مدخل إلى مصطلحات ومفاهيم التخزين في لينكس

يملك لينُكس أنظمةً صلبةً وأدواتٍ عمليةً لإدارة الأجهزة والعتاد، بما في ذلك أجهزة التخزين. سنشرح في درسنا هذا كيفية تمثيل تلك الأجهزة في لينكس وكيف يمكن تحويل المساحات الخام إلى مساحاتٍ تخزينيةٍ قابلةٍ للاستخدام على الخواديم.

ما هو التخزين الكتلي؟

التخزين الكتلي (Block storage) هو اسمٌ آخر لما تدعوه نواة لينُكس بالجهاز الكتلي (block device). والجهاز الكتلي هو قطعةٌ من العتاد التي يمكن استعمالها لتخزين البيانات، مثل أقراص التخزين الصلبة الاعتيادية (HDD) أو أقراص التخزين ذات الحالة الثابتة (solid state drive أي SSD) أو وحدات الذاكرة الفلاشية (flash memory stick) …إلخ. تلك تسمى «أجهزةً كتليةً» لأنَّ النواة تتعامل مع العتاد على أنَّه كتلٌ ثابتةُ الحجم، أو قطعٌ من المساحة.
بشكلٍ أساسي، التخزين الكتلي هو ما نعتبر أنَّه التخزين الاعتيادي المتواجد في الحواسيب، والذي –بعد ضبطه وإعداده– سيعمل على أنَّه جزءٌ من شجرة نظام الملفات الحالية، وستتمكن من قراءة أو كتابة المعلومات منه وإليه بسلاسة.

ما هي الأقسام في الأقراص؟

الأقسام (partitions) هي طريقةٌ لتقسيم جهاز التخزين إلى وحدات قابلة للاستخدام أصغر حجمًا، إذ أنَّ القسم هو جزءٌ من جهاز التخزين الذي يمكن معاملته بطريقةٍ مشابهةٍ لطريقة التعامل مع القرص نفسه.
يسمح لك التقسيم بتجزئة المساحة المتوافرة لديك واستخدام كل قسمٍ لغرضٍ مختلف. وهذا يعطي المستخدمين الكثير من المرونة سامحًا لهم بتجزئة النظام لديهم لتحديثه بسهولة أو لتثبيت أكثر من نظام تشغيل أو لإنشاء مساحة تبديل (swap) أو لاستخدام أنظمة ملفات خاصة على تلك الأجزاء.
وصحيحٌ أنَّ الأقراص يمكن أن تُهيّئ (format) وتُستعمَل دون تقسيم، إلا أنَّ بعض أنظمة التشغيل تتوقع وجود «جدول أقسام» (partition table) حتى ولو كان هنالك قسمٌ وحيدٌ في القرص؛ لذا يُستحسَن ويُنصَح عمومًا إنشاء أقسام في الأجهزة الجديدة لضمان مرونة استخدامها مهما كانت الظروف.

MBR أم GPT؟

من المهم عند تقسيم القرص معرفة ما هي «صيغة» التقسيم التي ستستعملها، وسينتهي بك المطاف بالاختيار بين MBR (اختصار للعبارة Master Boot Record) و GPT (اختصار للعبارة GUID Partition Table).
MBR هو نظام التقسيم التقليدي الذي بقي مُستخدَمًا طيلة 30 عامًا الماضية؛ ونتيجةً لعمره الطويل، فهو يعاني من بعض المحدوديات التي لها وقعٌ كبير. فمثلًا لا يمكننا استخدامه للأقراص التي حجمها التخزيني أكبر من 2 تيرابايت، ولا يمكن إنشاء أكثر من أربعة أقسام رئيسية (primary partitions)؛ ونتيجةً لذلك نضبط عادةً القسم الرابع على أنَّه «قسمٌ ممتد» (extended partition) الذي سيُنشَأ داخله «أقسامٌ منطقيةٌ» (logical partitions). وهذا يسمح لك بتجزئة آخر قسم لإنشاء أي عدد إضافي من الأقسام.
GPT على الجانب الآخر هو تخطيط حديث للتقسيم الذي يحاول حلّ بعضًا من المشكلات الموروثة من MBR، الأنظمة التي تستعمل GPT يمكن فيها إنشاء أي عددٍ نريده من الأقسام، لكن هذا محدودٌ عادةً بالقيود المفروضة من نظام التشغيل نفسه. إضافةً إلى ما سبق، لا تعاني أقراص GPT من محدوديات في حجم القرص، ومعلوماتُ جدولِ الأقسامِ متوافرةٌ في مواضعَ عدَّة مما يحميها من التلف. يمكن أيضًا كتابة سجل «protective MBR» الذي يخبر الأدوات التي تتعامل مع أقراص MBR فقط أنَّ القرص قيد الاستخدام حاليًا.
من الأفضل في أغلبية الحالات اختيار GPT ما لم يمنعك نظام تشغيلك أو الأدوات التي ستستعملها من ذلك.

التهيئة وأنظمة الملفات

صحيحٌ أنَّ نواة لينكس يمكنها التعرف على الأقراص الخام (raw disks) إلا أنَّ القرص لا يمكن أن يُستعمل كما هو؛ وإنما يجب تهيئته (format) قبل استعماله. التهيئة هي عملية كتابة نظام ملفات إلى القرص وتجهيزه لإجراء عمليات لها علاقة بالملفات. أما نظام الملفات (filesystem) فهو النظام الذي يُنظِّم البيانات ويتحكم بكيفية كتابة المعلومات إلى القرص والحصول على المعلومات من القرص؛ فبدون نظام الملفات لن تتمكن من استخدام جهاز التخزين لأيّة عمليات لها علاقة بالملفات.
هنالك الكثير من صيغ أنظمة الملفات المختلفة، والتي تتباين فيما بينها بامتلاكها لميزاتٍ مختلفة، بما في ذلك دعمُ أنظمة التشغيل. لكن بشكلٍ أساسي، تمنح جميع أنظمة الملفات للمستخدم تمثيلًا مألوفًا للقرص، لكن الميزات التي يدعمها كل نظام ملفات وآلية سماحه للمستخدم بالتعامل وإجراء عمليات على القسم مختلفةٌ تمامًا.
بعضٌ من أشهر أنظمة الملفات المتاحة للينكس:

Ext4: أشهر نظام ملفاتٍ افتراضيٍ في لينكس هو Ext4 (اختصار للعبارة the fourth version of the extended filesystem) وهو نظام ملفات ذو سجل (journaled)، ومتوافق مع الأنظمة القديمة، ومستقر للغاية، ومدعومٌ دعمًا واسعًا وتتوافر له أدواتٌ كثيرة؛ وهو خيارٌ جيدٌ إن لم تكن لديك احتياجاتٌ خاصة.
XFS: نظام ملفات XFS متخصصٌ بموضوع الأداء وبالملفات كبيرة الحجم، وستتم تهيئته بسرعة وأداؤه جيد عند التعامل مع الملفات الكبيرة ومع الأقراص الضخمة. ولديه ميزة أخذ snapshot من نظام الملفات. يعتمدXFS على تسجيل البيانات الوصفية (metadata journaling) فقط والذي يختلف عن تسجيل البيانات الوصفية والبيانات نفسها؛ وهذا يؤدي إلى سرعةٍ في الأداء، لكن قد يؤدي في الوقت نفسه إلى حدوث تلفٍ في البيانات في حال حدوث فقدان غير متوقع للطاقة الكهربائية.
Btrfs: نظام ملفات Btrfs هو نظامٌ حديثٌ له ميزاتٌ كثيرة وهو من نمط copy-on-write بدل كونه journaled، هذه المعمارية تسمح لبعض وظائف إدارة الحجوم (volume management) بأن تُدمَج مع طبقة نظام الملفات، بما في ذلك snapshots، والنسخ (cloning)، والحجوم (volumes) …إلخ. لكن نظام ملفات Btrfs ما يزال يواجه مشاكل عند التعامل مع الأقراص الممتلئة. هنالك بعض الجدال الدائر حول جاهزية نظام الملفات هذا لاستعماله في بيئات العمل الإنتاجية، وينتظر الكثير من مدراء الأنظمة أن يصل Btrfs إلى درجةً أكبر من الدعم والانتشار.
ZFS: هو نظام ملفاتٍ من نمط copy-on-write وفيه مدير حجوم (volume manager) بمجموعة متينةٍ ومستقرةٍ من الميزات. يحتوي أيضًا على ميزاتٍ ممتازةٍ لضمان سلامة البيانات المُخزَّنة عليه، ويمكنه التعامل مع أقسام ذات مساحات تخزينية كبيرة، وفيه ميزات إدارة الحجوم التقليدية مثل snapshotting و cloning، ويمكن فيه تنظيم الحجوم (volumes) إلى مصفوفة RAID أو مصفوفات شبيهة بمصفوفات RAID لغرض إنشاء نظام تخزيني مستقر وذي أداءٍ عالٍ. أما عن وضع دعم ZFS في لينكس، فيجدر بالذكر أنَّ له تاريخٌ جدليٌ نتيجةً لمخاوف من رخصة استعماله. أصبحت توزيعة أوبنتو توفِّر وحدة ثنائية (binary module) من وحدات النواة للتعامل معه، وتضع توزيعة دبيان الشيفرة المصدرية له في مستودعاتها، لكن لم يُحدَّد دعمه في بقية التوزيعات بعد.

كيف يُدير لينُكس أقراص التخزين

ملفات التخزين الموجودة في ‎/dev

من المعروف أنَّ كل شيء في لينُكس (تقريبًا) يُمثَّل بملف؛ بما في ذلك الأجهزة العتادية مثل أجهزة التخزين والتي تُمثَّل في النظام كملفات في مجلد ‎/dev، وعمومًا تبدأ أسماء الملفات التي تُمثِّل أجهزة التخزين بالحرفين sd أو hd متبوعَين بحرفٍ آخر؛ فمثلًا: أوّل قرص تخزين على الخادوم يكون اسمه شبيهًا بالاسم ‎/dev/sda.
تملك الأقسام على تلك الأجهزة ملفاتٍ هي الأخرى ضمن مجلد ‎/dev، ممثلةً بإضافة رقم القسم إلى نهاية اسم الجهاز، فعلى سبيل المثال، أوّل قسمٍ في القرص المذكور في المثال السابق سيكون على الشكل ‎/dev/sda1.
وعلى الرغم من أنَّ ملفات الأجهزة ‎/dev/sd*‎ و ‎/dev/hd*‎ هي الطريقة التقليدية للإشارة إلى الأجهزة والأقسام، إلا أنَّ هنالك جانبٌ سلبيٌ لاستخدام تلك المسارات، إذ أنَّ نواة لينكس تُقرِّر ما هو الجهاز الذي سيحصل على الاسم الفلاني عند كل إقلاعٍ للنظام، لذا قد يودي ذلك إلى تضاربات حيث تتغير أسماء عقد الأجهزة.
حلٌ التفافيٌ على هذه المشكلة هو احتواء المجلد ‎/dev/disk على مجلدات فرعية تَنظُمُ الأقراص والأقسام بطرائق ثابتةٍ لا تتغير؛ وتلك المجلدات تحتوي على وصلاتٍ رمزيةٍ (symbolic links) التي تُنشَأ عند الإقلاع لتشير إلى ملفات ‎/dev/[sh]da*‎ الصحيحة. تُسمى تلك الوصلات وفقًا لنوع طريقة التنظيم والموضَّحة باسم المجلد (على سبيل المثال، ستسمى الوصلات حسب «لُصيقة» [label] القسم في مجلد ‎/dev/disk/by-partlabel). ستُشير تلك الوصلات دومًا إلى الأجهزة الصحيحة، لذا يمكننا استخدامها كمُعرِّفات ثابتة لأجهزة التخزين.
بعض (أو جميع) المجلدات الآتية موجودةٌ ضمن مجلد ‎/dev/disk:

by-label: أغلبية أنظمة الملفات لها آلية لإعطاء لُصيقة سامحةً بإسناد أسماء يُحدِّدها المستخدم إلى القرص أو القسم؛ يحتوي هذا المجلد على وصلاتٍ مسماةٍ تِبعًا للُصيقات التي كتبها المستخدم.
by-uuid: المُعرِّفات العالمية الفريدة (اختصارًا UUIDs) هي سلسلةٌ طويلةٌ فريدةٌ من الحروف والأرقام التي يمكن أن تُستعمَل كمُعرِّف لوسيط التخزين. تلك المُعرِّفات ليست سهلة القراءة من البشر، لكنها فريدة، وستبقى ثابتةً حتى لو بدَّلنا الخادوم أو النظام؛ لذا من الأفضل استخدام مُعرِّفات UUID للإشارة إلى أجهزة التخزين التي قد تُنقَل بين الأنظمة بين الحين والآخر، لأنَّ من غير المحتمل أن يحدث تضاربٌ في الأسماء.
by-partlabel و by-partuuid: توفِّر جداول GPT لافتاتٍ ومعرِّفات UUID خاصة بها، والتي يمكن أن تُستعمَل أيضًا بغرض تمييز الأقسام، وتعمَل بنفس طريقة عَمَل المجلدين السابقين، إلا أنَّها تستعمل مُعرِّفات خاصة بجداول GPT.
by-id: يحتوي هذا المجلد على وصلات مُولَّدةٌ أسماؤها من الرقم التسلسلي لجهاز التخزين وللجهاز الموصول إليه، وتلك الأسماء غير ثابتة تمامًا، لأنَّ طريقة وصل الجهاز إلى النظام قد تُغيّر من اسم وصلات المجلد by-id.
by-path: وكما في مجلد by-id، تعتمد الوصلات الموجودة في هذا المجلد على أجهزة التخزين الموصول إلى النظام نفسه، وتُبنى تلك الوصلات اعتمادًا على طريقة تمثيل العتاد الذي يُستعمَل للوصول إلى وسيط التخزين في نظام التشغيل. وللوصلات الموجودة في هذا المجلد نفس الإشكاليات التي تواجهها تلك الموجودة في by-id لأنَّ وصل جهاز التخزين إلى منفذٍ آخر قد يؤدي إلى تغيير هذه القيمة.
يُفضَّل عادةً استخدام by-label أو by-uuid إذ أنَّ تمثيلها للأقراص ثابتٌ.

وصل أجهزة التخزين الكتلية

تُستعمَل ملفات الأجهزة الموجودة في ‎/dev للتواصل مع التعريف القادر على التعامل مع الجهاز المُعيّن في النواة؛ لكن يجب إنشاء طبقة تُمكّننا من معاملة الجهاز كوسيط تخزين يحتوي على مساحةٍ تخزينيةٍ قابلةٍ للاستعمال.
في لينكس وغيره من الأنظمة الشبيهة بيونكس (Unix-like)، يُمثَّل نظام التشغيل كشجرة ملفات موحّدة بغض النظر عن عدد الأجهزة الفيزيائية التي تُستعمَل فيه؛ ولكي يُستعمَل نظامُ ملفاتٍ أو قرصٌ في النظام، فيجب ربطه بمكانٍ ما في تلك الشجرة. عملية «الوصل» (mounting) تعني ربط قسم مُهيئ أو قرص إلى مجلدٍ موجودٍ ضمن نظام ملفات لينُكس؛ ومن ثم سنتمكّن من الوصول إلى محتويات القرص أو القسم من ذاك المجلد.
توصل الأقراص أو الأقسام دومًا في مجلدات فارغة مخصصة لهذا الغرض (الوصل في مجلد غير فارغ يعني أنَّنا لن نتمكن من الوصول إلى محتويات المجلد حتى نفصل [unmount] القرص أو القسم). هنالك الكثير من خيارات الوصل التي يمكن ضبطها لتعديل سلوك الأجهزة الموصولة، على سبيل المثال، يمكن أن يوصل القرص بوضع «القراءة فقط» لضمان عدم تغيير محتوياته.
ينصح معيار هيكلة نظام الملفات باستخدام ‎/mnt أو مجلدٍ فرعيٍ داخله لوصل أنظمة الملفات مؤقتًا. إذا كان وصلك للأقراص مؤقتًا فهذا أفضل مكانٍ لوصلها؛ لكن المعيار لم يُقدِّم أيّة اقتراحات لمكان وصل وسائط التخزين الدائمة، لذا يمكنك وصلها أينما تشاء؛ لكن في أغلبية الحالات توصل وسائط التخزين الدائمة في مجلد ‎/mnt أو في مجلدٍ فرعيٍ داخله.

جعل الوصل دائمًا باستخدام ‎/etc/fstab

تنظر أنظمة لينكس إلى ملفٍ يدعى ‎/etc/fstab (أي filesystem table) الذي يُحدِّد ما هي أنظمة الملفات التي يجب وصلها أثناء الإقلاع. توصل أنظمة الملفات غير الموجودة في ذاك الملف تلقائيًا (باستثناء تلك المُعرَّفة بملفات systemd‏ ‎.mount، التي ليست شائعةً حاليًا).
ملف ‎/etc/fstab بسيطٌ جدًا، فكلُ سطرٍ فيه يُمثِّل نظام ملفاتٍ مختلفٍ الذي يجب أن يوصل؛ يُحدِّد هذا السطر ما هو الجهاز الكتلي، وما هي نقطة الوصل (mount point) التي سيُربَط إليها، وما هي صيغة القسم، وما هي خيارات الوصل، بالإضافة إلى معلوماتٍ أخرى.

إدارة متقدمة لأجهزة التخزين

صحيحٌ أنَّ أغلبية الاستخدامات البسيطة لا تحتاج إلى بُنى إدارية إضافية، إلا أنَّنا سنحصل على أداءٍ عالٍ ومرونة وقدرة على تعويض تلف الأقراص عند استخدامنا لطرائق الإدارة المتقدمة.

ما هي مصفوفات RAID؟

مصفوفات RAID ترمز إلى «redundant array of independent disks»، وهي تقنية إدارة تخزين تسمح لك بتجميع الأجهزة مع بعضها لإدارتها كجهاز تخزين وحيد له ميزاتٌ إضافيةٌ.
خصائص مصفوفة RAID تعتمد على مستوى RAID المستعمل، والذي يُعرِّف ما هو عدد الأقراص في المصفوفة وكيف تتعلق ببعضها. للمستوى المختار تأثيرٌ على الأداء والقدرة على تعويض تلف الأقراص، بعض المستويات الشائعة هي:

RAID 0: يعتمد هذا المستوى على «توزيع البيانات» (drive striping) والذي يعني أنَّه عندما تُكتَب البيانات إلى المصفوفة، فستُقسَّم وتوزَّع على الأقراص الموجودة في المصفوفة، وهذا يعني زيادةً في الأداء لأنَّ بالإمكان الكتابة على أو القراءة من أكثر من قرص في آنٍ واحد. الجانب السلبي لهذا المستوى هو عندما يحدث عطبٌ في أحد الأقراص فسنفقد جميع المعلومات في كامل المصفوفة، لعدم وجود قرص يحتوي على معلوماتٍ كافيةٍ لإعادة بناء المصفوفة.
RAID 1: مستوى RAID 1 يعتمد على إنشاء نسخة مماثلة للبيانات (drive mirroring). فأي شيء يُكتَب إلى مصفوفة RAID 1 سيُكتَب على عدِّة أقراص؛ الميزة الأساسية لهذا المستوى هو القدرة على تعويض الأقراص، مما يعني أنَّ البيانات ستبقى موجودةً في المصفوفة حتى لو حدث عطبٌ في أحد الأقراص؛ وذلك لأنَّ عدِّة أقراص تحتوي على نفس البيانات، لكن في المقابل سيؤدي ذلك تقليل المساحة التخزينية للمصفوفة إلى النصف.
RAID 5: مستوى RAID 5 يوزِّع البيانات على عدِّة أقراص بشكلٍ شبيهٍ بمستوى RAID 0؛ لكن هذا المستوى يتضمن تكرار توزيع جزء من البيانات على قرصٍ آخر، وهذا يعني أنَّه لو حدثت مشكلة في أحد الأقراص، فستتمكن بقية الأقراص من إعادة بناء المصفوفة باستخدام البيانات المُكرَّرة التي يمكن تجميعها معًا. تلك البيانات المكررة كافية لإعادة بناء قرصٍ وحيد، وهذا يعني أنَّ المصفوفة ستتمكن من إعادة بناء نفسها إن حدث عطبٌ في قرصٍ وحيدٍ فقط. يؤدي تكرار توزيع البيانات إلى تقليل المساحة التخزينية لكامل المصفوفة إلى ما يعادل المساحة التخزينية لقرصٍ وحيد.
RAID 6: يملك المستوى RAID 6 نفس خصائص RAID 5، إلا أنَّه يُكرِّر جزءًا من البيانات على قرصين، وهذا يعني أنَّ مصفوفات RAID 6 ستتمكن من إعادة بناء نفسها إن فقدت قرصين؛ وستتأثر المساحة التخزينية لكامل المصفوفة بتكرار البيانات، وهذا يعني أنَّ المساحة التخزينية القابلة للاستخدام لكامل المصفوفة مساويةٌ للمساحة التخزينية لقرصين.
RAID 10: هذا المستوى هو دمجٌ بين المستويين 1 و 0، فبدايةً ستُنشَأ مجموعتين متماثلتين (mirrored) من المصفوفات؛ ثم ستُوزَّع البيانات عليها، وهذا يُنشِئ مصفوفةً لها نفس القدرة التعويضية لكن أداءها عالٍ. لكن هذا المستوى يتطلب عددًا كبيرًا نسبيًا من الأقراص، والمساحة التخزينية القابلة للاستخدام هي نصف مساحة جميع الأقراص.

ما هو LVM؟

LVM، أو مدير الحجوم المنطقية (Logical Volume Manager) هو نظامٌ يُشكِّل «طبقةً» تعلو البنية الفيزيائية لوسائط التخزين وخصائصها لتوفير مرونة عالية وقدرات كبيرة. يسمح لك LVM بإنشاء مجموعة من الأجهزة الفيزيائية وإدارتها كما لو أنَّها قرصٌ وحيد، ويمكنك تقسيم المساحة عند الحاجة إلى «حجوم منطقية» (logical volumes) والتي تعمل عمل الأقسام.
يعمل LVM بناءً على الأقسام العادية، ويحّل الكثير من المحدوديات الموجودة في الأقسام التقليدية، فعلى سبيل المثال، يمكنك بكل سهولة عند استخدام حجوم LVM أن توسِّع الأقسام وتُنشِئ أقسامًا تمتد على أكثر من قرص، وتأخذ نسخ snapshot من الأقسام، وتنقل الحجوم إلى أقراص فيزيائية مختلفة. يجدر بالذكر أنَّ بالإمكان استخدام LVM مع مصفوفات RAID ذات الأداء والوفرة العالية لتوفير نظام إدارة مرن.

ما هي الخطوة القادمة؟

إذا كان لديك جهاز تخزين جديد تريد استخدامه مع نظام لينكس، فألقِ نظرةً على هذه المقالة التي ستُرشِدُكَ إلى طريقة تقسيم وتهيئة ووصل نظام الملفات الجديد الذي ستُنشِئه. يجب أن تكفيك المقالة السابقة لأغلبية حالات الاستخدام حيث سيكون همّك الرئيسي هو زيادة القدرات التخزينية. لتعلم المزيد عن مهام إدارة أجهزة التخزين الأساسية، فانظر إلى هذه المقالة
ترجمة -وبتصرّف- للمقال An Introduction to Storage Terminology and Concepts in Linux لصاحبه Justin Ellingwood