS：开机主动执行的软件
2. MBR：第一个可开机装置的第一个磁区内的主要开机记录区块，内含开机管理程序
3. 启动管理器boot loader：一个可读取核心来执行的软件
4. 核心文件：启动操作系统的功能

6.2 UEFI

UEFI是BIOS的替代产品，使用C语言开发，比起使用组合语言的传统BIOS要更容易开发。

传统BIOS与UEFI的对比如下表：

从上图可发现，与传统BIOS不同，UEFI简直就像一个低端的操作系统，也跟操作系统类似，只需要加载驱动程序即可控制硬件。UEFI加入了一个安全启动（secure boot）机制，即将开机的操作系统必须要被UEFI所验证，否则就无法顺利开机。

七、Linux安装模式下，磁盘分割的选择

7.1 目录树结构

目录树结构就是以根目录为主，然后向下呈现分支的目录结构的一种目录结构。整个目录树架构最近来可好的就是根目录(root directory)，这个根目录的表示方法为一条斜线"/"。

7.2 文件系统与目录树的关系（挂载）

挂载就是利用一个目录当成进入点，将磁盘或者磁盘分区的数据放置在该目录下；也就是说，进入该目录就可以读取该磁盘（磁盘分区）的意思。这个动作称为挂载，进入点的目录，称为‘挂载点’。由于整个Linux系统最重要的是根目录，因此根目录一定需要挂载到某个分区。我们以下图作为一个说明：

上图中假设我的硬盘分为两区，partition 1是挂载到根目录，至于partition 2则是挂载到/home这个目录。 这也就是说，当我的数据放置在/home内的各次目录时，数据是放置到partition 2的，如果不是放在/home底下的目录， 那么数据就会被放置到partition1了。

八、vmware workstation uefi方式安装centos9，

选择语言

选择安装位置

磁盘分区选择“自动”

磁盘分区选择“Custom自定义”

设置root密码

开始安装

知识拓展

BMC&IPMI&Redfish学习

三者的关系如下图所示:

┌───────────────┐ │ 管理程序 │ │ Ansible / 云 │ └──────┬────────┘ │ ┌─────────┴─────────┐ │ │ Redfish IPMI (HTTPS/JSON) (UDP/二进制) │ │ └─────────┬─────────┘ │ BMC │ ┌──────┴──────┐ │ 硬件本体 │ └─────────────┘

BMC是硬件管家,Baseboard Management Controller,独立于操作系统的微控制器,即使服务器关机,系统故障,只要接电,就能管理服务器.

BMC能干什么?

• 开关机
• 远程控制台(KVM相关于接显示器)
• 硬件监控,查看CPU\内存\磁盘\网卡\电源等硬件信息
• 事件日志,查看硬件错误
• 固件升级,BIOS/BMC/网卡等各种硬件的固件版本
• 装系统,可以打开远程控制台(KVM)挂载ISO进行系统安装

IPMI是什么?

IPMI(Intelligent Platform Management Interface) 是由intel主导,1998年开发的协议,用来和BMC通信.

IPMI的通信方式

使用nmap测试服务器BMC地址的623端口返回截图如下:

可以看到service是asf-rmcp

Redfish是什么?

Redfish基于HTTPS+JSON的硬件管理API,取代IPMI.

Redfish核心特点

Redfish能干什么?

IPMI vs Redfish 对比

BMC服务配置截图

图片解读:

如果需要使用远程控制使用KVM协议,使用的端口号为7578

扇区

扇区是机械硬件上进行数据读写的最小物理单位。

• 传统大小：绝大多数硬盘的每个扇区大小为512字节。
• 现在标准：现在更大容量的硬盘普遍使用4KB（4096字节）的扇区，称为“高级格式”。

无论哪种大小，操作系统都无法只读写一个扇区里的一个字节，要读就必须把整个扇区的数字全部读出来，要写也必须是整个扇区地写。

扇区的结构与组成：

1. 标识符（ID）：记录该扇区的编号和位置信息，就像门牌号。
2. 数据区（Data Field）：真正存储用户数据的地方，大小是512字节或4KB。
3. 纠错码（ECC）：一段校验数据。当读取扇区时，磁盘控制器会根据数据区的内容重新计算一个ECC值，并与扇区上原有的ECC对比。如果一致，说明数据正确；如果不一致，说明该扇区可能损坏（出现“坏道”）。

现在操作系统通常使用LBA（逻辑块寻址），LBA就是给整个硬盘的所有扇区从0开始编一个逻辑号，然后硬盘内部固件再自动把这个逻辑号翻译成实际的物理位置，这就简化了操作系统的设计。

扇区vs操作系统中的“块”

操作系统不能直接使用扇区，而是使用“块”（Linux叫法）或“簇”（windows叫法）

扇区：物理层的最小单位（硬件决定的）

块/簇：逻辑层的最小单位（操作系统决定的），通常由1个、2个、4个、8个等扇区组成。

为什么要有“块”？
如果操作系统按扇区（512字节）管理，那对于一个大文件（比如1GB），需要管理200多万个扇区，效率极低。把多个扇区组成一个“块”（比如8个扇区=4KB），管理单位就变成了约25万个块，效率大大提高。

一个例子：
你写一个“1KB”的文本文件。

• 物理上：硬盘至少写了2个512字节的扇区。
• 逻辑上：如果系统块大小是4KB，那么文件系统会分配1个完整的块（4KB），实际只用了前1KB，剩下的3KB就是内部碎片（浪费了）。

总结一张表：

windows系统查看物理扇区与簇大小命令：

fsutil fsinfo ntfsinfo C:

命令中其中C为盘符，下图为命令截图：

命令解释：

• 硬盘物理扇区大小：4096 字节 (4KB)—— 这是硬盘硬件真实读写的最小单位。
• 操作系统/文件系统使用的“块”（这里叫“群集/簇”）大小：4096 字节 (4KB)—— 这是Windows分配空间的最小单位。
• 关键比例：1个群集 = 1个物理扇区（4096 / 4096 = 1）。这是最理想、最高效的对齐状态。
• 为什么显示“每扇区字节数：512”？—— 这是逻辑扇区，是为了兼容老旧的软件/系统而模拟出来的。硬盘内部会把8个逻辑扇区（8×512=4096）拼成一个物理扇区来处理。

Linux系统查看扇区大小命令：

fdisk /dev/sdi -l

由上图命令结果可知：扇区大小为4096bytes

Linux系统查看“块”大小命令：

stat -f / 其中"/" 为挂载目录