Создание и монтирование файловых систем

Создание файловых систем на дисковых разделах (или, в терминах DOS/Windows, форматирование последних) и их монтирование (т. е. обеспечение доступа к ним со стороны ОС и пользователя) - второй этап подготовки диска к инсталляции Linux. Сами по себе эти действия не сложны, однако осознанное их выполнение требует некоторой подготовки.

Устройство файловой системы

Все файлы в Unix физически состоят из двух частей, реально локализованных в различных блоках дискового накопителя, но обязательно находящихся в одном дисковом разделе, первичном или логическом. Первая часть файла - метаданные, которые содержат файловый дескриптор (некое уникальное число), сведения о его атрибутах (принадлежности, правах доступа, времени модификации и т.д.), а также информацию о том, в каких блоках дискового раздела физически размещено содержимое файла. Метаданные каждого файла записаны в специальной области диска, называемой суперблоком, где образуют описатели inodes. Каждому существующему файлу соответствует свой inode, и именно он однозначно идентифицируется файловым дескриптором. Список inodes описателей, соответствующих существующим файлам и свободным блокам дискового раздела определяет границы файловой системы.

Суть процесса создания файловой системы на дисковом разделе состоит в создании на нем суперблока, списка inode и отведении дискового пространства под блоки данных - устройством этих дисковых областей и определяются различия между файловыми системами различных типов. В результате на новом разделе образуется единственный файл - каталог корневого (для данной файловой системы) раздела, впрочем, в некоторых случаях создается еще и каталог /lost+found, предназначенный для хранения нарушенных файлов.

Возникает вопрос, почему такой, казалось бы неотъемлемый, атрибут файла, как его имя, не обнаруживается ни в его метаданных, ни, тем более, среди его данных? В Unix имя являет собой атрибут не файла, но файловой системы. И для хранения имен файлов предназначены файлы особого типа - каталоги, которые представляют собой просто списки файловых дескрипторов идентификаторов и соответствующих им имен файлов. Поэтому идущая от MacOS и активно используемая в Windows метафора каталога как папки с документами в Unix только затемняет суть - здесь это никакое не "вместилище документов", а скорее каталожный ящик в библиотеке.

Несмотря на столь простое устройство, роль каталогов в файловой системе Unix трудно переоценить. Имена файлов, через которые они включаются в файловую систему фигурируют только в составе каталога, к которому файл приписан. Удаление имени файла (или подкаталога) из списка, представляющего собой данные его родительского каталога равносильно тому, что метаданные файла становится недоступными, а приписанные к его inode блоки данных помечаются как свободные. Чтобы сделать файловую систему доступной она со всем ее содержимым (суперблоком, списком inode, блоками данных) должна быть включена в состав какого-либо из существующих каталогов, называемого точкой монтирования. Именно это и составляет суть процесса монтирования. Результат же для монтируемой файловой системы в том, что ее корневой каталог (до сих пор безымянный) получает имя каталога - точки монтирования (mount point), содержимое которого отныне составляет список имен ее файлов и подкаталогов. Обратный процесс - размонтирование, отсоединение от точки монтирования дерева смонтированной файловой системы. Кроме того, в inode ее корневого каталога устанавливается бит чистого размонтирования (clean bit).

Выбор файловой системы. О файловой системе ext2fs написано немало. Ее отличительная особенность - очень эффективный механизм кэширования дисковых операций, что обеспечивает замечательное быстродействие, едва ли не рекордное среди известных файловых систем. Оборотная сторона - относительно слабая устойчивость при аварийном завершении работы, поскольку отложенность записи изменений файлов делает весьма высокой вероятность нарушения связи между их inode и блоками данных. Конечно, времена, когда некорректный останов Linux-машины грозил разрушением файловой системы, остались в далеком прошлом. Однако останов системы без штатного размонтирования файловых систем приводит к тому, что не устанавливается бит чистого размонтирования и утилиты обслуживания диска при перезагрузке не воспринимают их как целостные и начинают проверку, которая при современных объемах дисков отнимает время. Эта проблема решена в журналируемых файловых системах, в которых фиксируются не выполненные дисковые операции, а только предстоящие манипуляции с файлами, вследствие чего оказывается возможным самовосстановление целостности файловой системы после сбоя. Текущие версии ядра Linux поддерживают в качестве родных четыре журналируемые файловые системы: ReiserFS, ext3fs, XFS и JFS.

Файловая система ReiserFS оказалась для Linux исторически первой - она поддерживается каноническим ядром (http://www.kernel.org), начиная с первых версий ветви 2.4.x и была единственной, разработанной "с нуля" специально для этой ОС Хансом Райзером. Как и в большинстве таких систем здесь осуществляется журналирование только операций над метаданными файлов. Кроме этого, ReiserFS обладает уникальной возможностью оптимизации дискового пространства, занимаемого мелкими файлами - они целиком хранятся в своих inode, без выделения блоков в области данных и вместе с экономией места это способствует и росту производительности, так как данные и метаданные хранятся в непосредственной близости и могут быть считаны одной операцией ввода/вывода. Другая особенность ReiserFS - та, что хвосты файлов меньше чем один блок могут быть подвергнуты упаковке (режим тайлинга). Это обеспечивает около 5% экономии дискового пространства.

ReiserFS не совместима с ext2fs на уровне утилит обслуживания файловой системы, однако соответствующий инструментарий, объединенный в пакет reiserfsprogs, уже давно включается в штатный комплект современных дистрибутивов. Более серьезная проблема - загрузчики Linux (Lilo и GRUB) часто не способны загрузить ядро Linux с раздела ReiserFS, оптимизированного в режиме тайлинга. А поскольку, будучи отключенным, этот режим обладает свойством самовосстановления, пользователь может столкнуться с тем, что после пересборки ядра система откажется загружаться. Именно поэтому может быть необходимым создание раздела под каталог /boot.

В отличие от ReiserFS, ext3fs - не более чем журналируемая надстройка над классической ext2fs, разработанная в компании Red Hat и поддерживаемая ядром Linux, начиная с 2.4.16. Как следствие такого происхождения, она сохраняет со своей прародительницей полную совместимость, в том числе и на уровне утилит обслуживания (начиная с версии 1.21 объединяющего их пакета e2fsprogs). Другое преимущество - чуть ли не максимальная надежность: ext3fs является единственной системой из рассматриваемых, в которой возможно журналирование операций не только с метаданными, но и с данными.

В ext3fs предусмотрено три режима работы: полное журналирование (full data journaling), журналирование с обратной записью (writeback), а также задействуемое по умолчанию последовательное (ordered). В первом случае все новые данные сначала пишутся в файл журнала и только после этого фиксируются на диске. В случае аварийного отказа можно повторно перечитать журнал, приведя данные и метаданные в непротиворечивое состояние. Этот механизм практически гарантирует от потерь данных, однако является наиболее медленным. В режиме с обратной записью в файл журнала записываются только изменения метаданных и никакой гарантии сохранности данных он не предоставляет, однако обеспечивает наибольшее (в рамках ext3fs) быстродействие. В последовательном режиме также физически журналируются только метаданные файлов, однако, связанные с ними блоки данных логически группируются в единый модуль, называемый транзакцией. И эти блоки сохраняются перед записью на диск новых метаданных, что, хотя и не гарантирует полной сохранности но весьма способствует ей.

Файловая система XFS, в отличие от молодых ReiserFS и ext3fs, развивается на протяжении почти десяти лет - впервые она появилась для версии Irix 5.3 в 1994 г. XFS - единственная из рассмотренных 64-разрядная файловая система. Особенностями XFS являются:

• механизм allocation group - деление единого дискового раздела на несколько равных областей, имеющих собственные списки inodes и свободных блоков, для распараллеливания дисковых операций;
• логическое журналирование только изменений метаданных, но с частым сбросом их на диск для минимизации возможных потерь при сбоях;
• механизм delayed allocation - ассигнование дискового пространства при записи файлов не во время журналирования, а при фактическом сбросе их на диск, что, вместе с повышением производительности, предотвращает фрагментацию дискового раздела;
• списки контроля доступа (ACL, Access Control List) и расширенные атрибуты файлов (extended attributes), рассмотрение которых далеко выходит за рамки нынешней темы.

XFS очень сбалансированная файловая система - она почти столь же надежна, как ext3fs, и не уступает ReiserFS в быстродействии на большинстве файловых операций. А при манипуляциях с очень большими файлами XFS вне конкуренции. Не отмечалось для нее и проблем с совместимостью. Однако следует учесть, что в отличие от ReiserFS и ext2fs, поддержка которых является штатными опциями ядра Linux, XFS по сию пору (текущая версия - 2.4.19) не поддерживается каноническим ядром Линуса Торвальдса. Хотя недавнее включение такой поддержки в разрабатываемую ветвь ядра (версии 2.5.X) позволяют надеяться, что скоро эта функция станет штатной. Утилиты поддержки для XFS объединены в несколько пакетов, из которых абсолютно необходимым является xfsprogs. Хотя многие дистрибутивы Linux штатно комплектуются средствами поддержки XFS (из SB-дистрибутивов в настоящий момент это Gentoo и SMGL), обо всем этом следует помнить при предварительной разметке диска.

Практические следствия

Обычно создание файловых систем - компетенция инсталлятора, который осуществляет ее с некоторыми опциями по умолчанию, изменить которые впоследствии невозможно без переформатирования. Однако все SB-дистрибутивы допускают ручное вмешательство в этот процесс.

Если нет желания заниматься сравнительным анализом разных файловых систем нормальным выбором для всех разделов остается ext2fs. Она может быть создана любой из следующих команд - /sbin/mke2fs, /sbin/mkfs, /sbin/mkfs.ext2 с указанием файла устройства в качестве аргумента, например:

$ /sbin/mke2fs /dev/hd?#

Для создания файловой системы ext3fs можно применить ту же команду mke2fs с опцией -j, при этом она получит некоторые характеристики по умолчанию, определить которые вручную позволяет следующая форма этой команды:

$ /sbin/mke2fs -J опции_журналирования /dev/hd?#

Возможные значения опций журналирования - size=размер, задающее объем журнального файла в мегабайтах, и device=внешний_журнал подключения новой файловой системы к журналу, ранее созданному на другом дисковом разделе. Можно использовать и специальную команду /sbin/mkfs.ext3 - возможности ее идентичны /sbin/mke2fs. Но самое интересное - преобразование существующей ext2fs в ext3fs простым добавлением журнала, не только без потери данных, но и без перезапуска системы (и даже без размонтирования). Делается это командой "$ tune2fs -j /dev/hd?#", которая просто добавляет файл журнала /.journal в корневом каталоге модифицируемой файловой системы (если последняя не была размонтирована), или задействует для журнала скрытый inode (если перед модификацией файловая система была размонтирована). Обратное преобразование еще проще и осуществляется командой монтирования.

Файловая система ReiserFS создается командой /sbin/mkreiserfs из пакета reiserfsprogs. Для нее доступны многочисленные опции (-s для задания размера журнала, -f для принудительного переформатирования ранее существовавшей файловой системы иного типа, и т.д.). Во избежание неожиданностей напомню: если корневой раздел форматируется как ReiserFS, не лишним будет предусмотреть небольшой раздел под каталог /boot для размещения на нем файловой системы ext2fs.

Для создания XFS также существует собственная команда mkfs.xfs (из пакета xfsprogs). Важнейшие опции: b - задание размера блока данных; d - определение параметров области данных файловой системы; l - описание параметров журнального файла. При использовании mkfs.xfs для достижения максимальной производительности рекомендуется в явном виде задать количество allocation groups иначе оно будет определяться автоматически, что приведет к непроизводительным расходам ресурсов (лучше определить его из расчета одна allocation group на 4 Гбайт дискового пространства). Далее, по тем же причинам можно установить размер файла журнала (здесь рекомендованное значение составляет 32 Мбайт). Для дискового раздела объемом в 20 Гбайт команда приобретет вид

$ mkfs.xfs -d agcount=5 -l

 size=32m /dev/hda1

Команда mkfs.xfs имеет опцию -f - принудительное создание файловой системы XFS поверх любой существующей. Ее достаточно, если последняя была ext2fs. Если же XFS создается поверх ReiserFS то возможны ошибки при монтировании новой файловой системы. Впрочем, то же относится и к обратной процедуре (замене XFS на ReiserFS), а также, если любая из этих "продвинутых" файловых систем заменяется на разделе системой ext2fs. Они связаны с тем, что команда монтирования может распознать вновь созданную XFS как дефектную ReiserFS, и наоборот. Во избежание этого перед таким замещением приходится прибегать к шаманскому приему - обнулению начальных областей раздела (хранящего метаданные файловой системы) командой

$ dd if=/dev/zero of=/dev/hd?#

Ждать заполнения нулями всего устройства не обязательно - достаточно дать этой команде поработать секунд 10-20, после чего прервать ее комбинацией клавиш Control+D и перейти к созданию новых файловых систем.

И последнее, о чем следует сказать об области подкачки, созданной на этапе разбиения диска. Хотя файловой системы как таковой он не несет, но нуждается в определении, что достигается командой "$ mkswap имя_устройства", к которой следует подходить со вниманием - ее применение к обычному разделу уничтожит на нем все данные.

Монтирование

Монтирование осуществляется командой mount, требующей двух аргументов - имени файла монтируемого устройства (дискового раздела) и точки монтирования. Кроме того, желательно явным образом (с помощью опции -t) задать тип монтируемой файловой системы (особенно если это не ext2fs):

$ mount -t ext3fs

 /dev/hd?# /mount_point

Каталог, в который монтируется файловая система, должен быть создан заблаговременно. И желательно пустой: монтирование в каталог с файлами в современных Linux фатальных последствий не повлечет (раньше это могло привести к краху системы), но все его содержимое станет недоступным вплоть до размонтирования файловой системы. Очевидно также, что первым должен монтироваться корневой каталог (/), поскольку и /boot, и /home, и /usr, и прочие представляют собой ветви на его древе. Собственно, свои имена они и обретут только после монтирования в корневую файловую систему.

Корневая файловая система отличается от всех прочих тем, что в ней задействуется загрузочный блок. Конечно, он существует и в любой другой из файловых систем, так как возникает при их создании, но не используется за ненадобностью. И здесь возникнет вопрос, как монтировать раздел, зарезервированный под корневой, к уже существующему корневому разделу. Или, хуже того, к корневому разделу системы, которая еще не инсталлирована. Ответ таков - установщик Linux работает под управлением этой же ОС, которая имеет многие атрибуты полноценной системы, в том числе и корневую файловую систему. Другое дело, что базируется она не на каком-либо дисковом устройстве, а находится в оперативной памяти и раздел, которому суждено стать корневым, монтируется в некий каталог этой виртуальной корневой файловой системы. Уже говорилось, что существуют различные опции монтирования, способствующие повышению производительности при файловых операциях. К ним относится опция -o noatime, которая отключает обновление атрибута времени последнего доступа для обычных файлов и каталогов, соответственно. Монтирование с этой опцией целесообразно для всех типов файловых систем и всех разделов. Другие опции специфичны для файловых систем определенного типа. Так, уже упоминались три режима журналирования в ext3fs, существенно различающиеся по быстродействию и надежности. Так вот, режимы эти задаются именно при монтировании файловой системы с помощью той же опции -o, принимающей значения data=journal, data=ordered и data=writeback для режимов полного журналирования, последовательного и обратной записи, соответственно. Наконец, так же опция -o будет отвечать и за отключение режима тайлинга в файловой системе ReiserFS, для чего ей нужно придать значение notail.

За отсутствием файловой системы swap-раздел в монтировании не нуждается, но должен быть активизирован, для чего служит команда swapon.

Алексей Федорчук ([e-mail]) - сотрудник Геологического института РАН (Москва)

Файловые системы в UNIX

Файловой системой называют часть ядра ОС, которая управляет организацией файлов и операциями над ними: в этом аспекте в одном ряду с файловой системой выступают система управления процессами и система ввода/вывода. Файловая система - это универсальный интерфейс доступа ко всем ресурсам, как локальной машины, так и компьютеров, объединенных в сеть. Универсальность интерфейса выражается в том, что все, что имеется в машине (и в сети) физически, представляется в виде файлов. Метафора файла охватывает не только компоненты программ и пользовательские данные, но и символьные и блочные устройства. Более того, интерфейс файловой системы обеспечивает доступ к протекающим в системе процессам. И даже средства межпроцессорного взаимодействия предстают в виде файлов особого типа.

Файловая система - это еще и принцип организации файлов как таковых: в этом контексте говорят о файловой системе Unix или FAT, HPFS или NTFS. И, наконец, файловая система - это физический способ организации данных на некоем устройстве. Он, как правило, специфичен для конкретной ОС. Linux способна работать, с "родными" с несколькими файловыми системами, начиная от традиционной ext2fs до XFS и JFS, разработанных для ОС IRIX и AIX.

Существуют еще и виртуальные файловые системы. К ним относятся уже упоминавшаяся файловая система устройств devfs и временная файловая система в оперативной памяти tmpfs, и procfs, ответственная за представление в виде файловой системы процессов, протекающих в машине.

Наконец, файловая система в Unix - это и логическая структура каталогов и файлов, которая может объединять физические и виртуальные файловые системы самых различных типов (например, дисковые разделы с файловыми системами ext2fs и FAT16, виртуальные procfs, devfs и tmpfs), причем не только на локальной машине, но и на любой удаленной. Эта структура: иерархическая, или древовидная, начинающаяся с корневого каталога, родительского по отношению ко всем прочим, от которого ответвляются отдельные файлы и дочерние каталоги, которые, в свою очередь, могут выступать как родительские по отношению к подкаталогам более глубоких уровней вложенности.

В ОС Linux структура файловой системы обычно специфична для конкретного дистрибутива или их группы, связанной единством происхождения, поэтому нередко можно столкнуться с такими выражениями, как файловая система Red Hat или Debian. Собственно, именно исторически сложившиеся различия в иерархии каталогов являются одним из критериев обособления нескольких линий дистрибутивов Linux. Однако можно надеяться, что усилиями стандартизирующих организаций, таких, как Linux Standard Base (http://www.linuxbase.org/) и Filesystem Hierarchy Standard (http://www.pathname.com/fhs), увенчаются успехом, и можно будет говорить о единой логической файловой системе Linux, подобно тому, как это имеет место в линейке BSD.

 

 

Т е м а 4.5 Загрузка Linux (2ч)

Запуск операционной системы. Самотестирование при включении. Работа загрузчика.

 

Инсталляция Linux завершена, и мы перезапускаете компьютер. Если Linux — единственная операционная система, установленная на вашем компьютере (а, значит, загрузчик LILO размещается в главной загрузочной записи — MBR), то после обычного тестирования аппаратуры, выполняемого BIOS, ненадолго появится надпись LILO boot. Если не предпринимать никаких действий, то на экран будет выдана масса сообщений, разбирать смысл которых мы пока не будем, и, наконец, появится стилизованное изображение пингвинчика. (Я пока рассматриваю тот случай, когда вы при установке отказались от автоматической загрузки графической оболочки). Ниже изображения пингвина на экране написано:

 

Linux Version 2.0.36, Compiled #1 Tue Dec 29 13:11:11 EST 1998

One Intel 486 DX/2-WB Processor, 16M RAM, 33.28 Bogomips Total

localhost.localdomain

Black Cat Linux release 5.2 (Fulcrun)

Kernel 2.0.36 on an i486

localhost. login:

 

Приведено то сообщение, которое появлялось при одном из вариантов установки, когда было установлено Black Cat версии 5.2;, конечно, сообщение будет отличаться в некоторых деталях. Выдаваемое при загрузке сообщение при желании можно изменить, так что будет выдаваться что-нибудь вроде "Привет, дружище! Сегодня И ноября 2001 года. Сейчас 19 часов 22 минуты. Введи, пожалуйста, свое имя и пароль". Если загрузка происходила с дискеты, то загрузка происходит точно так же, только чуть медленнее.

Если Linux не единственная ОС на вашем компьютере, и вы используете LILO для организации многовариантной загрузки, то в тот момент, когда на экране появится надпись LILO boot:, вы должны нажать клавишу <ТаЬ> или <?>. Тогда LILO выдаст вам список меток, которые сопоставленным ОС. В версии 21 LILO уже автоматически выводит этот список на экран в виде меню. Необходимо выбрать из меню или ввести (набрать на клавиатуре) одну из этих меток и нажать клавишу <Enter>. Если вы выберете метку, соответствующую Linux, то в конце концов вы все равно должны увидеть слово login:, которое в данном случае служит приглашением к вводу вашего пользовательского имени.

Вход в систему. В ответ на это приглашение необходимо ввести имя пользователя, а потом, по запросу, и пароль для входа в систему. Если это первый вход в систему после ее установки, то входить надо под именем "root". Это единственный пользователь, для которого обязательно заводится счет или бюджет (account) во время инсталляции. Этот пользователь являетсяполным хозяином системы (как сейчас, так и в последующем), т. е. имеет неограниченный доступ к ее ресурсам, может заводить и удалять других пользователей, останавливать систему и т. д. Неосторожное поведение пользователя с такими правами легко может привести к печальным последствиям, вплоть до полного краха системы. Поэтому обычно под этим именем входят в систему только для выполнения административных задач. Но у нассейчас как раз такой случай, так что в ответ на приглашение login: вводим "root" и нажимаем клавишу <Enter> (или <Return>). Система выдаст запрос на ввод пароля:

Password:

Очевидно, что в ответ надо вводить пароль того пользователя, имя которого было введено ранее. При первой загрузке надо ввести тот пароль, которой был задан для пользователя root в процессе инсталляции, и нажать <Enter>. Заметим, что если после ввода имени очень долго не вводить пароль, то система снова вернется к запросу имени пользователя. После ввода пароля вы увидите примерно такую надпись:

 

[root@localhost /root]#

 

Такая строка называется приглашением. Появление приглашения означает, что система готова воспринять и выполнить вашу команду. Сейчас это свидетельствует о том, что вы успешно вошли в систему. Вы видите черный экран и приглашение системы к вводу команды — то, что в MS-DOS или Windows принято называть режимом командной строки. Мы будем называть этот режим текстовым (в отличие от графического режима, предоставляемого системой X Window).

В приведенном примере приглашение включает в себя указание имени пользователя (root), имени системы (locaihost) и текущего каталога (/root). Вид приглашения тоже можно изменить. Во всех последующих примерах мы будем использовать приглашение, состоящее только из имени пользователя.

Прежде чем предложить вам ввести первую команду, надо сказать, что в любой UNIX-системе учитывается регистр символов, т. е. различаются строчные и прописные буквы. Поэтому вводить все команды и их параметры следует именно так, как указано в примерах, учитывая регистр.

Первая команда, которую стоит ввести, — команда useradd. После имени команды надо ввести пробел и имя пользователя, например, jim:

 

[root]# useradd jim

 

После этого система будет знать о существовании пользователя jim (говорят, будет "открыт счет для пользователя jim"). Однако войти в систему (или, как обычно говорят, "легироваться") под этим именем еще невозможно. Для того чтобы система разрешила работать пользователю с именем j im, надо задать ему пароль. Для этого вводим команду

 

[root]# passwd jim

 

Появится строка

 

New UNIX password:

 

Вводите пароль. После того как вы завершите ввод нажатием клавиши <Enter>, система попросит ввести его повторно:

 

Retype new UNIX password:

 

Если вы не ошиблись при вводе (пароль приходится вводить "вслепую", поскольку он не отображается на экране), появится сообщение:

 

passwd: all authentication tokens updated successfully

 

и приглашение системы. Если вы выбрали пароль не очень удачно (слишком короткий или простой), вам будет выдано предупреждение, но система все равно примет пароль и позволит новому пользователю входить с ним в систему.

Таким образом, вы познакомились с первыми двумя командами системы Linux: useradd и passwd. Следующая команда, о которой нужно знать каждому пользователю любой UNIX-системы, — это команда man. Команда man — это система встроенной помощи Linux. Вводить ее надо с параметром — именем другой команды или ключевым словом, например,

 

[root]# man passwd

 

В ответ вы получите описание соответствующей команды или информацию по теме, обозначенной ключевым словом. Поскольку информация обычно не помещается на одном экране, при просмотре можно пользоваться клавишами <PageUp> и <PageDown>, а также клавишей пробела. Нажатие клавиши <Q> в любой момент приводит к выходу из режима просмотра и возврату в режим ввода команд. Попробуйте просмотреть информацию по рассмотренным уже командам login и passwd. Замечу, что точно также можно

получить информацию по самой команде man. Введите

 

[root]! man man

 

Вы можете попробовать вводить еще некоторые команды и понаблюдать за реакцией системы. Попробуйте, например, команды, перечисленные в табл. 3.1 (вводите их с приведенными в таблице параметрами).

 

Таблица 3. 1. Простейшие команды Linux