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玄貓（BlackCat）

Linux儲存與網路技術深度解析

本文探討 Linux 系統的 RAID 技術、現代資料儲存型別（區塊、檔案、物件儲存）、TCP/UDP 連線埠、Linux 作業系統核心組成、檔案系統、GUI 架構以及 LVM 等關鍵技術。文章解析了 RAID 各等級的特性、不同儲存型別的應用場景、知名 TCP/UDP 連線埠的功能，以及 Linux

Linux 系統管理
RAID 區塊儲存 檔案系統 DNS LVM 網路管理

Linux 系統管理員和開發者經常需要處理儲存和網路相關的技術挑戰。本文旨在提供一個全面的技術，涵蓋 RAID、現代資料儲存型別、TCP/UDP 連線埠、Linux 檔案系統、GUI 架構和 LVM 等重要議題。透過深入理解這些技術，讀者可以更有效地管理 Linux 系統、提升系統效能和穩定性，並解決常見的網路和儲存問題。文章也提供了一些實用的程式碼範例和故障排除技巧，方便讀者在實際操作中參考和應用。

現代資料儲存型別與RAID技術解析

在現代資料儲存領域中，不同的儲存技術與架構對於資料的安全性、存取效率以及系統的可靠性具有重要影響。本文將探討RAID（冗餘磁碟陣列）技術的不同等級，以及現代資料儲存的三種型別：區塊儲存、檔案儲存和物件儲存。

RAID技術詳解

RAID技術透過將多個物理磁碟組合成一個邏輯儲存單元，以提升資料儲存的效能、可靠性和容錯能力。不同的RAID等級提供了不同的效能、容錯和成本特性。

RAID 1：映象儲存

RAID 1透過將資料映象複製到兩個或更多的磁碟上，提供了資料冗餘。雖然讀取速度較快，但寫入速度較慢，因為資料必須同時寫入多個磁碟。

  • 最小磁碟數量： 2
  • 容錯能力： 1個磁碟
  • 儲存空間開銷： 50%
  • 讀取速度： 快
  • 寫入速度： 平均

RAID 5：條帶化與奇偶校驗

RAID 5透過在三個或更多的磁碟上條帶化資料和奇偶校驗資訊，提供了資料容錯和較快的讀取速度。然而，寫入速度較慢，因為每次寫入都需要更新奇偶校驗資訊。

  • 最小磁碟數量： 3
  • 容錯能力： 1個磁碟
  • 儲存空間開銷： 1個磁碟
  • 讀取速度： 快
  • 寫入速度： 慢

RAID 6：雙重奇偶校驗

RAID 6在四個或更多的磁碟上條帶化資料和雙重奇偶校驗資訊，提供了比RAID 5更高的容錯能力，可以承受兩個磁碟故障。

  • 最小磁碟數量： 4
  • 容錯能力： 2個磁碟
  • 儲存空間開銷： 2個磁碟
  • 讀取速度： 慢
  • 寫入速度： 慢

RAID 0+1（RAID 10）：條帶化與映象

RAID 10結合了RAID 0的條帶化和RAID 1的映象，提供高容量和容錯能力。寫入速度較慢，因為需要更新兩個映象副本。

  • 最小磁碟數量： 4
  • 容錯能力： 1個磁碟
  • 儲存空間開銷： 50%
  • 讀取速度： 快
  • 寫入速度： 平均

RAID 0+5（RAID 50）與RAID 0+6（RAID 60）

RAID 50和RAID 60分別結合了RAID 5和RAID 6的特性，提供更高的容量和容錯能力。這些組態需要更多的磁碟，並且寫入速度較慢。

現代資料儲存型別

現代資料儲存主要分為三種型別：區塊儲存、檔案儲存和物件儲存。每種型別都有其特定的應用場景和優缺點。

區塊儲存

區塊儲存是最傳統的儲存方式，將資料分割成固定大小的區塊並儲存在多個物理裝置上。伺服器透過iSCSI或光纖通道存取區塊儲存。

  • 優點： 高效能，適合頻繁變更的交易資料。
  • 缺點： 使用層級式檔案結構，當檔案數量龐大時效能會下降。

檔案儲存

檔案儲存根據區塊儲存，但針對網路檔案分享進行了最佳化。NAS裝置是檔案儲存的典型代表，支援NFS和SMB/CIFS等檔案分享協定。

  • 優點： 簡化網路檔案管理。
  • 缺點： 可擴充套件性有限，不適合交易密集型應用。

物件儲存

物件儲存使用鍵值對儲存資料，適合儲存大量非結構化資料，如媒體檔案、備份和日誌。物件通常透過REST API存取。

  • 優點： 高度可擴充套件，支援分散式架構，適合靜態資料。
  • 缺點： 不適合頻繁變更的資料，且缺乏檔案鎖定機制。

TCP/UDP 通訊協定與知名連線埠解析

在 TCP/IP 通訊協定架構中，連線埠（Port）的概念扮演著至關重要的角色。系統總共支援高達 65535 個連線埠，用於與本地系統上的各類別服務進行通訊。每個服務可以自由選擇所需的連線埠，但大多數情況下，人們會遵循一些普遍的指導原則。例如，非安全的 HTTP 服務預設使用 TCP 的 80 連線埠，而安全的 HTTP（HTTPS）則預設使用 TCP 的 443 連線埠。

連線埠的分類別

根據連線埠號碼的不同，可以將其劃分為三大類別：

  1. Well-Known Ports（知名連線埠）：範圍介於 0 至 1023 之間的 TCP/UDP 連線埠。這些連線埠通常被分配給系統服務或應用程式，用於提供特定的網路服務。

  2. Registered Ports（註冊連線埠）：範圍介於 1024 至 49151 之間的 TCP/UDP 連線埠。這些連線埠通常由軟體開發者註冊，以指定其程式或服務所使用的預設連線埠。

  3. Public Ports（公用連線埠）：範圍介於 49152 至 65535 之間的 TCP/UDP 連線埠。這些連線埠可供任何人使用，並未被保留給特定的服務或應用程式。

知名連線埠列表與應用

以下列出一些常見的知名連線埠及其對應的服務：

  • 20 (TCP)：FTP 資料傳輸連線埠
  • 21 (TCP)：FTP 控制命令連線埠
  • 22 (TCP/UDP)：SSH（Secure Shell）用於安全登入、檔案傳輸及連線埠轉發
  • 23 (TCP/UDP)：Telnet 通訊協定，用於非加密的文字通訊
  • 25 (TCP/UDP)：SMTP（Simple Mail Transport Protocol），用於電子郵件在郵件伺服器之間的路由傳遞
  • 53 (TCP/UDP)：DNS（Domain Name System）
  • 67 (UDP)：BOOTP（Bootstrap Protocol）伺服器，也被 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）使用
  • 68 (UDP)：BOOTP 使用者端，也被 DHCP 使用
  • 69 (UDP)：TFTP（Trivial File Transfer Protocol）
  • 80 (TCP)：HTTP（Hypertext Transfer Protocol），用於傳輸網頁內容
  • 110 (TCP)：POP3（Post Office Protocol version 3），用於檢索電子郵件
  • 123 (UDP)：NTP（Network Time Protocol），用於時間同步
  • 443 (TCP)：HTTPS，根據 TLS/SSL 的加密 HTTP 通訊協定

程式碼範例與解析

以下是一個簡單的 Python 程式碼範例，用於掃描目標主機的特定連線埠是否開放：

import socket

def scan_port(ip, port):
    try:
        sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
        sock.settimeout(1)
        result = sock.connect_ex((ip, port))
        if result == 0:
            print(f"Port {port} is open")
        else:
            print(f"Port {port} is closed")
        sock.close()
    except socket.error as e:
        print(f"Socket error: {e}")

# 範例用法
target_ip = "127.0.0.1"
target_port = 80
scan_port(target_ip, target_port)

內容解密：

  1. import socket：匯入 Python 的 socket 模組，用於網路通訊。
  2. def scan_port(ip, port):：定義一個函式 scan_port，接受目標 IP 位址和連線埠號碼作為引數。
  3. sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)：建立一個 TCP socket 物件，用於與目標主機的指定連線埠建立連線。
  4. sock.settimeout(1)：設定 socket 的逾時時間為 1 秒，避免無限等待。
  5. result = sock.connect_ex((ip, port))：嘗試與目標主機的指定連線埠建立連線。若連線成功，result 為 0；否則為非零值。
  6. if result == 0:：根據 result 的值判斷連線埠是否開放，並輸出相應的結果。
  7. sock.close()：關閉 socket 連線，釋放資源。

防火牆組態與安全考量

在組態防火牆時，瞭解各類別服務所使用的連線埠號碼至關重要。管理員應謹慎開放必要的連線埠，同時關閉不必要的連線埠，以降低安全風險。

系統層級解析：深入理解Linux作業系統的核心組成

Linux作業系統是一個複雜的系統，由多個層級和子系統組成。瞭解這些層級和子系統對於深入理解Linux的工作原理至關重要。本文將探討Linux作業系統的幾個關鍵組成部分，包括區塊儲存裝置、DNS（網域名稱系統）、Linux發行版/作業系統、Linux檔案系統、Linux GUI（圖形使用者介面）以及LVM（邏輯卷管理）等。

區塊儲存裝置

區塊儲存裝置是Linux系統中用於儲存資料的主要裝置。主要有兩種型別的區塊儲存裝置：物理硬碟（HD）和固態硬碟硬碟（SSD）。

物理硬碟（HD）

物理硬碟由一個或多個旋轉的磁碟組成。每個磁碟被劃分為物理磁軌和扇區。區塊（或叢集）是由多個扇區組成的群組。物理硬碟透過讀寫磁頭存取資料，資料的存取是透過定址到特定的扇區來實作的。

固態硬碟硬碟（SSD）

固態硬碟硬碟使用快閃記憶體來儲存資料。當作業系統讀寫資料時，SSD的控制器會查詢資料的位址並改變該位置的充電狀態。SSD會執行垃圾回收和TRIM等過程，以確保資料的正確存取和延長使用壽命。

內容解密：

  1. 物理硬碟與固態硬碟硬碟的區別：物理硬碟使用旋轉的磁碟和機械讀寫頭，而固態硬碟硬碟使用快閃記憶體，無機械部件。
  2. 區塊儲存裝置的工作原理：無論是物理硬碟還是固態硬碟硬碟，都透過定址到特定的儲存單元來存取資料。
  3. 垃圾回收和TRIM過程的重要性：這些過程對於維護SSD的效能和延長其使用壽命至關重要。

DNS（網域名稱系統）

DNS是網際網路上用於將網域名稱解析為IP地址的系統。當使用者在瀏覽器中輸入一個網址時，DNS會將該網址解析為對應的IP地址，以便使用者能夠存取該網站。

DNS解析過程

  1. 本地DNS快取：首先檢查本地DNS快取中是否有該網域的IP地址。
  2. 本地DNS伺服器：如果本地DNS快取中沒有，則向本地DNS伺服器查詢。
  3. 根DNS伺服器：如果本地DNS伺服器沒有該資訊，則向根DNS伺服器查詢。

內容解密：

  1. DNS解析的基本流程：從本地DNS快取到根DNS伺服器的查詢過程。
  2. 本地DNS快取的重要性：可以加快網域解析的速度。
  3. 根DNS伺服器的作用：提供最終的網域解析結果。

Linux 網路與檔案系統深度解析

網域名稱系統（DNS）解析流程詳解

DNS 是網路基礎設施的核心，負責將人類可讀的網域名稱轉換為機器可理解的 IP 位址。以下將探討 DNS 解析流程及其重要性。

DNS 解析過程

  1. 本地 DNS 伺服器（Local DNS Server）：首先查詢本地 DNS 快取或資料函式庫，如果找到直接回應，否則將請求轉發給上游 DNS 伺服器。
  2. 使用者端 ISP 的 DNS 伺服器（Client ISP’s DNS Server）：如果本地 DNS 沒有快取該記錄，則向使用者端 ISP 的 DNS 伺服器發起查詢。
  3. 根網域名稱伺服器（Root DNS Servers）：ISP 的 DNS 伺服器如果沒有快取，則查詢根網域名稱伺服器以取得頂級網域資訊。
  4. 網際網路服務的 ISP DNS（Internet Service’s ISP DNS）：最終由負責該網域的 ISP DNS 提供具體的 IP 位址。

故障排除技巧

  • 使用 nslookup 指令檢查網域名稱解析是否正常，例如：nslookup service.example.com
  • 檢查網路設定，嘗試 ping 預設閘道（default gateway），確認系統的網路連線是否正常
  • 使用 ip route | grep default 檢視預設閘道
  • 測試外部連線，例如：ping example.com
  • 如果 ping 不通網域名稱但能 ping 通 IP 位址（如 93.184.216.34），表示網路子系統正常但 DNS 出現問題

相關設定檔與指令

  • /etc/hosts.allow 和 /etc/hosts.deny：控制允許或拒絕存取的主機清單
  • /etc/resolv.conf：顯示系統使用的 DNS 伺服器設定
  • ip address show：顯示所有網路介面資訊
  • ip address show eth0：檢視特定網路介面的 IP 位址和子網路遮罩

Linux 發行版與作業系統架構

Linux 發行版由多個技術層組成，每一層都扮演著特定的角色。

使用者層（User Layer）

  • 圖形化應用程式和工具（GUI Applications and Tools）
  • 命令列介面（CLI）、Shell 工具和指令碼

作業系統層（Operating System Layer）

  • 程式函式庫、軟體倉函式庫和守護行程（Daemons）
  • 核心（Kernel）、裝置驅動程式、模組、防火牆和檔案系統

硬體層（Hardware Layer）

包括實體或虛擬化的硬體資源，如 CPU、記憶體、儲存裝置和網路介面。

Linux 檔案系統概覽

Linux 檔案系統採用階層式結構，從實體儲存裝置到分割區再到檔案系統。

檔案系統儲存概覽

  1. 實體儲存裝置：最底層的實體硬體，如硬碟或 SSD。
  2. 分割區：實體裝置上的邏輯分割，用於組織資料。
  3. 檔案系統：最終儲存檔案的邏輯結構。

在 Linux 中，所有裝置都被視為檔案，並在 /dev 目錄下表示。例如：

  • 硬碟裝置名稱如 /dev/sda 或 /dev/hda
  • 分割區名稱如 /dev/sda1 或 /dev/sda2

相關技術與概念

  • 裝置介面：如 SATA、SCSI、IDE 等，用於連線儲存裝置。
  • 檔案系統型別：不同的檔案系統（如 ext4、XFS）提供不同的功能和效能。

Linux 儲存架構與 LVM 深度解析

Linux 系統的儲存架構涵蓋了從實體硬碟到檔案系統的多層次結構，理解這些層次對於有效管理儲存裝置至關重要。本文將探討 Linux 儲存架構的各個層面，包括實體硬碟、分割區、檔案系統，以及進階的邏輯捲軸管理（LVM）。

實體硬碟與分割區結構

實體硬碟（如 /dev/sda、/dev/sdb 等）是儲存資料的基礎。每個硬碟由一個或多個磁碟組成，這些磁碟被劃分為多個磁軌（tracks）和扇區（sectors）。扇區是硬碟上最小的可定址儲存單位。

分割區型別

在傳統的 MBR（Master Boot Record）分割區表中，存在三種型別的分割區：

  1. 主要分割區（Primary Partition）：最多可以有三個，如 sda1、sda2 和 sda3。
  2. 延伸分割區（Extended Partition）：如 sda4，用於容納邏輯分割區。
  3. 邏輯分割區（Logical Partition）：如 sda5、sda6 等，位於延伸分割區內。

值得注意的是，MBR 分割區表有其限制，例如最多支援四個主要分割區，且單一分割區最大容量為 2TB。相較之下，GPT（GUID Partition Table）分割區表支援最多 128 個分割區，且單一分割區最大容量可達 9.44ZB（使用 512 位元組區塊）。

檔案系統與掛載點

在建立檔案系統之前，分割區必須先被格式化。常見的檔案系統包括 EXT4、BRTFS 和 swap 等。Linux 系統透過掛載點將各個檔案系統整合到統一的根目錄（"/"）下，掛載資訊通常儲存在 /etc/fstab 檔案中。

檢視掛載檔案系統

可以使用以下命令檢視目前掛載的檔案系統：

df -h

或

findmnt

Linux GUI 與系統層次

Linux 圖形使用者介面（GUI）由多個層次組成，從下到上依次為：硬體層、作業系統層（包含核心和檔案系統）、X-Windows Server、顯示管理器（Display Manager）、會話管理器（Session Manager）、視窗管理器（Window Manager），以及桌面環境（Desktop Environment）和應用程式。

邏輯捲軸管理（LVM）

LVM 提供了一種靈活的儲存管理方式，可以將多個實體儲存裝置組合成一個邏輯儲存池，並進一步劃分為邏輯捲軸。

LVM 儲存抽象層次

LVM 的儲存抽象層次包括：

  1. 實體捲軸（Physical Volumes, PV）：實體儲存裝置，如硬碟或 RAID 陣列。
  2. 捲軸群組（Volume Groups, VG）：將多個實體捲軸組合成一個邏輯儲存池。
  3. 邏輯捲軸（Logical Volumes, LV）：從捲軸群組中劃分出的邏輯儲存單元，類別似於傳統的分割區。

Extents 與 LVM 的靈活性

LVM 的核心概念是 Extents，它是構成捲軸的基本單位。LVM 支援兩種型別的 Extents：實體 Extents 和邏輯 Extents。實體 Extents 對應到實體儲存裝置上的資料區塊，而邏輯 Extents 則是邏輯捲軸上的資料區塊。透過 Extents 的對映，LVM 可以實作資料的動態分配、擴充套件和縮減。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Linux儲存與網路技術深度解析

package "網路架構" {
    package "應用層" {
        component [HTTP/HTTPS] as http
        component [WebSocket] as ws
        component [gRPC] as grpc
    }

    package "傳輸層" {
        component [TCP] as tcp
        component [UDP] as udp
        component [TLS/SSL] as tls
    }

    package "網路層" {
        component [IP] as ip
        component [ICMP] as icmp
        component [路由協議] as routing
    }

    package "鏈路層" {
        component [Ethernet] as eth
        component [WiFi] as wifi
        component [ARP] as arp
    }
}

http --> tcp
ws --> tcp
grpc --> tcp
tcp --> tls : 加密
tls --> ip
udp --> ip
ip --> routing
routing --> eth
routing --> wifi
eth --> arp

@enduml

此圖示說明瞭 LVM 的抽象層次結構，從實體儲存裝置到邏輯捲軸，再到檔案系統的對映關係。