Устройства, диски и файловые системы

TL;DR: В Linux устройства представлены файлами в /dev/. Блочные (/dev/sda) — диски с произвольным доступом. Символьные (/dev/tty) — потоковые. udev автоматически создаёт файлы устройств. Диски размечаются (MBR/GPT), на разделах создаются ФС (ext4, XFS), разделы монтируются в дерево каталогов. LVM добавляет гибкость поверх разделов.

Зачем это знать

Добавить диск к серверу — нужно разметить, создать ФС, смонтировать, прописать в fstab
Понять вывод lsblk, df, mount — что куда смонтировано
Проблемы с I/O — понимание уровней: устройство → драйвер → ФС → VFS → приложение
Docker volumes, Kubernetes PV — всё это абстракции поверх блочных устройств и ФС

Типы устройств

Тип	Символ в `ls -l`	Доступ	Примеры
Блочное (block)	`b`	Произвольный (по блокам)	`/dev/sda`, `/dev/nvme0n1` — диски
Символьное (character)	`c`	Последовательный (поток)	`/dev/tty`, `/dev/null`, `/dev/urandom`
Именованный канал (pipe)	`p`	FIFO	Создаётся `mkfifo`
Сокет	`s`	Двусторонний	`/run/docker.sock`

ls -la /dev/sda /dev/null
# brw-rw---- 1 root disk 8, 0 ... /dev/sda     ← b = block, 8,0 = major,minor
# crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 ... /dev/null     ← c = character

Номера major и minor

Каждое устройство идентифицируется парой чисел: major (тип драйвера) и minor (конкретное устройство или раздел).

/dev/sda   8, 0    ← major=8 (SCSI/SATA), minor=0 (диск целиком)
/dev/sda1  8, 1    ← major=8, minor=1 (первый раздел)
/dev/sda2  8, 2    ← major=8, minor=2 (второй раздел)

Специальные устройства

Устройство	Назначение
`/dev/null`	Чёрная дыра — поглощает всё записанное, при чтении даёт EOF
`/dev/zero`	Бесконечный поток нулевых байтов
`/dev/urandom`	Криптографически безопасные псевдослучайные данные
`/dev/full`	При записи всегда возвращает «диск полон» (ENOSPC)
`/dev/tty`	Текущий терминал процесса
`/dev/loop*`	Loopback — файл-образ как блочное устройство

/dev/, sysfs и udev

devtmpfs и /dev/

/dev/ — виртуальная ФС devtmpfs, живущая в RAM. Ядро создаёт в ней базовые узлы устройств при обнаружении оборудования.

sysfs (/sys/)

/sys/ — виртуальная ФС, отражающая представление ядра об устройствах, драйверах и их связях. Структура каталогов = топология оборудования.

# Информация о блочном устройстве
cat /sys/block/sda/size          # размер в секторах (512 байт)
cat /sys/block/sda/queue/scheduler   # планировщик I/O
ls /sys/block/sda/device/        # связь с драйвером

udev

Демон systemd-udevd слушает события ядра (подключение/отключение устройств) и применяет правила из /etc/udev/rules.d/ и /usr/lib/udev/rules.d/:

Создаёт символические ссылки (/dev/disk/by-uuid/..., /dev/disk/by-id/...)
Устанавливает права доступа и владельца
Запускает скрипты при событиях

# Информация об устройстве
udevadm info --query=all --name=/dev/sda
 
# Мониторинг событий (вставьте USB-диск)
udevadm monitor
 
# Применить правила заново
udevadm trigger

dd — копирование на уровне блоков

Копирует данные побайтово, минуя файловую систему.

# Записать ISO на USB
sudo dd if=ubuntu.iso of=/dev/sdX bs=4M status=progress
 
# Создать файл нулей (1 ГБ)
dd if=/dev/zero of=bigfile bs=1M count=1024
 
# Резервная копия MBR
sudo dd if=/dev/sda of=mbr-backup.bin bs=512 count=1

Осторожно: dd не спрашивает подтверждения и может уничтожить данные. Трижды проверяйте of=.

Разметка дисков

MBR vs GPT

	MBR	GPT
Макс. разделов	4 основных (или 3+extended)	128
Макс. размер диска	2 ТБ	8 ЗБ
Таблица разделов	В первых 512 байтах	В начале и конце диска (дублирование)
Загрузка	BIOS	UEFI (или BIOS с BIOS Boot Partition)
Современность	Устарел	Стандарт

Инструменты разметки

# Интерактивные
sudo fdisk /dev/sda            # MBR и GPT (текстовый)
sudo cfdisk /dev/sda           # MBR и GPT (псевдографика)
sudo parted /dev/sda           # GPT (мощный, скриптуемый)
 
# Просмотр
lsblk                          # дерево блочных устройств
lsblk -f                       # с FS и UUID
sudo fdisk -l /dev/sda         # таблица разделов
sudo blkid                     # UUID всех разделов

Файловые системы

Типы ФС

ФС	Особенности	Когда использовать
ext4	Журналирование, стабильность, широкая поддержка	Универсальный выбор по умолчанию
XFS	Высокая производительность на больших файлах, параллельный I/O	Серверы, БД, большие объёмы
Btrfs	Снапшоты, сжатие, RAID, copy-on-write	Настольные системы, сложные сценарии
FAT32/VFAT	Совместимость, без прав доступа	ESP (`/boot/efi`), USB-флешки
tmpfs	В оперативной памяти	`/tmp`, `/run`
proc, sysfs	Виртуальные (ядро)	`/proc`, `/sys`

Создание, проверка, настройка

# Создать ФС
sudo mkfs.ext4 /dev/sda2
sudo mkfs.xfs /dev/sda3
sudo mkfs.fat -F32 /dev/sda1          # для ESP
 
# Проверка и восстановление (раздел должен быть размонтирован!)
sudo fsck /dev/sda2
sudo fsck.ext4 -f /dev/sda2           # принудительная проверка
 
# Настройка ext4
sudo tune2fs -l /dev/sda2             # информация о ФС
sudo tune2fs -L "mydata" /dev/sda2    # метка
sudo tune2fs -c 30 /dev/sda2          # fsck каждые 30 монтирований

Структура ext4

Каждый файл имеет inode (index node) — структуру данных с метаинформацией: владелец, права, размер, временные метки, указатели на блоки данных. Имя файла хранится в директории (маппинг «имя → номер inode»).

ls -i file              # показать номер inode
stat file               # полная информация inode
df -i                   # использование inode

Журнал (journal) записывает изменения до их применения — при сбое ФС может откатить незавершённые операции вместо полного fsck.

Монтирование

Монтирование — подключение ФС раздела к точке в дереве каталогов.

# Ручное монтирование
sudo mount /dev/sda2 /mnt
sudo mount -t ext4 /dev/sda2 /mnt          # указать тип FS
sudo mount -o ro /dev/sda2 /mnt            # read-only
sudo mount UUID=xxx-yyy /mnt               # по UUID
 
# Размонтирование
sudo umount /mnt
sudo umount -l /mnt                        # lazy (если «busy»)

/etc/fstab — автоматическое монтирование

Каждая строка — правило монтирования при загрузке:

# <устройство>                          <точка>   <тип>  <опции>       <dump> <fsck>
UUID=xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx /         ext4   errors=remount-ro 0    1
UUID=yyyyyyyy-yyyy-yyyy-yyyy-yyyyyyyyyyyy /home     ext4   defaults          0    2
UUID=zzzzzzzz-zzzz                       /boot/efi vfat   umask=0077        0    1
UUID=ssssssss-ssss                       none      swap   sw                0    0
tmpfs                                    /tmp      tmpfs  defaults,size=2G  0    0

Поле	Описание
Устройство	UUID (надёжно), `/dev/sda2`, LABEL=name
Точка монтирования	Путь в дереве каталогов
Тип FS	ext4, xfs, vfat, swap, tmpfs
Опции	defaults, ro, noexec, nosuid, noatime
dump	0=не бэкапить, 1=бэкапить (устарело)
fsck	0=не проверять, 1=первый (root), 2=после root

# Применить fstab без перезагрузки
sudo mount -a
 
# Проверить fstab на ошибки (перед reboot!)
sudo findmnt --verify

Ошибка в fstab может сделать систему незагружаемой! Всегда проверяйте перед перезагрузкой.

Swap (подкачка)

Swap — область на диске, куда ядро выгружает редко используемые страницы памяти.

# Создать swap-раздел
sudo mkswap /dev/sda3
sudo swapon /dev/sda3
 
# Создать swap-файл
sudo fallocate -l 2G /swapfile
sudo chmod 600 /swapfile
sudo mkswap /swapfile
sudo swapon /swapfile
 
# Добавить в fstab для автоматической активации
# /swapfile  none  swap  sw  0  0
 
# Статус
swapon --show
free -h

LVM (Logical Volume Manager)

LVM добавляет уровень абстракции между разделами и файловыми системами: можно изменять размеры «на лету», объединять несколько дисков, делать снапшоты.

Архитектура

Физические диски/разделы
   /dev/sda1   /dev/sdb1
       ↓           ↓
   PV (Physical Volume)        ← pvcreate
       └─────┬─────┘
             ↓
   VG (Volume Group)           ← vgcreate
       ┌─────┼─────┐
       ↓     ↓     ↓
   LV      LV     LV           ← lvcreate
  (root)  (home) (swap)
       ↓     ↓     ↓
   ext4   ext4   swap           ← mkfs / mkswap

Команды

# Создание
sudo pvcreate /dev/sdb1                    # физический том
sudo vgcreate myvg /dev/sdb1              # группа томов
sudo lvcreate -L 10G -n mydata myvg       # логический том 10 ГБ
sudo lvcreate -l 100%FREE -n rest myvg    # всё оставшееся место
sudo mkfs.ext4 /dev/myvg/mydata           # ФС на LV
 
# Просмотр
sudo pvs / pvdisplay                      # физические тома
sudo vgs / vgdisplay                      # группы томов
sudo lvs / lvdisplay                      # логические тома
 
# Расширение (главное преимущество LVM)
sudo lvextend -L +5G /dev/myvg/mydata     # добавить 5 ГБ
sudo resize2fs /dev/myvg/mydata           # расширить ext4
# Для XFS: sudo xfs_growfs /mnt/mydata

LVM-тома доступны как /dev/VG/LV (например /dev/myvg/mydata) — эти пути можно использовать в fstab и mount.

Подводные камни

Ситуация	Совет
`dd of=/dev/sda` вместо `of=/dev/sdb`	Данные уничтожены. Трижды проверяйте `of=`
`umount: target is busy`	Кто-то использует FS. `lsof +D /mnt` → найти процесс
Ошибка в fstab → не грузится	Загрузиться с Live USB или `init=/bin/bash` → `mount -o remount,rw /` → исправить
`/dev/sda` стал `/dev/sdb` после reboot	Использовать UUID вместо имён устройств
`No space left on device` при свободном месте	Кончились inode: `df -i`. Много мелких файлов
LVM: lvextend без resize2fs	Том расширен, но FS не знает. Нужен `resize2fs` (ext4) или `xfs_growfs` (XFS)

Связанные материалы

filesystem — FHS, типы файлов, пути
manage-disks — практические сценарии
boot-process — как ядро находит корневую FS

Knowladge Base

Проводник

Устройства, диски и файловые системы

Устройства, диски и файловые системы

Зачем это знать

Типы устройств

Номера major и minor

Специальные устройства

/dev/, sysfs и udev

devtmpfs и /dev/

sysfs (/sys/)

udev

dd — копирование на уровне блоков

Разметка дисков

MBR vs GPT

Инструменты разметки

Файловые системы

Типы ФС

Создание, проверка, настройка

Структура ext4

Монтирование

/etc/fstab — автоматическое монтирование

Swap (подкачка)

LVM (Logical Volume Manager)

Архитектура

Команды

Подводные камни

Связанные материалы

Вид графа

Оглавление

Обратные ссылки