FreeBSD и твердотельные устройства

$FreeBSD: doc/ru_RU.KOI8-R/articles/solid-state/article.sgml,v 1.5 2006/03/28 16:55:15 bvs Exp $

FreeBSD это зарегистрированная торговая марка FreeBSD Foundation.

M-Systems и DiskOnChip это торговые марки или зарегистрированные торговые марки M-Systems Flash Disk Pioneers, Ltd.

Многие из обозначений, используемые производителями и продавцами для обозначения своих продуктов, заявляются в качестве торговых марок. Когда такие обозначения появляются в этом документе, и Проекту FreeBSD известно о торговой марке, к обозначению добавляется знак ''™'' или ''®''.

Распространение и использование исходных (SGML DocBook) и ''скомпилированных'' форм (SGML, HTML, PDF, PostScript, RTF и прочих) с модификацией или без оной, разрешены при соблюдении следующих соглашений:

  1. Распространяемые копии исходного кода (SGML DocBook) должны сохранять вышеупомянутые объявления copyright, этот список положений и следующий отказ от ответственности в первых строках этого файла в неизменном виде.

  2. Распространяемые копии скомпилированных форм (преобразованные в другие DTD, конвертированные в PDF, PostScript, RTF и другие форматы) должны повторять вышеупомянутые объявления copyright, этот список положений и следующий отказ от ответственности в документации и/или других материалах, поставляемых с дистрибьюцией.

Важно: ЭТА ДОКУМЕНТАЦИЯ ПОСТАВЛЯЕТСЯ ПРОЕКТОМ ДОКУМЕНТАЦИИ FREEBSD "КАК ЕСТЬ" И ЛЮБЫЕ ЯВНЫЕ ИЛИ НЕЯВНЫЕ ГАРАНТИИ, ВКЛЮЧАЯ, НО НЕ ОГРАНИЧИВАЯСЬ НЕЯВНЫМИ ГАРАНТИЯМИ, КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ И ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ КОНКРЕТНОЙ ЦЕЛИ ОТРИЦАЮТСЯ. НИ ПРИ КАКИХ УСЛОВИЯХ ПРОЕКТ ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ FREEBSD НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ЛЮБОЙ ПРЯМОЙ, КОСВЕННЫЙ, СЛУЧАЙНЫЙ, СПЕЦИАЛЬНЫЙ, ОБРАЗЦОВЫЙ ИЛИ ПОСЛЕДУЮЩИЙ УЩЕРБЫ (ВКЛЮЧАЯ, НО НЕ ОГРАНИЧИВАЯСЬ ПОСТАВКОЙ ТОВАРОВ ЗАМЕНЫ ИЛИ УСЛУГ; ПОТЕРЮ ДАННЫХ ИЛИ ИХ НЕПРАВИЛЬНУЮ ПЕРЕДАЧУ ИЛИ ПОТЕРИ; ПРИОСТАНОВЛЕНИЕ БИЗНЕСА), И ТЕМ НЕ МЕНЕЕ ВЫЗВАННЫЕ И В ЛЮБОЙ ТЕОРИИ ОТВЕТСТВЕННОСТИ, НЕЗАВИСИМО ОТ КОНТРАКТНОЙ, СТРОГОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ, ИЛИ ПРАВОНАРУШЕНИИ (ВКЛЮЧАЯ ХАЛАТНОСТЬ ИЛИ ИНЫМ СПОСОБОМ), ВОЗНИКШЕМ ЛЮБЫМ ПУТЕМ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭТОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ, ДАЖЕ ЕСЛИ БЫ БЫЛО СООБЩЕНО О ВОЗМОЖНОСТИ ТАКОГО УЩЕРБА.

В этой статье описывается использование твердотельных дисковых устройств для создания встраиваемых систем на основе FreeBSD.

Встраиваемые системы имеют преимущество в повышенной надежности по причине отсутствия в них движущихся частей (жестких дисков). Однако следует принять во внимание, что системе, как правило, доступно очень малое дисковое пространство и ограниченный объем запоминающего устройства.

К отдельно рассматриваемым вопросам относятся типы и характеристики твердотельных носителей, подходящих для использования в качестве дисков во FreeBSD, параметры ядра, которые представляют интерес в таких условиях, механизмы rc.diskless, автоматизирующие инициализацию таких систем и удовлетворяющие требованиям файловых систем, доступных только для чтения, а также построение файловых систем с нуля. Статья заканчивается описанием некоторых общих стратегий для случаев малых систем FreeBSD и работ в режиме только для чтения.


1. Твердотельные дисковые устройства

Эта статья будет ограничиваться рассмотрением твердотельных дисковых устройств, которые делаются на основе флэш-памяти. Флэш-память является твердотельным (здесь нет движущихся частей) запоминающим устройством, которое является энергонезависимым (данные остаются в памяти даже после отключения всех источников питания). Флэш-память может быть нечувствительной к сильным физическим воздействиям и достаточно быстра (решения на основе флэш-памяти, описываемые в этой статье, гораздо медленнее, чем диски EIDE для операций записи, и гораздо быстрее их в случае выполнения операций чтения). Одним из очень важных свойств флэш-памяти, различные варианты которого будут рассмотрены далее в этой статье, является то, что каждый сектор имеет ограниченные возможности по перезаписыванию. Вы можете только записывать, стирать и снова записывать на сектор флэш-памяти определенное количество раз до того, как сектор станет полностью неработоспособным. Хотя многие продукты на основе флэш-памяти автоматически перенаправляют испорченные блоки, а некоторые даже распределяют операции записи по всему модулю, фактом является наличие ограничения на количество операций записи, которые могут выполняться с устройством. Современные модули имеют характеристики от 1,000,000 до 10,000,000 циклов записи на сектор. Эти характеристики могут зависеть от температуры рабочей среды.

В частности, мы обсудим компактные модули флэш-памяти, совместимые со стандартом ATA и модули флэш-памяти DiskOnChip® компании M-Systems. Совместимые с ATA компактные флэш-карты весьма популярны в качестве носителя данных для цифровых камер. Особый интерес представляет тот факт, что они соответствуют шине IDE по контактам и совместимы с набором команд ATA. Таким образом, при помощи очень простого и дешевого адаптера такие устройства могут подключаться непосредственно к шине IDE компьютера. Если поступить таки образом, то такие операционные системы, как FreeBSD, распознают диск как обычный винчестер (весьма маленький). Продукт M-Systems DiskOnChip основан на той же самой технологии флэш-памяти, как и совместимые с ATA компактные флэш-карты, но отличаются форм-фактором DIP и не совместимы с ATA. Для использования такого устройства, вы не только должны установить его на материнскую плату с разъемом DiskOnChip, но также встроить драйвер `fla` во все ядра FreeBSD, с которыми хотите его использовать. Более того, в загрузочном секторе этого устройства находится критичные данные, так что бы не должны устанавливать загрузчик FreeBSD (и вообще какой-либо другой загрузчик) при его использовании.

Существуют и другие решения для твердотельных дисков, но их стоимость, безвестность и сравнительная сложность использования выводят их за рамки этой статьи.


2. Параметры ядра

Для тех. кто создает встраиваемую систему FreeBSD, интерес представляют несколько параметров ядра.

Во-первых, все встраиваемые системы FreeBSD, которые используют флэш-память в качестве системного диска, заинтересованы в использовании дисков в памяти и файловых систем в памяти. Из-за ограниченного количества циклов записи, которые можно выполнить с флэш-памятью, диск и файловые системы на нем будут, скорее всего, монтироваться в режиме доступа только для чтения. В таком случае файловые системы типа /tmp и /var монтируются как файловые системы в памяти для того, чтобы позволить системе создать журналы и обновить счетчики и временные файлы. Файловые системы в памяти являются критическим компонентом успешной работы FreeBSD на твердотельных устройствах.

Вы должны удостовериться, что в конфигурационном файле вашего ядра присутствуют следующие строки:

options   MFS    # Memory Filesystem
options   MD_ROOT   # md device usable as a potential root device
pseudo-device md    # memory disk
 

Во-вторых, если вы будете использовать продукт M-Systems DiskOnChip, вы должны также включить такую строку:

device   fla0 at isa?

3. rc.diskless файловые системы в режиме только чтения

Инициализация встраиваемой системы FreeBSD после загрузки управляется /etc/rc.diskless2 (/etc/rc.diskless1 для бездисковой загрузки посредством BOOTP). Этот начальный скрипт вызывается, если поместить в файл /etc/rc.conf такую строку:

diskless_mount=/etc/rc.diskless2

rc.diskless2 монтирует /var как файловую систему в памяти, создает указываемый список каталогов в /var при помощи команды mkdir(1), изменяет режимы доступа на некоторые из этих каталогов и помещает целый набор файлов устройств копированием на доступный для записи (опять же, это файловая система в памяти) раздел /dev. В процессе выполнения /etc/rc.diskless2, задействуется еще одна переменная rc.conf - varsize. Скрипт /etc/rc.diskless2 создает раздел /var на основе значения этой переменной из rc.conf:

varsize=8192

Запомните, что это значение указано в секторах. Создание раздела /dev при помощи /etc/rc.diskless2, однако, ограничено предопределенным значением в 4096 секторов. Легко изменить это значение непосредственно в файле /etc/rc.diskless2, хотя для каталога /dev вряд ли вам понадобится больше дискового пространства.

Важно помнить, что скрипт /etc/rc.diskless2 предполагает, что вы уже удалили ваш обычный раздел /tmp и заменили его символической ссылкой на /var/tmp. Так как tmp является одним из каталогов, создаваемых в /var скриптом /etc/rc.diskless2 и /var является файловой системой в памяти (которая монтируется с правами чтения и записи), то /tmp будет каталогом, также доступным для чтения и записи.

Тот факт, что /var и /dev являются файловыми системами, доступными для чтения и записи, является важным признаком, так как раздел / (и любые другие разделы, которые могут находиться на флэш-носителе) должен монтироваться в режиме только для чтения. Вспомните, что Разд. 1 мы касались ограничений флэш-памяти - особенно ограничений, касающихся возможностей записи. Важно не монтировать файловые системы на флэш-носителях в режимах чтения и записи, и важность отказа от файла подкачки не может быть переоценена. Файл подкачки на загруженной системе может пережечь кусок флэш-носителя менее чем за год. Частое журналирование и создание временных файлов приводят к тому же результату. Поэтому, кроме удаления записей swap и /proc из вашего файла /etc/fstab, вы должны также изменить поле параметров каждой файловой системы на ro таким образом:

# Device    Mountpoint  FStype Options   Dump Pass#
/dev/ad0s1a    /    ufs  ro    1  1
 

В результате этих изменений в среднестатистической системе несколько приложений немедленно перестанут работать. Например, порты не будут устанавливаться из дерева портов из-за отсутствия файла /var/db/port.mkversion, cron не будет нормально запускаться в результате отсутствия таблиц для него в каталоге /var, созданном /etc/rc.diskless2, а syslog и dhcp будут испытывать проблемы из-за доступа файловой системы только для чтения, а также отсутствия записей в /var, который был создан скриптом /etc/rc.diskless2. Хотя эти проблемы являются временными и обсуждаются вместе с решением проблем с запуском распространенных программных пакетов, в Разд. 6.

Важно помнить, что файловая система, которая была смонтирована только для чтения при помощи файла /etc/fstab, в любой момент может быть сделана доступной по чтению и записи выдачей команды:

# /sbin/mount -uw partition
 

и может быть возвращена к режиму доступа только для чтения по такой команде:

# /sbin/mount -ur partition
 

4. Создание файловой системы с нуля

Так как совместимые с ATA компактные флэш-карты распознаются во FreeBSD как обычные жесткие диски IDE, как это происходит с продуктом M-Systems DiskOnChip (когда вы запускаете ядро с встроенным драйвером fla), то теоретически вы можете установить FreeBSD по сети при помощи дискет kern и mfsroot или с компакт-диска. Кроме того, что вам не нужно записывать какой бы то ни было начальный загрузчик на устройство M-Systems, никаких дополнительных инструкций не требуется.

Однако даже маленькая установка FreeBSD при помощи обычных процедур установки может привести к созданию системы размером, превышающим 200 мегабайт. Так как большинство людей используют устройства флэш-памяти меньшего размера (128 мегабайт считается весьма большим - 32 или даже 16 мегабайт используются гораздо чаще), то установка обычным образом не подходит--просто на диске нет места даже для самой минимальной установки.

Самым простым способом обойти это ограничение на объем является установка FreeBSD обычным образом на обычный жесткий диск. После окончания установки, обрежьте операционную систему до размера, который помещается на ваш флэш-носитель, а затем полностью заархивируйте файловую систему. Следующие шаги поведут вас через процесс подготовки части флэш-памяти для вашей заархивированной файловой системы. Запомните, что из-за того, что обычная установка не выполнялась, такие операции, как разбиение на разделы, разметка, создание файловой системы и так далее должны быть выполнены вручную. Кроме дискет kern и mfsroot вам также нужно воспользоваться дискетой fixit. Если вы используете M-Systems DiskOnChip, то ядро с дискеты kern должно иметь вкомпилированный параметр fla, описываемый в Разд. 2. Пожалуйста, обратитесь к Разд. 5 для получения указаний по созданию нового ядра для kern.flp.

  1. Разбиение вашего флэш-носителя на разделы

    После загрузки при помощи дискет kern и mfsroot, выберите пункт custom из меню установки. Из следующего пункта меню выберите partition. В меню работы с разделами вы должны удалить все существующие разделы при помощи клавиши d. После удаления всех имеющихся разделов создайте раздел при помощи клавиши c и согласитесь с предлагаемым по умолчанию размером раздела. Когда вы будете опрошены на предмет типа раздела, удостоверьтесь, что значение типа равно 165. Теперь запишите эту таблицу разделов на диск, нажав клавишу w (на этом экране эта опция скрыта). Находясь в меню выбора менеджера загрузки, обратите внимание на выбор None, если вы используете M-Systems DiskOnChip. Если вы используете компактную флэш-карту, совместимую с ATA, вы должны выбрать FreeBSD Boot Manager. Теперь нажмите клавишу q для выхода из меню работы с разделами. Должно быть выдано еще раз меню для выбора менеджера загрузки - повторите то, что вы выбирали ранее.

  2. Создание файловых систем на вашем устройстве флэш-памяти

    Выйдите из меню установки custom, и из главного меню установки выберите пункт fixit. После входа в режим работы fixit, введите следующие команды:

    Совместимые с ATA DiskOnChip
    # mknod /dev/ad0a c 116 0
    # mknod /dev/ad0c c 116 2    
    # disklabel -e /dev/ad0c
    


    # mknod /dev/fla0a c 102 2
    # mknod /dev/fla0c c 102 2
    # disklabel -e /dev/fla0c
    


    В этот момент вы войдете в редактор vi из-под команды disklabel. Если вы используете DiskOnChip, то первым шагом будет изменение значения типа около начала файла с ESDI на DOC2K. Затем, вне зависимости от того, используете ли вы DiskOnChip или совместимый с ATA компактный флэш-носитель, вам нужно добавить строку a: в конце файла. Эта строка a: должна выглядеть примерно так:

    a:  123456 0  4.2BSD 0  0
      
    

    Здесь 123456 является числом, в точности совпадающим с тем, что характеризует размер имеющейся записи для c:. В общем, вы копируете существующую строку для c: для строки a:, не забывая определить fstype как 4.2BSD. Сохраните файл и завершите редактирование.

    Совместимые с ATA DiskOnChip
    # disklabel -B -r /dev/ad0c
    # newfs /dev/ad0a
    


    # disklabel -B -r /dev/fla0c
    # newfs /dev/fla0a
    


  3. Размещение вашей файловой системы на флэш-носителе

    Смонтируйте только что подготовленный флэш-носитель:

    Совместимые с ATA DiskOnChip
    # mount /dev/ad0a /flash
    


    # mount /dev/fla0a /flash
    


    Подключите эту машину к сети, чтобы можно было перенести наш tar-файл и распаковать его в файловую систему на флэш-носителе. Вот пример того, как это можно сделать:

    # ifconfig xl0 192.168.0.10 netmask 255.255.255.0
    # route add default 192.168.0.1
      
    

    Теперь, когда машина находится в сети, перепишите ваш tar-файл. Здесь вы можете столкнуться с некоторой проблемой - если объем вашей флэш-памяти равен, к примеру, 128 мегабайтам, а ваш tar-файл превышает 64 мегабайта, то вы не можете одновременно разместить tar-файл на флэш-носителе и распаковать его - вам не хватит места. Одним из решений этой проблемы, если вы используете FTP, является распаковка файла во время его передачи по FTP. Если вы передаете файл именно так, то вы никогда не получите на диске одновременно архивный файл и его содержимое:

    ftp> get tarfile.tar "| tar xvf -"
      
    

    Если ваш файл обработан утилитой gzip, вы также можете этого добиться:

    ftp> get tarfile.tar "| zcat | tar xvf -"
      
    

    После того, как вы получили содержимое вашей заархивированной файловой системы на файловой системе флэш-памяти, вы можете размонтировать флэш-память и выполнить перезагрузку:

    # cd /
    # umount /flash
    # exit
      
    

    Полагая, что вы правильно настроили вашу файловую систему при ее построении на обычном диске (с вашей файловой системой, смонтированной в режиме доступа только для чтения и необходимыми параметрами, присутствующими в ядре) вы должны успешно загрузить вашу встраиваемую систему на основе FreeBSD.


5. Построение установочной дискеты kern.flp с драйвером fla

Замечание: Этот раздел статьи предназначен только тем, кто использует флэш-носители M-Systems DiskOnChip.

Возможно, что на загрузочная дискете kern.flp нет ядра со встроенным драйвером fla, который необходим для работы системы с DiskOnChip. Если вы загрузились с установочных дискет и оказалось, что диски не были обнаружены, то, вероятно, в вашем ядре отсутствует драйвер fla.

После построения вами ядра с поддержкой fla, которое имеет объем, меньший, чем 1.4 мегабайт, вы можете создать собственный образ дискеты kern.flp с этим ядром с помощью следующей последовательности действий:

  1. Возьмите существующий файл образа kern.flp

  2. # vnconfig vn0c kern.flp
       
    


  3. # mount /dev/vn0c /mnt
       
    


  4. Перепишите ваш файл ядра в каталог /mnt, заместив при этом уже находящееся там ядро

  5. # vnconfig -d vn0c
       
    


Теперь в вашем файле kern.flp находится новое ядро.


6. Стратегии работы с системой для случаев небольших и доступных только для чтения файловых систем

В Разд. 3 было указано, что файловая система /var, создаваемая скриптом /etc/rc.diskless2 и наличие корневой файловой системы, доступной только для чтения, приводят к проблемам при работе многих распространенных программных пакетов, используемых во FreeBSD. В этой статье будут даны рекомендации по настройке нормальной работы cron и syslog, установке портов и веб-сервера Apache.


6.1. cron

В файле /etc/rc.diskless2 имеется переменная var_dirs. Эта переменная задает список каталогов, разделенных запятыми, которые будут созданы в каталоге /var после его монтирования как файловой системы в памяти. cron и cron/tabs в этот список не входят, а без этих каталогов cron нормально работать не будет. Включив cron, cron/tabs и, может быть, даже at и at/jobs в качестве элементов этой переменной, вы обеспечите работу даемонов cron(8) и at(1).

Однако это все же не решит проблему с сохранением cron-таблиц между перезагрузками. Когда система перезагружается, то файловая система /var, которая располагается в памяти, будет уничтожена, вместе со всеми cron-таблицами, которые вы могли там иметь. Поэтому одним из решений может стать создание cron-таблиц для пользователей, которым они нужны, монтирование вашей файловой системы / в режиме чтения и записи и копирование этих cron-таблиц в безопасное место, например, /etc/tabs и последующее добавление строки в конец скрипта /etc/rc.diskless2 для копирования этих cron-таблиц в каталог /var/cron/tabs после его создания во время инициализации системы. Вам может также потребоваться добавить строку, которая изменяет режимы доступа и права на каталоги, которые вы создали и на файлы, которые вы скопировали в скрипте /etc/rc.diskless2.


6.2. syslog

В файле syslog.conf задано местоположение некоторых файлов протоколов, которые имеются в каталоге /var/log. Эти файлы не создаются скриптом /etc/rc.diskless2 во время инициализации системы Поэтому где-нибудь в скрипте /etc/rc.diskless2, после секции, создающей каталоги в /var, вам нужно добавить нечто вроде следующего:

# touch /var/log/security /var/log/maillog /var/log/cron /var/log/messages
# chmod 0644 /var/log/*
  

Вам также потребуется добавить каталог с протоколами работы к списку каталогов, создаваемых скриптом /etc/rc.diskless2.


6.3. Установка портов

Перед тем, как обсудить изменения, которые нужно сделать для успешного использования дерева портов, необходимо напомнить о том, что ваши файловые системе на флэш-носителях доступны только для чтения. Поэтому вам нужно временно монтировать их в режиме чтения и записи, используя параметры командной строки, как это показано в Разд. 3. Вы всегда должны перемонтировать эти файловые системы в режим только для чтения после окончания работ - излишние записи на флеш носитель могут значительно сократить его срок эксплуатации.

Чтобы можно было войти в каталог с портами и успешно выполнить команду make install, необходимо наличие файла /var/db/port.mkversion, в котором записана правильная дата. Затем мы должны создать каталог для пакаджей в файловой системе, не располагающейся в памяти, где будут храниться пакаджи между перезагрузками. Так как для установки пакаджа в любом случае требуется монтирование ваших файловых систем для чтения и записи, имеет смысл выделить область флэш-носителя также и для записи информации о пакадже.

Прежде всего создайте каталог с базой данных о пакаджах. Обычно это каталог /var/db/pkg, но мы не можем разместить базу именно здесь, так как она исчезнет после перезагрузки системы.

# mkdir /etc/pkg

Теперь в скрипт /etc/rc.diskless2 добавьте строку, которая связывает каталог /etc/pkg с /var/db/pkg. Например:

# ln -s /etc/pkg /var/db/pkg
  

Добавьте в скрипт /etc/rc.diskless2 еще одну строку, которая создает и копирует /var/db/port.mkversion

# touch /var/db/port.mkversion
# chmod 0644 /var/db/port.mkversion
# echo 20010412 >> /var/db/port.mkversion
  

где 20010412 является датой, соответствующей вашей версии FreeBSD.

Теперь каждый раз при монтировании ваших файловых систем для чтения и записи и установки пакаджа, команда make install будет работать, потому что найдет подходящий файл /var/db/port.mkversion, а информация о пакадже будет успешно записана в каталог /etc/pkg (так как файловая система будут в это время смонтирована для чтения и записи), который всегда будет доступным операционной системе как /var/db/pkg.


6.4. Веб-сервер Apache

Apache хранит pid-файлы и протоколы в каталоге apache_install/logs. Так как этот каталог, без сомнения, располагается на файловой системе, доступной только для чтения, то это работать не будет. Необходимо добавить новый каталог к списку каталогов из /etc/rc.diskless2 для их создания в каталоге /var и связать apache_install/logs с /var/log/apache. Нужно также задать права доступа и владельца нового каталога.

Сначала добавьте каталог log/apache к списку каталогов, создаваемых скриптом /etc/rc.diskless2.

Затем добавьте в скрипт /etc/rc.diskless2 после секции создания каталогов такие команды:

# chmod 0774 /var/log/apache
# chown nobody:nobody /var/log/apache
  

И наконец, удалите существующий каталог apache_install/logs и замените его ссылкой:

# rm -rf (apache_install)/logs
# ln -s /var/log/apache (apache_install)/logs
  

Этот, и другие документы, могут быть скачаны с ftp://ftp.FreeBSD.org/pub/FreeBSD/doc/.

По вопросам, связанным с FreeBSD, прочитайте документацию прежде чем писать в <questions@FreeBSD.org>.
По вопросам, связанным с этой документацией, пишите <doc@FreeBSD.org>.
По вопросам, связанным с русским переводом документации, пишите в рассылку <frdp@FreeBSD.org.ua>.
Информация по подписке на эту рассылку находится на сайте проекта перевода.

Обновлено: 12.03.2015