硬盘接口和协议，硬盘分区
存储接口和协议
- IDE、SCSI 已过时，被 SATA 和 SAS 取代。
- SATA（HDD & SSD）适合大容量存储，但性能一般。
- SAS 适用于企业级 HDD/SSD，支持多设备级联，可靠性高。
- NVMe（PCIe/M.2/U.2）是当前最快的 SSD 方案，适用于高性能计算。
- 选择存储设备时，优先考虑 NVMe SSD，SATA 仅适合预算有限或大容量需求的情况。
不同存储设备的协议 & 接口对比
| 存储类型 | 协议 | 接口 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| HDD（老旧型号） | IDE | IDE（PATA） | 早期 PC，光驱，已淘汰 |
| HDD（主流型号） | SATA | SATA 3.0 | 机械硬盘，大容量存储 |
| HDD（企业级） | SAS | SAS 12G | 服务器存储，高可靠性 |
| SSD（入门级） | SATA、AHCI | SATA 3.0、M.2（SATA） | 适合低成本 SSD 方案 |
| SSD（高性能） | NVMe | PCIe、M.2（NVMe）、U.2 | 高速存储、游戏、数据中心 |
| 企业级 SSD | NVMe、SAS | PCIe、U.2、SAS | 服务器、高性能存储 |
硬盘存储协议
存储协议定义了数据在存储设备与主机之间的传输方式：
| 协议 | 适用设备 | 特点 | 带宽 |
|---|---|---|---|
| IDE（ATA/Parallel ATA, PATA） | 旧式 HDD、光驱 | 并行传输，速率低，已被淘汰 | 133 MB/s（ATA-7） |
| SCSI（Small Computer System Interface） | 服务器级 HDD、磁带机 | 高速并行传输，支持多设备 | 640 MB/s（Ultra-640 SCSI） |
| SATA（Serial ATA） | HDD、SATA SSD | 串行传输，速率比 IDE 高 | 6 Gbps（SATA 3.0） |
| SAS（Serial Attached SCSI） | 企业级 HDD、SAS SSD | 串行 SCSI，支持级联设备，高可靠性 | 12 Gbps（SAS 3.0） |
| AHCI（Advanced Host Controller Interface） | SATA HDD、SATA SSD | 传统 SATA 控制协议，低并行度 | 6 Gbps（SATA 3.0） |
| NVMe（Non-Volatile Memory Express） | NVMe SSD | 专为 SSD 设计，超低延迟 | 32 Gbps（PCIe 3.0 x4），64 Gbps（PCIe 4.0 x4） |
硬盘存储接口
存储接口决定了设备的物理连接方式及最大带宽：
| 接口 | 协议支持 | 适用设备 | 最大带宽 |
|---|---|---|---|
| IDE（PATA） | IDE | 旧式 HDD、光驱 | 133 MB/s |
| SCSI | SCSI | 服务器级 HDD、磁带机 | 640 MB/s |
| SATA 3.0 | SATA、AHCI | HDD、SATA SSD | 6 Gbps |
| SAS 12G | SAS | 企业级 HDD、SAS SSD | 12 Gbps |
| PCIe 3.0 x4 | NVMe | NVMe SSD | 32 Gbps |
| PCIe 4.0 x4 | NVMe | NVMe SSD | 64 Gbps |
| M.2（SATA） | SATA | SATA SSD | 6 Gbps |
| M.2（NVMe） | NVMe | NVMe SSD | 32 Gbps（PCIe 3.0 x4）或 64 Gbps（PCIe 4.0 x4） |
| U.2（NVMe） | NVMe | 企业级 NVMe SSD | 32 Gbps |
| CFExpress | NVMe | 高速存储卡 | 最高 32 Gbps |
硬盘分区及使用
硬盘分区是指将一个物理硬盘划分为多个逻辑部分的过程，每个逻辑部分被称为一个分区。每个分区可以独立地格式化为不同的文件系统，并且可以像独立的存储设备一样使用。
常见分区表类型：MBR（Master Boot Record）和GPT（GUID Partition Table）:
| 特性 | MBR | GPT |
|---|---|---|
| 最大分区大小 | 2TB | 几乎无限制（取决于操作系统） |
| 最大分区数量 | 4 个主分区（或 3 个主分区 + 1 个扩展分区） | 128 个（默认，可更多） |
| 兼容性 | 兼容所有操作系统 | 需要 UEFI 支持（旧 BIOS 可能不支持） |
| 安全性 | 无校验和 | 有校验和，支持数据完整性检查 |
| 分区表备份 | 无 | 有备份分区表 |
分区表类型及注意事项
- 一块物理硬盘只能采用一种类型的分区表格式，要么是MBR（Master Boot Record），要么是GPT（GUID Partition Table）。
- 不需要一次性完成所有分区，可以根据需要随时调整分区布局，包括创建新分区、删除现有分区或者调整分区大小。
分区的主要目的是更好地组织数据、安装多个操作系统或提高系统的性能和可靠性。
MBR详解
MBR（Master Boot Record）（主引导记录）是传统硬盘分区表格式的一种，广泛应用于早期的个人电脑和服务器上。
MBR结构概述
MBR位于磁盘的第一个扇区（通常为512字节），包含以下几个关键部分：
引导代码（Boot Code）：占446字节，负责加载操作系统的引导加载程序。这部分代码在系统启动时由BIOS执行，用于找到并加载操作系统。
分区表（Partition Table）：占64字节，描述了最多四个主分区的信息。每个分区表项占用16字节，因此理论上MBR只能直接管理四块主分区。如果需要更多分区，则可以创建一个扩展分区，在该扩展分区内建立逻辑分区。
分区表结束标志（Magic Number）：最后两个字节固定为
0x55AA，作为MBR的有效性检查标志。
分区类型:
- 主分区（Primary Partition）：可以直接安装操作系统并且能够独立引导的分区。
- 扩展分区（Extended Partition）：为了克服MBR只能定义四个主分区的限制而引入的概念。扩展分区本身不能存储数据或安装操作系统，但它可以包含多个逻辑分区。
- 逻辑分区（Logical Partition）：存在于扩展分区内的分区，理论上数量没有严格限制，但受限于可用的磁盘空间。
MBR的优点与缺点
优点：
- 广泛支持：几乎所有操作系统和硬件都支持MBR。
- 简单易用：对于大多数用户来说，配置和使用相对简单。
缺点：
- 分区数量限制：仅能创建最多四个主分区，或者三个主分区加一个扩展分区。
- 兼容性问题：不支持超过2TB大小的磁盘。
- 安全性较低：MBR容易受到病毒攻击，因为它的位置固定且重要。
使用场景:
虽然GPT已经成为新系统的标准，但在以下情况下MBR仍然是合适的选择：
- 需要确保与旧版软件和硬件的最大兼容性。
- 操作系统或某些应用程序明确要求使用MBR。
- 对于小于2TB的磁盘，特别是在不需要超过四个分区的情况下，MBR足够使用且简单直接。
尽管随着GPT（GUID Partition Table）的出现，MBR逐渐被取代，但由于其广泛的兼容性和对旧系统的支持，仍然在许多场景中使用。
GPT分区
GPT（GUID Partition Table）是现代硬盘使用的分区表标准，它是UEFI（统一可扩展固件接口）标准的一部分。相比于传统的MBR（主引导记录），GPT提供了更大的灵活性和可靠性，特别适合大容量硬盘和需要更多分区的场景。
GPT结构概述
GPT的设计旨在克服MBR的一些限制，如分区数量限制和支持的最大磁盘大小等。以下是GPT的主要组成部分：
保护MBR（Protective MBR）：
- 位于磁盘的第一个扇区，目的是为了防止不支持GPT的旧工具误认为磁盘未分区或格式化。
- 包含一个类型为0xEE的单一分区条目，覆盖整个磁盘空间，告诉这些工具该磁盘使用了GPT而不是MBR。
主GPT头（Primary GPT Header）：
- 紧随保护MBR之后，通常位于磁盘的第二个扇区（LBA 1）。
- 包含了关于磁盘的基本信息，如分区表的位置、大小以及校验和等。
分区表（Partition Entries）：
- 存储在主GPT头之后的多个连续扇区中。
- 每个分区条目占用128字节，允许定义大量的分区（理论上最多可达128个，但实际受操作系统支持的数量限制）。
- 每个条目包含了分区的起始和结束位置、类型GUID、唯一标识符GUID以及其他属性。
备份GPT头（Backup GPT Header）和备份分区表：
- 备份GPT头位于磁盘的最后一个扇区。
- 同样包含了一个完整的分区表副本，用于数据恢复和冗余保护。
分区特点
- 分区数量：理论上没有明确的数量限制，但在实践中，操作系统可能会施加限制。例如，在Windows系统中，默认情况下可以创建多达128个分区。
- 分区大小：支持超过2TB的大容量硬盘，因为GPT使用64位来表示分区大小，这意味着它可以管理高达9.4ZB（zettabytes）的数据量。
- 分区类型：每个分区都有一个唯一的GUID（全局唯一标识符），这使得分区识别更加准确和安全。
使用场景
- 大容量硬盘：对于大于2TB的硬盘，必须使用GPT，因为MBR只能处理最大2TB的存储空间。
- 多分区需求：当需要创建超过四个主分区时，GPT是一个更好的选择。
- 增强的数据安全性与可靠性：由于有备份GPT头和分区表的存在，即使主GPT损坏，也可以通过备份进行恢复。
常见文件系统
FAT32 (File Allocation Table 32)
- 特点: 兼容性好，支持多种操作系统，但单个文件大小限制为4GB，分区大小限制为2TB。
- 适用场景: USB闪存驱动器、SD卡等移动存储设备。
exFAT (Extended File Allocation Table)
- 特点: 支持大文件和大分区，兼容性好，适合闪存设备。
- 适用场景: 大容量USB闪存驱动器、SD卡。
NTFS (New Technology File System)
- 特点: 支持大文件和大分区，具有文件权限、加密、压缩等功能，适合现代操作系统。
- 适用场景: Windows系统盘和数据盘。
HFS+ (Hierarchical File System Plus)
- 特点: 支持大文件和大分区，具有日志功能，适合macOS。
- 适用场景: macOS系统盘和数据盘。
APFS (Apple File System)
- 特点: 支持加密、快照、空间共享等功能，优化了SSD性能。
- 适用场景: macOS High Sierra及更高版本的系统盘和数据盘。
ext4 (Fourth Extended File System)
- 特点: 支持大文件和大分区，具有日志功能，适合Linux系统。
- 适用场景: Linux系统盘和数据盘。
XFS
- 特点: 高性能，支持大文件和大分区，适合高吞吐量应用。
- 适用场景: Linux服务器和数据中心。
Btrfs (B-tree File System)
- 特点: 支持快照、压缩、RAID等功能，适合现代Linux系统。
- 适用场景: Linux系统盘和数据盘。
| 文件系统 | 最大文件大小 | 最大分区大小 | 主要特点 | Windows | Linux | macOS |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FAT32 | 4GB | 2TB | 兼容性好 | ✅ | ✅ | ✅ |
| exFAT | 16EB | 128PB | 大文件支持 | ✅ | ✅ | ✅ |
| NTFS | 16TB | 256TB | 文件权限、加密 | ✅ | 部分支持 | 只读 |
| HFS+ | 8EB | 8EB | 日志功能 | ❌ | ✅ | ✅ |
| APFS | 8EB | 8EB | 加密、快照 | ❌ | ❌ | ✅ |
| ext4 | 16TB | 1EB | 日志功能 | ❌ | ✅ | ❌ |
| XFS | 8EB | 8EB | 高性能 | ❌ | ✅ | ❌ |
| Btrfs | 16EB | 16EB | 快照、压缩 | ❌ | ✅ | ❌ |
不同操作系统下的文件系统差异：
- Windows 主要使用 NTFS 和 exFAT，兼容 FAT32。
- Linux 主要使用 ext4、XFS 和 Btrfs，兼容 FAT32 和 exFAT。
- macOS 主要使用 APFS 和 HFS+，兼容 FAT32 和 exFAT。
FAT32 和 exFAT 在三大操作系统中均有良好支持，适合跨平台使用