Файловые системы

1. Немного о дисках

Жёсткий диск состоит из пластин, разделённых на дорожки и секторы (обычно по 512 байт или 4 КБ). Файловая система располагается внутри раздела диска, который описывается в таблице разделов (MBR или GPT).

2. Задачи файловой системы

ФС решает несколько ключевых задач:

Индексация и поиск данных (через структуры вроде inode).
Управление свободным пространством.
Контроль доступа (права, ACL).
Оптимизация производительности (кеширование, дефрагментация*).
Надёжность (журналирование).

*Дефрагментация менее критична для современных ФС (ext4, XFS, btrfs) и SSD.

3. Виды файловых систем

Доступ к разным ФС в Linux обеспечивается единым интерфейсом — VFS (Virtual File System).

FAT (File Allocation Table)

Плюсы: Простая, поддерживается всеми ОС.
Минусы: Нет журналирования, ограничения на размер файла и раздела (FAT32: файл до 4 ГБ, раздел до 32 ГБ).
Расчёт размера: FAT12: 2^12 * размер_блока.

ext4 (Fourth Extended Filesystem)

Стандарт для Ubuntu, Debian и многих других дистрибутивов.
Журналируемая — повышает надёжность, записывая метаданные операций в специальный журнал перед их выполнением.
Использует экстенты (extents) для более эффективного хранения больших файлов (вместо прямых/косвенных блоков).
Иноды (inodes) хранят метаданные о файле (права, владелец, указатели на данные). Их количество ограничено и задаётся при создании ФС.

XFS

Высокопроизводительная ФС, хорошо подходит для работы с большими файлами.
Использует B+-tree для индексации.
Отложенная аллокация — улучшает производительность.
Динамическое создание inodes.
Стандарт для Red Hat Enterprise Linux.

btrfs (B-Tree File System)

Современная ФС с продвинутыми функциями.
Copy-on-Write (CoW): При изменении файла данные записываются в новое место, а не перезаписываются старые. Это позволяет эффективно создавать снапшоты (snapshots).
Встроенная поддержка RAID и LVM-подобных функций.
Субаллокация — эффективная работа с маленькими файлами.
Поддержка TRIM для SSD.
Стандарт для openSUSE.

4. Конфигурирование файловой системы

Кеширование: Ядро использует Page Cache (для данных) и Dirty Cache (для изменённых, но не записанных данных) для ускорения работы.
I/O планировщики: Определяют порядок обработки запросов к диску. Доступны через /sys/block/<device>/queue/scheduler.
- cfq / bfq — «честное» распределение.
- deadline — учитывает сроки выполнения запросов.
- noop — простой FIFO (часто лучше для SSD).

Утилиты для работы с ФС:

mkfs, mke2fs — создание ФС.
tune2fs — изменение параметров ФС ext*.
debugfs — отладка ФС ext*.
fsck — проверка и восстановление ФС.

5. Монтирование

Процесс подключения раздела диска к определённой точке в дереве каталогов (/mnt, /home и т.д.).

Команды: mount, umount.
/etc/fstab — файл статической информации о файловых системах для автоматического монтирования при загрузке.
```
# Пример строки в /etc/fstab
UUID=ed465c6e-949a-41c6-8e8b-c8da348a3577 / ext4 defaults 0 1
```
Параметры монтирования: rw/ro (чтение/запись), noatime (не обновлять время доступа для производительности), acl (поддержка списков контроля доступа) и др.
systemd.mount — альтернатива fstab через юниты systemd.

6. RAID (Redundant Array of Independent Disks)

Технология объединения нескольких дисков в массив для повышения надёжности и/или производительности.

Уровень	Принцип	Надёжность	Производительность	Ёмкость
RAID 0	Striping (чередование)	Низкая	Высокая (чт/зап)	N
RAID 1	Mirroring (зеркалирование)	Высокая	Высокая (чт)	N/2
RAID 5	Четность	Средняя	Высокая (чт)	N-1
RAID 6	Двойная четность	Высокая	Высокая (чт)	N-2
RAID 10	Зеркалирование + чередование	Высокая	Высокая (чт/зап)	N/2

Создание программного RAID в Linux: Используется утилита mdadm.

# Пример создания RAID 1
mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sdb /dev/sdc
mkfs.ext4 /dev/md0
mount /dev/md0 /mnt/raid
# Сохранение конфигурации
mdadm --detail --scan >> /etc/mdadm/mdadm.conf

7. LVM (Logical Volume Manager)

Система управления дисковым пространством, которая абстрагируется от физических дисков.

Преимущества LVM:

Гибкое управление размерами: Легко увеличивать, уменьшать логические тома.
Снапшоты: Возможность создания моментальных снимков томов.
Объединение дисков: Создание томов, размер которых превышает один физический диск.

Основные понятия:

Physical Volume (PV): Физический диск или раздел.
Volume Group (VG): Группа физических томов.
Logical Volume (LV): Логический том, создаваемый из пространства VG.

Основные команды:

pvcreate /dev/sdX — создать физический том.
vgcreate my_vg /dev/sdX1 /dev/sdY1 — создать группу томов.
lvcreate -n my_vol -L 10G my_vg — создать логический том размером 10 ГБ.
mkfs.ext4 /dev/my_vg/my_vol — создать ФС на томе.

Заключение

Понимание процесса загрузки и принципов работы файловых систем — ключевой навык для системного администратора Linux. Эти знания позволяют эффективно управлять системой, настраивать её под конкретные задачи, устранять неполадки и обеспечивать надёжность хранения данных.