Тема 3: Файловые операции и диски

💾 Что такое файловая система?

Файловая система — это способ организации и хранения данных на устройствах: жёстких дисках, SSD, флешках. Она определяет, как данные записываются, где хранятся и как к ним получить доступ.

📂

Организация данных

Создание структуры каталогов и файлов — то самое дерево папок, которое ты видишь в системе.

🔐

Управление доступом

Кто может читать, записывать и выполнять файлы — права rwx из предыдущей темы.

📋

Метаданные

Размер файла, дата создания, владелец, права — всё это хранится в специальных структурах (inode).

⚡

Эффективность

Минимизация фрагментации и быстрый доступ к данным — ключевая задача любой ФС.

📊 Популярные файловые системы

Файловая система	ОС	Особенности
`ext4`	Linux	Стандарт в большинстве дистрибутивов. Стабильная, журналируемая, до 1 ЭБ
`ext3`	Linux	Предшественник ext4. Журналирование, но медленнее и меньше лимиты
`XFS`	Linux	Высокая производительность на больших файлах. Используется в RHEL/CentOS
`Btrfs`	Linux	Современная ФС: снимки (snapshots), сжатие, самовосстановление
`NTFS`	Windows	Шифрование, сжатие, восстановление данных. Linux может читать/писать через ntfs-3g
`FAT32`	Кросс-платформа	Совместима с любой ОС. Лимит файла — 4 ГБ. Для флешек
`exFAT`	Кросс-платформа	Эволюция FAT32 без лимита 4 ГБ. Для SD-карт, внешних дисков

💡

Какую выбрать? Для Linux-сервера — ext4 (надёжность) или XFS (большие файлы). Для флешки — exFAT. Для экспериментов — Btrfs (snapshots!).

🧩 Inode (индексный дескриптор)

Inode — это структура данных, которая хранит всю информацию о файле, кроме его имени и содержимого. Каждый файл и каталог имеет свой уникальный номер inode.

📏

Размер файла

Сколько байт занимает файл на диске

🕐

Временные метки

Создание, изменение, последний доступ

🔐

Права и владелец

rwx, UID, GID — кто и что может делать

💿

Ссылки на блоки

Где физически лежат данные на диске

inode

user@linux:~$

ls -i file.txt

12345 file.txt

# -i показывает номер inode. У каждого файла он уникален

user@linux:~$

stat file.txt

File: file.txt Size: 1234 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file Device: 802h/2050d Inode: 12345 Links: 1 Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 1000/ user) Gid: ( 1000/ user) Access: 2026-04-17 08:00:00 Modify: 2026-04-16 15:30:00 Change: 2026-04-16 15:30:00

📝

Важно: Имя файла хранится не в inode, а в записи каталога. Каталог — это таблица, где каждая строка связывает имя с номером inode. Поэтому один файл может иметь несколько имён (жёстких ссылок).

📊 Просмотр места на диске

Переполнение диска может вызвать сбой служб, невозможность записи логов и даже крах системы. Поэтому мониторинг — обязательная привычка любого администратора.

место на диске

user@linux:~$

df -h

Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on /dev/sda1 50G 23G 25G 48% / /dev/sdb1 100G 67G 28G 71% /data tmpfs 3.9G 0 3.9G 0% /dev/shm

# -h человекочитаемый формат (GB, MB), -T покажет тип ФС

user@linux:~$

du -sh /var/log

1.2G /var/log

# -s итог по каталогу, -h читаемый формат. Полезно найти «тяжёлые» папки

user@linux:~$

du -sh /var/log/* | sort -rh | head -5

# Топ-5 самых больших файлов/папок в /var/log

user@linux:~$

lsblk

NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT sda 8:0 0 50G 0 disk └─sda1 8:1 0 50G 0 part / sdb 8:16 0 100G 0 disk └─sdb1 8:17 0 100G 0 part /data

# Информация о дисках и разделах. Показывает структуру без лишних деталей

user@linux:~$

ncdu /home

# Интерактивный анализ диска (нужно установить: sudo apt install ncdu)

⚡ Нагрузка на диск

Если система тормозит, а CPU не загружен — часто виноват именно диск. Эти утилиты помогут найти проблему.

📈

iotop

Показывает процессы, которые больше всего нагружают диск. Аналог top, но для I/O.

sudo iotop

📊

iostat

Статистика ввода-вывода. Ключевые метрики: %util (загрузка), await (время ожидания).

iostat -x 1

🖥️

vmstat

Общая информация о ресурсах: CPU, память, I/O. Колонки bi/bo — дисковые операции.

vmstat 1

💡

Совет: если %util в iostat близок к 100% — диск перегружен. Посмотри через iotop, какой процесс создаёт нагрузку, и реши: оптимизировать, перенести на другой диск или заменить на SSD.

🔌 Монтирование

Монтирование — это подключение файловой системы (диска, флешки, сетевого ресурса) к определённому каталогу в дереве Linux. Без монтирования система «не видит» устройство.

📂

Точка монтирования — любой существующий каталог (обычно в /mnt или /media). После монтирования через него доступно содержимое устройства.

монтирование

user@linux:~$

lsblk

# Посмотреть доступные устройства и разделы перед монтированием

user@linux:~$

sudo mount /dev/sdb1 /mnt

# Подключить раздел /dev/sdb1 к каталогу /mnt

user@linux:~$

mount | grep sdb1

# Проверить, что устройство подключено

user@linux:~$

sudo umount /mnt

# Размонтировать (отключить). Нельзя, если каталог используется!

user@linux:~$

cat /etc/fstab

# Файл автомонтирования при загрузке системы

💡

/etc/fstab — файл, в котором прописаны устройства, монтируемые автоматически при старте системы. Каждая строка: устройство, точка монтирования, тип ФС, опции, дамп, проверка.

🔗 Hardlink и Softlink

Ссылки позволяют создавать альтернативные пути к одному и тому же файлу без его дублирования.

⛓️ Жёсткая ссылка (Hardlink)

Указывает на тот же inode, что и исходный файл. Фактически — ещё одно имя для одного набора данных.

Если удалить оригинал — данные сохранятся, пока существует хотя бы одна жёсткая ссылка.

❌ Нельзя: на каталоги / на другой раздел диска

🔀 Символическая ссылка (Softlink)

Специальный файл со своим inode, который хранит путь к целевому файлу. Работает как ярлык в Windows.

Если удалить оригинал — ссылка станет «битой» (broken symlink).

✅ Можно: на каталоги, на другие разделы, на сетевые файлы

ссылки

user@linux:~$

ln file1 hardlink1

# Создать жёсткую ссылку

user@linux:~$

ls -i file1 hardlink1

12345 file1 12345 hardlink1

# Одинаковый номер inode — это один и тот же файл!

user@linux:~$

ln -s file1 softlink1

# Создать символическую ссылку (-s = symbolic)

user@linux:~$

ls -l softlink1

lrwxrwxrwx 1 user user 5 Apr 17 10:00 softlink1 -> file1

# l в начале = symlink. Указывает на file1

user@linux:~$

ln -s /etc/nginx/nginx.conf ~/nginx.conf

# Удобно: сделать ярлык на конфиг в домашнем каталоге

🗄️ RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks) — технология объединения нескольких дисков в массив для повышения производительности или надёжности.

Уровень	Принцип	Скорость	Отказоустойчивость	Применение
RAID 0 Striping	Данные делятся на блоки и пишутся на все диски параллельно	⚡ Максимум	❌ Нет (сбой 1 диска = потеря всего)	Кеш, временные данные
RAID 1 Mirroring	Данные зеркалируются: записываются одновременно на все диски	👍 Обычная	✅ Высокая (работает пока есть хоть 1 диск)	Критичные данные, БД
RAID 5 Striping + Parity	Данные + блоки чётности распределены по всем дискам	👍 Хорошая	✅ Выдержит 1 сбой	Серверы, NAS-хранилища
RAID 10 1+0	Сначала зеркалирование (RAID 1), потом распределение (RAID 0)	⚡ Высокая	✅ Очень высокая	Высоконагруженные БД

💡

RAID — не замена резервным копиям! RAID защищает от отказа диска, но не от случайного удаления данных, вирусов или пожара. Всегда делай бэкапы по правилу 3-2-1.

📦 LVM — Logical Volume Manager

LVM — система управления дисковыми разделами, которая делает их гибкими. Можно изменять размеры, объединять диски и добавлять новые — без остановки системы.

1

Physical Volume (PV)

Физический диск или раздел: /dev/sda1, /dev/sdb

2

Volume Group (VG)

Группа PV — общий «пул» памяти

3

Logical Volume (LV)

Логический раздел внутри VG — виден системе как обычный диск

LVM — основные команды

root@linux:~#

pvcreate /dev/sdb

# Инициализировать диск как Physical Volume

root@linux:~#

vgcreate my_vg /dev/sdb

# Создать Volume Group из PV

root@linux:~#

lvcreate -L 20G -n my_lv my_vg

# Создать Logical Volume на 20 GB

root@linux:~#

lvextend -L +10G /dev/my_vg/my_lv

# Расширить LV на 10 GB без остановки системы!

root@linux:~#

pvs && vgs && lvs

# Просмотр PV, VG и LV

💿 MBR и GPT

Прежде чем создать файловую систему, диск нужно разметить. Существуют два стандарта разметки: старый MBR и современный GPT.

🧓 MBR (Master Boot Record)

Первый сектор диска (512 байт): загрузчик + таблица разделов.

⚠️ Ограничения:

Максимум 4 основных раздела
Максимальный размер раздела — 2 ТБ
Таблица хранится в одном месте — риск повреждения

🆕 GPT (GUID Partition Table)

Часть стандарта UEFI. Современная замена MBR.

✅ Преимущества:

До 128 разделов
Диски свыше 9 зеттабайт
Несколько копий таблицы разделов
Контрольные суммы CRC32

📝

Вывод: для современных дисков — всегда выбирай GPT. MBR актуален только для старых систем с BIOS или дисков меньше 2 ТБ, где нужна максимальная совместимость.

🚀 Этапы загрузки Linux

Что происходит от нажатия кнопки питания до появления командной строки — 4 ключевых этапа.

1️⃣

BIOS / UEFI

BIOS: проверяет оборудование (POST), ищет загрузочный диск по MBR, передаёт управление загрузчику.
UEFI: современная замена BIOS. Поддерживает GPT, графический интерфейс, Secure Boot, быстрый старт. Ищет файл EFI/BOOT/BOOTX64.EFI.

2️⃣

Загрузчик (Bootloader) — GRUB

GRUB (GNU GRand Unified Bootloader) — самый популярный загрузчик для Linux.
Показывает меню выбора ОС, загружает ядро в память и передаёт ему управление.
⚠️ Повреждённый GRUB = система не запустится. Восстанавливается через Live USB.

3️⃣

Ядро Linux (Kernel)

Ядро загружается в память, инициализирует оборудование (драйверы, прерывания), монтирует корневую файловую систему /.
Если ядро не способно найти / — ты увидишь «kernel panic».

4️⃣

Инициализация сервисов — Systemd

systemd — современный менеджер запуска (PID 1). Монтирует остальные разделы (/home, /var), запускает все фоновые службы параллельно.
После завершения — появляется экран входа или командная строка.
Старый аналог: SysVinit (поочерёдный запуск служб — медленнее).

загрузка и systemd

user@linux:~$

systemctl list-units --type=service --state=running

# Посмотреть все запущенные службы

user@linux:~$

systemd-analyze

# Время загрузки системы по этапам

user@linux:~$

systemd-analyze blame | head -10

# Топ-10 служб по времени запуска — найди тормоза загрузки

user@linux:~$

dmesg | less

# Журнал ядра при загрузке — ошибки оборудования, драйверов

🏋️ Практические упражнения

Задания для закрепления материала. Выполняй на виртуальной машине (VM) или VPS.

Требования:

Создайте 3 виртуальных диска (файла), объёмом по 1ГБ каждый.
Разметьте созданные диски:
- Разметьте disk1.img в формате MBR, создайте один раздел и отформатируйте его в ext4.
- Разметьте disk2.img в формате GPT, создайте два раздела: xfs и btrfs.
- Используйте parted для гибкой разметки третьего диска (disk3.img).
Настройка файловой системы:
- (По возможности) на btrfs или ext4 измените настройки inodes или другие параменты, если ФС это позволяет.
- Выполните команды для проверки состояния файловой системы.

💡 Показать решение

задание 1

user@linux:~$

fallocate -l 1G disk1.img && fallocate -l 1G disk2.img && fallocate -l 1G disk3.img

# Создаем виртуальные диски по 1GB

user@linux:~$

sudo fdisk disk1.img

# MBR: нажми 'o' (создать DOS/MBR таблицу), затем 'n' (новый раздел), 'p', enter, enter, enter, 'w' (сохранить)

user@linux:~$

sudo partprobe disk1.img

user@linux:~$

sudo losetup -fP disk1.img

# Монтируем файл как loop-устройство (например, /dev/loop0)

user@linux:~$

sudo mkfs.ext4 /dev/loop0p1

# Форматируем раздел в ext4

user@linux:~$

sudo gdisk disk2.img

# GPT: нажми 'o' (GPT таблица), затем 'n', enter, enter, '+500M', 'n', enter, enter, enter. И 'w' (сохранить)

user@linux:~$

sudo losetup -fP disk2.img

# Например, это стало /dev/loop1 (содержит loop1p1 и loop1p2)

user@linux:~$

sudo mkfs.xfs /dev/loop1p1

user@linux:~$

sudo mkfs.btrfs /dev/loop1p2

user@linux:~$

sudo parted disk3.img mktable gpt mkpart primary ext4 1MiB 100%

# Гибкая разметка диска 3 одним разделом через parted

user@linux:~$

sudo tune2fs -i 30d /dev/loop0p1

# Изменение параметров. Здесь задаем интервал проверки ФС в 30 дней для ext4

user@linux:~$

sudo e2fsck -f /dev/loop0p1

# Проверка состояния файловой системы (ext4)

Требования:

Смонтируйте созданные разделы (из задания 1) в директории /mnt/disk1, /mnt/disk2, /mnt/disk3.
Проверьте доступность дисков через lsblk и df -h.
Добавьте записи для каждого диска в файл /etc/fstab.
Перезагрузите систему (или перемонтируйте всё) и проверьте, что диски автоматически монтируются.

💡 Показать решение

задание 2

user@linux:~$

sudo mkdir -p /mnt/disk1 /mnt/disk2 /mnt/disk3

# Создаем точки монтирования

user@linux:~$

sudo mount /dev/loop0p1 /mnt/disk1

user@linux:~$

sudo mount /dev/loop1p1 /mnt/disk2

user@linux:~$

sudo mount /dev/loop1p2 /mnt/disk3

# Ручное монтирование

user@linux:~$

df -h && lsblk

# Проверка доступности

user@linux:~$

sudo nano /etc/fstab

# Добавляем строки (замените loop-устройства на нужные, либо используйте UUID - можно узнать через blkid):

# /dev/loop0p1 /mnt/disk1 ext4 defaults 0 2

# /dev/loop1p1 /mnt/disk2 xfs defaults 0 2

# /dev/loop1p2 /mnt/disk3 btrfs defaults 0 2

user@linux:~$

sudo umount /mnt/disk* && sudo mount -a

# Отмонтируем и проверяем работу fstab. Если ошибок нет — монтирование прошло успешно.

Требования:

Выполните df -h для анализа свободного и занятого пространства.
Создайте несколько крупных файлов (например, 500 МБ, 700 МБ) и найдите их с помощью du.
Установите и используйте ncdu для интерактивного анализа использования пространства.
Проверьте состояние ваших реальных физических дисков (не loop-устройств) с помощью smartctl.

💡 Показать решение

задание 3

user@linux:~$

df -h

user@linux:~$

fallocate -l 500M /mnt/disk1/bigfile1.dat

user@linux:~$

fallocate -l 700M /mnt/disk2/bigfile2.dat

# Создаем крупные файлы

user@linux:~$

du -ah /mnt/disk1 /mnt/disk2 | grep 'M\lG' | sort -rn

# Ищем файлы, с размерами в МБ и ГБ

user@linux:~$

sudo apt install ncdu && ncdu /mnt

# Устанавливаем и запускаем ncdu для директории /mnt

user@linux:~$

sudo apt install smartmontools

user@linux:~$

sudo smartctl -a /dev/sda

# Устанавливаем smartctl и смотрим состояние основного диска /dev/sda

Требования:

Измените опции монтирования в /etc/fstab. Настройте:
- Только для чтения (ro)
- Без кеширования (sync)
- Ограничение выполнения скриптов/файлов (noexec)
Включите поддержку квот на одном из дисков (опция usrquota,grpquota).
Создайте тестового пользователя и назначьте ему квоту (например, 100МБ) через edquota.

💡 Показать решение

задание 4

user@linux:~$

sudo nano /etc/fstab

# Изменяем fstab (пример). Добавляем опции:

# /dev/loop0p1 /mnt/disk1 ext4 defaults,ro 0 2

# /dev/loop1p1 /mnt/disk2 xfs defaults,sync,noexec 0 2

# /dev/loop1p2 /mnt/disk3 btrfs defaults,usrquota,grpquota 0 2

user@linux:~$

sudo mount -a -o remount

# Перечитываем опции (remount)

user@linux:~$

sudo quotacheck -cumg /mnt/disk3 && sudo quotaon -v /mnt/disk3

# Инициализируем и включаем квоты (требуется пакет quota)

user@linux:~$

sudo useradd -m testuser

user@linux:~$

sudo edquota -u testuser -f /mnt/disk3

# Откроется редактор настроек квоты пользователей.

# Увеличьте soft и hard лимиты (в блоках по 1KB) до нужных величин (напр 100000 110000)

Требования:

С помощью dd выполните тест скорости записи на каждую файловую систему.
Аналогично выполните тест скорости чтения.
Создайте файлы на дисках и имитируйте аварийную загрузку: сбросьте кэш (sync), выполните reboot (либо используйте SysRq комбинацию echo b > /proc/sysrq-trigger, однако это крашнет вашу машину - лучше проверьте обычным образом). Проверьте целостность дисковой ФС (fsck).
Используйте iostat для анализа метрик I/O при записи.

💡 Показать решение

задание 5

user@linux:~$

dd if=/dev/zero of=/mnt/disk1/test_write.raw bs=1M count=200 oflag=dsync

# Тест скорости записи. Флаг dsync отключает кеширование для точности. Повторить для disk2/disk3

user@linux:~$

sysctl -w vm.drop_caches=3

# Очистка кешей чтения перед тестом

user@linux:~$

dd if=/mnt/disk1/test_write.raw of=/dev/null bs=1M

# Тест скорости чтения.

user@linux:~$

iostat -d 1 10

# Мониторинг I/O метрик раз в секунду в течение 10 секунд (рекомендуется запустить в отдельном окне параллельно с dd)

user@linux:~$

sudo rmdir /mnt/disk1; sudo e2fsck -f /dev/loop0p1

# Для проверки целостности ФС (ext4) должна быть размонтирована. Выявляем сбои.

Файловые операции и диски

💾 Что такое файловая система?

Организация данных

Управление доступом

Метаданные

Эффективность

📊 Популярные файловые системы

🧩 Inode (индексный дескриптор)

📊 Просмотр места на диске

⚡ Нагрузка на диск

iotop

iostat

vmstat

🔌 Монтирование

🔗 Hardlink и Softlink

🗄️ RAID

📦 LVM — Logical Volume Manager

💿 MBR и GPT

🚀 Этапы загрузки Linux

🏋️ Практические упражнения

Разметка дисков и файловые системы

Ручное и автоматическое монтирование

Мониторинг места, поиск файлов и SMART

Опции монтирования и квоты

Скорость и отказоустойчивость