ディスクストレージ管理：パーティションの方法とコツ

ディスクストレージ管理 - ディスクパーティション

ディスクスペースの使用プロセス

1. デバイスのパーティション分割
2. ファイルシステムの作成
3. 新しいファイルシステムのマウント

1.1 ディスクパーティション

1.1.1 なぜパーティションを分割するのか

• I/Oパフォーマンスの最適化
• ディスクスペースのクォータ制限を実現
• 修復速度の向上
• システムとプログラムの分離
• 複数のOSをインストール
• 異なるファイルシステムの採用

1.1.2 パーティションの方式

2つのパーティション方式：MBR、GPT

1.1.2.1 MBRパーティション

MBR：Master Boot Record、1982年、32ビットでセクタ数を表し、パーティションは2Tを超えない。

パーティション分割の単位：

• CentOS 5以前はシリンダ単位で分割
• CentOS 6以降はセクタ単位で分割可能

0トラック0セクタ：512バイト

• 446バイト: ブートローダー起動関連
• 64バイト：パーティションテーブル、各16バイトで1つのパーティションを識別
• 2バイト: 55AA、識別マーク

MBRパーティションでは1つのハードディスクに最大4つのプライマリパーティションを持つことができ、3つのプライマリパーティション+1つの拡張パーティション（N個の論理パーティション）も可能。プライマリと拡張パーティションは1--4に対応し、/dev/sda3、論理パーティションは5から始まる、/dev/sda5。

MBRパーティションの構造

なぜプライマリパーティションは4つを超えられないのか？
0トラック0セクタにパーティションテーブル情報を格納するための64バイトのスペースしかないため、1つのパーティションのキー情報は16バイトを必要とする。

なぜ1つのパーティションは2Tを超えられないのか？
1つのパーティション情報は16バイトを使用し、開始位置と終了位置をそれぞれ4バイトで記録する。1バイトは8ビットで、4バイトは32ビット。したがって、最大で2の32乗個のセクタがあり、1セクタは512バイトなので、最大スペースは2^32 * 2^9 = 2^41バイト。2^40はTなので、2^41は2Tを超えない。

ハードディスクのMBRは4つの部分で構成される：

• 主ブートプログラム（オフセットアドレス0000H--0088H）、これはアクティブパーティションからシステムブートプログラムをロードして実行する
• エラーメッセージデータ領域、オフセットアドレス0089H--00E1Hはエラーメッセージ、00E2H--01BDHはすべて0バイト
• パーティションテーブル（DPT, Disk Partition Table）には4つのパーティションエントリが含まれ、オフセットアドレス01BEH--01FDH、各パーティションエントリは16バイト、合計64バイトはパーティションエントリ1、パーティションエントリ2、パーティションエントリ3、パーティションエントリ4
• 終了マーク、オフセットアドレス01FE--01FFの2バイト値は終了マーク55AA

例1：パーティションテーブル情報の確認

[root@rocky86 ~]# hexdump -C -n 512 /dev/sda

例2： MBRのパーティションテーブルをバックアップし、破壊後に復元

#パーティションテーブルの確認
[root@rocky86 ~]# fdisk -l /dev/sda
Disk /dev/sda: 200 GiB, 214748364800 bytes, 419430400 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x5b8e1003
Device     Boot   Start       End   Sectors Size Id Type
/dev/sda1 *       2048   2099199   2097152   1G 83 Linux
/dev/sda2       2099200 419430399 417331200 199G 8e Linux LVM

#MBRパーティションテーブルをバックアップ
[root@rocky86 ~]# dd if=/dev/sda of=/data/dpt.img bs=1 count=64 skip=446

#64バイトのサイズ
[root@rocky86 ~]# ll /data/dpt.img 
-rw-r--r-- 1 root root 64 Jul 30 11:49 /tmp/dpt.img

#具体的な内容を確認
[root@rocky86 ~]# hexdump -vC /data/dpt.img

#リモートにバックアップ
[root@rocky86 ~]# scp /tmp/dpt.img 10.0.0.157:

#MBRパーティションテーブルを破壊
[root@rocky86 ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=1 count=64 seek=446
64+0 records in
64+0 records out
64 bytes copied, 0.00248682 s, 25.7 kB/s

#再度512バイトを確認
[root@rocky86 ~]# hexdump -vC -n 512 /dev/sda

#再度パーティションテーブルを確認、パーティション情報なし
[root@rocky86 ~]# fdisk -l /dev/sda
Disk /dev/sda: 200 GiB, 214748364800 bytes, 419430400 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x3475e2b0

#メモリには関連情報が残っている
[root@rocky86 ~]# lsblk
NAME       MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda           8:0    0 200G  0 disk 
├─sda1        8:1    0   1G  0 part /boot
└─sda2        8:2    0 199G  0 part 
 ├─rl-root 253:0    0   70G  0 lvm /
 ├─rl-swap 253:1    0   2G  0 lvm [SWAP]
 └─rl-home 253:2    0 127G  0 lvm /home
sr0          11:0    1 10.5G  0 rom 

#再起動後、システムに入れない
[root@rocky86 ~]# reboot

#CDで起動し、Rescueモードに入り、3番目のオプションを選択し、シェルに進む
#ネットワークを設定
ifconfig ens160 10.0.0.158/24

#リモートからパーティションテーブル情報を取得
scp 10.0.0.157:/root/dpt.img .

#MBRパーティションテーブルを復元
dd if=dpt.img of=/dev/sda bs=1 seek=446

#再起動
reboot

1.1.2.2 GPTパーティション

GPT：GUID（Globals Unique Identifiers）パーティションテーブルは128個のパーティションをサポートし、64ビットを使用し、8Z（512バイト/ブロック）、64Z（4096バイト/ブロック）をサポートします。
128ビットのUUID（Universally Unique Identifier）を使用してディスクとパーティションを表します。GPTパーティションテーブルは自動的にヘッドとテールにバックアップされ、CRCチェックサムがあります。
UEFI（Unified Extensible Firmware Interface 統一拡張ファームウェアインターフェイス）ハードウェアはGPTをサポートし、これによりオペレーティングシステムが起動できます。

GPTパーティション構造は4つの領域に分かれています：

• GPTヘッド
• パーティションテーブル
• GPTパーティション
• バックアップ領域

例3：ubuntuのデフォルトでGPTパーティションを使用

root@ubuntu22:~# fdisk -l /dev/sda
Disk /dev/sda: 200 GiB, 214748364800 bytes, 419430400 sectors
Disk model: VMware Virtual S
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: gpt
Disk identifier: D7BA0964-556C-4442-87F5-9B57ACD27E8A
Device       Start       End   Sectors Size Type
/dev/sda1     2048      4095      2048   1M BIOS boot
/dev/sda2     4096   4198399   4194304   2G Linux filesystem
/dev/sda3  4198400 419428351 415229952 198G Linux filesystem

1.1.3 BIOSとUEFI

• BIOSはコンピュータのマザーボードに組み込まれたプログラムで、主に起動時のシステム自己診断とオペレーティングシステムのブートに使用されます。現在の新しいコンピュータは基本的にUEFIブートを採用しています。
• BIOS（Basic Input Output System 基本入力出力システム）は主にシステムハードウェアの自己診断とオペレーティングシステムのブートを完了します。オペレーティングシステムのブートが始まると、BIOSの役割は終了します。システムハードウェアの自己診断：システムハードウェアに故障がある場合、マザーボード上のスピーカーは異なる長さの「ビープ音」を発し、ハードウェアの故障を簡単に判断できます。例えば、「1長1短」は通常メモリの故障を示し、「1長3短」は通常グラフィックカードの故障を示します。
• BIOSは1975年に誕生し、アセンブリ言語で書かれ、当初は16ビットしかなく、1Mのメモリにしかアクセスできませんでした。そのうちの前640Kは基本メモリと呼ばれ、後384Kはブートや各種BIOS自身の使用のために予約されていました。BIOSはMBR（マスターブートレコード）で初期化されたハードディスクしか認識できず、最大2Tのハードディスクと4つのプライマリパーティション（拡張パーティション内の論理パーティションを除く）をサポートします。しかし、現在は64ビットシステムが一般的に実現されており、伝統的なBIOSは要求を満たすことができません。この時、インテルが主導するEFIが誕生しました。
• EFI（Extensible Firmware Interface 拡張ファームウェアインターフェイス）は、IntelがPCファームウェアのアーキテクチャ、インターフェイス、およびサービスの提案標準として提案したものです。その主な目的は、OSのロード前（ブート前）にすべてのプラットフォーム上で一貫性のある正しく指定されたブートサービスを提供することです。BIOSの後継者として見なされるか、新しいバージョンのBIOSとして理解されます。
• UEFIはEFI1.10を基盤として発展し、その所有者はもはやIntelではなく、Unified EFI Forumという国際組織です。
• UEFI（Unified Extensible Firmware Interface 統一拡張ファームウェアインターフェイス）は、タイプインターフェイスの詳細な記述標準です。UEFIは軽量なオペレーティングシステムに相当し、ハードウェアとオペレーティングシステム間のインターフェイスを提供し、グラフィカルな操作インターフェイスを提供します。最も重要なのはGPTパーティションテーブルを導入し、2T以上のハードディスクをサポートし、ハードディスクのパーティションが制限されないことです。

BIOSとUEFIの違い

• BIOSは16ビットアセンブリ言語で書かれ、実モード（メモリアドレッシング方式は16ビットセグメントレジスタの内容を16（10H）倍してセグメントベースアドレスとし、16ビットのオフセットアドレスを加えて20ビットの物理アドレスを形成する）でしか動作できず、アクセス可能なメモリ空間は1MBで、文字操作インターフェイスのみをサポートします。
• UEFIは32ビットまたは64ビットのC言語で書かれ、実モードの制限を突破し、最大のアドレッシング空間に到達し、グラフィカルな操作インターフェイスをサポートし、ファイル方式で情報を保存し、GPTパーティションブートをサポートし、新しいシステムとハードウェアの組み合わせに適しています。

BIOS+MBRとUEFI+GPT

• 起動 → BIOS初期化 → BIOS自己診断 → オペレーティングシステムのブート → システムに入る
• 起動 → UEFI初期化 → オペレーティングシステムのブート → システムに入る

MSDN（Microsoft Developer Network）は、WindowsはBIOS+MBRまたはUEFI+GPTの組み合わせでしかインストールできず、BIOS+GPTおよびUEFI+MBRは許可されていないと指摘しています。ただし、BIOS+GPT+GRUBでLinuxをブートすることは可能です。

1.1.4 管理パーティション

ブロックデバイスの列挙

コマンド lsblk を使用してブロックデバイスを列挙できます。以下はよく使用されるオプションです。

• -a または --all：すべてのデバイス情報を出力します
• -b または --bytes：デバイスサイズをバイト単位で表示します
• -d または --nodeps：パーティション情報を表示しません
• -e <list> または --exclude <list>：主デバイス番号でデバイスを除外します
• -f または --fs：ファイルシステムを表示します
• -i または --ascii：ASCII文字のみで出力します
• -I <list> または --include <list>：指定したデバイスのみを表示します
• -J または --json：出力をJSON形式で表示します
• -l または --list：リスト形式で表示します
• -T または --tree：ツリー構造で表示します（デフォルト）
• -m または --perms：所有者、グループ、およびパーミッションを表示します
• -n または --noheadings：ヘッダーを表示しません
• -o <list> または --output <list>：指定した列のみを表示します
• -O または --output-all：すべての列を表示します
• -p または --paths：デバイスのフルパスを表示します
• -P または --pairs：キーと値の形式で表示します
• -r または --raw：そのまま出力します
• -s または --inverse：関連情報を逆に表示します
• -S または --scsi：SCSIデバイス（小型コンピュータインターフェイスデバイス）を表示します
• -t または --topology：トポロジ情報を表示します

よく使用されるフィールド

• NAME：デバイス名
• MAJ:MIN：主デバイス番号：副デバイス番号
• RM：リムーバブルデバイスかどうか
• SIZE：デバイス容量
• RO：読み取り専用デバイスかどうか
• TYPE：デバイスタイプ
• MOUNTPOINT：マウントポイント

例: デバイスを確認

[root@rocky86 ~]# lsblk
NAME       MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda           8:0    0 200G  0 disk 
├─sda1        8:1    0   1G  0 part /boot
└─sda2        8:2    0 199G  0 part 
 ├─rl-root 253:0    0   70G  0 lvm /
 ├─rl-swap 253:1    0   2G  0 lvm [SWAP]
 └─rl-home 253:2    0 127G  0 lvm /home
sr0          11:0    1 10.5G  0 rom  

フルパスを表示するには、次のコマンドを使用します。

[root@rocky86 ~]# lsblk -p
NAME                   MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
/dev/sda                  8:0    0 200G  0 disk 
├─/dev/sda1               8:1    0   1G  0 part /boot
└─/dev/sda2               8:2    0 199G  0 part 
 ├─/dev/mapper/rl-root 253:0    0   70G  0 lvm /
 ├─/dev/mapper/rl-swap 253:1    0   2G  0 lvm [SWAP]
 └─/dev/mapper/rl-home 253:2    0 127G  0 lvm /home
/dev/sr0                 11:0    1 10.5G  0 rom 

ファイルシステムを表示するには、次のコマンドを使用します。

[root@rocky86 ~]# lsblk -f
NAME       FSTYPE     LABEL               UUID                                 
  MOUNTPOINT
sda                                                                               
  
├─sda1     xfs                             94a73757-555a-4d2b-8153-f54277c4c50d 
  /boot
└─sda2     LVM2_member                     qLmfIa-YvfP-3Du3-dwVG-a0qM-eZRRuP3P80 
 ├─rl-root xfs                             bd1ab1fd-ee1c-4908-a7b3-e83a170adda9 
  /
 ├─rl-swap swap                             c6f13a3f-a2f3-4ba7-a591-879f476fdd1a 
  [SWAP]
 └─rl-home xfs                             22a09cff-b3f2-48c5-b251-c1c4af9b11b7 
  /home
sr0         iso9660     Rocky-8-6-x86_64-dvd 2022-05-15-21-06-44-00

パーティション作成コマンド

• fdisk：MBRパーティションを管理します
• gdisk：GPTパーティションを管理します
• parted：高度なパーティション操作が可能で、対話型または非対話型で使用できます
• partprobe：メモリ内のカーネルパーティションテーブルバージョンをリセットします（CentOS 6以外のバージョン5, 7, 8に適用）

1.1.4.1 パーティションツールfdiskとgdisk

fdisk

fdiskはMBR（マスターブートレコード）パーティションを管理するためのコマンドラインツールです。基本的な使用方法は以下の通りです。

fdisk [options] <disk>
fdisk [options] -l [<disk>]

gdisk

gdiskはGPT（GUIDパーティションテーブル）パーティションを管理するためのツールで、fdiskに類似しています。

gdisk [options] [device...]

よく使用されるオプション

• -b または --sector-size <size>：セクターサイズを指定します（デフォルトは512バイト）
• -L または --color[=color]：表示時にカラーを使用するかどうかを設定します（auto|always|never、デフォルトはカラー有効）
• -l または --list：パーティションリストを表示します
• -o または --output <list>：指定した列のみを表示します
• -u または --units[=<unit>]：表示単位を設定します（cylinders|sectors、デフォルトはsectors）
• -s または --getsz：デバイスに何セクターあるかを表示します
• -t または --type type：指定したタイプのパーティションテーブルのみを表示します
• -C または --cylinders N：シリンダー数を指定します
• -H または --heads N：ヘッド数を指定します
• -S または --sectors N：各トラックのセクター数を指定します

よく使用されるサブコマンド

• p：パーティションリストを出力します
• t：パーティションタイプを変更します
• n：新しいパーティションを作成します
• d：パーティションを削除します
• v：パーティションを検証します
• u：単位を変更します
• w：保存して終了します
• q：保存せずに終了します
• x：高度な機能（エキスパートモード）

異なるパーティションタイプに使用できる列（-oオプションと組み合わせて使用）

• gpt：Device Start End Sectors Size Type Type-UUID Attrs Name UUID
• dos：Device Start End Sectors Cylinders Size Type Id Attrs Boot End-C/H/S Start-C/H/S
• bsd：Slice Start End Sectors Cylinders Size Type Bsize Cpg Fsize
• sgi：Device Start End Sectors Cylinders Size Type Id Attrs
• sun：Device Start End Sectors Cylinders Size Type Id Flags

使用例

パーティションリストの表示

• すべてのデバイスを表示

[root@rocky86 ~]# fdisk -l

• 指定したデバイスを表示

[root@rocky86 ~]# fdisk -l /dev/sda

指定した列を表示

[root@rocky86 ~]# fdisk -lo id,size,type /dev/sda
Disk /dev/sda: 200 GiB, 214748364800 bytes, 419430400 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x5b8e1003
Id Size Type
83   1G Linux
8e 199G Linux LVM

新しいパーティションをカーネルが認識しているか確認

[root@rocky86 ~]# cat /proc/partitions
major minor  #blocks name
   8        0  209715200 sda
   8        1    1048576 sda1
   8        2  208665600 sda2
   8       16   20971520 sdb
  11        0   10950656 sr0
253        0   73400320 dm-0
......

gdiskの使用方法

gdiskコマンドは、GPTパーティションテーブルを管理するために使用されます。以下は基本的な使用例です。

gdisk [ -l ] device

よく使用されるサブコマンド

• b：パーティションテーブルを指定したファイルにバックアップ
• c：パーティション名を変更
• d：パーティションを削除
• i：パーティションの詳細情報を表示
• l：すべてのパーティションタイプをリスト
• n：新しいパーティションを作成
• o：新しいパーティションテーブルを作成
• p：パーティションを表示
• q：終了
• r：復元および変換オプション（専門家以外は使用しない）
• s：ソート
• t：パーティションタイプを変更（デフォルトは8300、通常パーティション）
• v：ディスクに問題がないか検出
• w：保存して終了
• x：追加機能（エキスパートモード）
• ?：ヘルプを表示