MBR磁盘与GPT磁盘概述

时间:2024-10-31 11:49:23


在数据被存储到磁盘之前,该磁盘必须被划分成一个或数个磁盘分区。下图所示为一个磁盘(一块硬盘)被分割为3个磁盘分区。

磁盘被分割为3个分区:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_gpt

在磁盘内有一个被称为磁盘分区表的区域,用来存储磁盘分区的相关数据,如每一个磁盘分区的起始地址、结束地址,是否为活动(active)的磁盘分区等信息。

1、MBR磁盘与GPT磁盘

磁盘按分区表的格式可以分为主引导记录(Master Boot Record,MBR)磁盘与全局唯一标识分区表(GUID Partition Table,GPT)磁盘两种磁盘格式。

MBR磁盘:MBR磁盘使用的是旧的传统磁盘分区表格式,其磁盘分区表存储在MBR内,如下图所示。

MBR磁盘与GPT磁盘概述_运维_02

MBR位于磁盘最前端,使用传统BIOS(基本输入输出系统,是固化在计算机主板上一个ROM芯片上的程序)的计算机,其启动时BIOS会先读取MBR,并将控制权交给MBR内的程序代码,然后由此程序代码来继续后续的启动工作。MBR磁盘所支持的硬盘最大容量为2.2TB (1TB=1024GB)。

GPT 磁盘:GPT 磁盘是一种新的磁盘分区表格式,其磁盘分区表存储在 GPT 内,如下图所示。

MBR磁盘与GPT磁盘概述_linux_03

它位于磁盘的前端,而且它有主分区表与备份分区表,可提供容错功能。使用新式UEFI BIOS的计算机,其BIOS会先读取GPT,并将控制权交给GPT内的程序代码,然后由此程序代码来继续后续的启动工作。GPT磁盘所支持的硬盘最大容量超过2.2TB。

可以利用图形接口的磁盘管理工具或Diskpart命令将空的MBR磁盘转换成GPT磁盘,或将空的GPT磁盘转换成MBR磁盘。

① 为了兼容起见,GPT磁盘内提供了Protective MBR,让仅支持MBR的程序仍然可以正常运行。

② 可以在BIOS Setup里设置采用何种启动模式,如下图所示。

设置启动模式:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_运维_04

2、基本磁盘

Windows操作系统又将磁盘分为基本磁盘与动态磁盘两种类型:

  • 基本磁盘:旧式的传统磁盘系统,新安装的硬盘默认是基本磁盘。
  • 动态磁盘:它支持多种特殊的磁盘分区,其中有的可以提高系统访问效率、有的可以提供容错功能、有的可以扩大磁盘的使用空间。

下面先介绍基本磁盘。

1. 主要与扩展磁盘分区

磁盘分区分为以下两种:

  • 主磁盘分区。主磁盘分区可以用来启动操作系统。计算机启动时,MBR或GPT内的程序代码会到活动的主磁盘分区内读取与执行启动程序代码,然后将控制权交给此启动程序代码来启动相关的操作系统。
  • 扩展磁盘分区。扩展磁盘分区只能用来存储文件,无法用来启动操作系统,也就是说MBR或GPT 内的程序代码不会到扩展磁盘分区内读取与执行启动程序代码。

一个MBR磁盘内最多可建立4个主磁盘分区,或最多3个主磁盘分区加上1个扩展磁盘分区,如下图所示。

 基本磁盘的分区:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_gpt_05

每一个主磁盘分区都可以被赋予一个驱动器号,如 C:、D:等。扩展磁盘分区内可以建立多个逻辑驱动器。基本磁盘内的每一个主磁盘分区或逻辑驱动器又被称为基本卷(basic volume)。

卷是由一个或多个磁盘分区所组成的,动态磁盘会包含多个磁盘分区的卷。

Windows操作系统的一个GPT磁盘内最多可以建立128个主磁盘分区,如下图所示。

MBR磁盘与GPT磁盘概述_Windows_06

而每一个主磁盘分区都可以被赋予一个驱动器号(最多只有A~Z共26个驱动器号可用)。由于可以有128个主磁盘分区,因此GPT磁盘不需要扩展磁盘分区。大于2.2TB的磁盘分区需使用GPT磁盘。较旧版本的Windows操作系统(如Windows 2000、32位的Windows XP等)无法识别GPT磁盘。

2. 活动卷与系统卷

Windows操作系统又将磁盘区分为启动分区(boot volume)与系统分区(system volume)两种。

●启动分区。它是用来存储 Windows 操作系统文件的磁盘分区。操作系统文件通常是存放在Windows文件夹内的,此文件夹所在的磁盘分区就是启动分区,如下图的MBR磁盘所示。

系统分区与启动分区:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_Windows_07

其左半部与右半部的 C:磁盘驱动器都是存储系统文件(Windows文件夹)的磁盘分区,所以它们都是启动分区。启动分区可以是主磁盘分区或扩展磁盘分区内的逻辑驱动器。

●系统分区。如果将系统启动的程序分为两个阶段来看的话,系统分区就是用于存储第1阶段所需要的启动文件(如Windows启动管理器bootmgr)。系统利用其中存储的启动信息,就可以到启动分区的Windows文件夹内读取启动Windows操作系统所需的其他文件,然后进入第2阶段的启动程序。如果计算机内安装了多套Windows操作系统的话,系统分区内的程序也会负责显示操作系统列表来供用户选择。

例如,上图左半部的系统保留分区与右半部的 C:都是系统分区,其中右半部因为只有一个磁盘分区,启动文件与Windows文件夹都存储在此处,所以它既是系统分区也是启动分区。

在安装Windows Server 2016时,安装程序就会自动建立扮演系统分区角色的系统保留分区,且无驱动器号,包含Windows修复环境(Windows Recovery Environment, Windows RE)。可以自行删除此默认分区,上图右半部所示就只有1个磁盘分区。

使用UEFI BIOS的计算机可以选择UEFI模式或传统模式(以下将其称为BIOS模式)来启动Windows Server 2016。若是 UEFI模式的话,则启动磁盘需为GPT磁盘,且此磁盘最少需要3个GPT磁盘分区,如下图所示。

UEFI模式启动下的GPT磁盘:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_磁盘分区_08

  • EFI 系统分区(EFI system partition, ESP)。其文件系统为 FAT32,可用来存储BIOS/OEM厂商所需要的文件、启动操作系统所需要的文件(UEFI的前版被称为EFI)、Windows修复环境(Windows RE)等。
  • 微软保留分区(Microsoft Reserved Partition,MSR)。用来保留供操作系统使用的区域。若磁盘的容量小于16GB,此区域占用约32MB;若磁盘的容量大于或等于16GB,则此区域占用约128MB。
  • Windows磁盘分区。其文件系统为NTFS,是用来存储Windows操作系统文件的磁盘分区。操作系统文件通常放在Windows文件夹内。

在UEFI模式之下,如果是将Windows Server 2016安装到一个空硬盘,则除了以上3个磁盘分区之外,安装程序还会自动多建立一个恢复分区,如下图所示。

UEFI模式下安装Windows的GPT磁盘分区情况:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_磁盘分区_09

它将Windows RE与EFI系统分区分成两个磁盘分区,存储Windows RE的恢复分区的容量约300MB,此时的EFI系统分区的容量约100MB。

若是数据磁盘,则至少需要一个 MSR 与一个用来存储数据的磁盘分区。UEFI 模式的系统虽然也可以使用MBR磁盘,但MBR磁盘只能够当作数据磁盘,无法作为启动磁盘。

特别提示:

  1. 在安装Windows Server 2016之前,可能需要先进入BIOS内指定以UEFI模式工作,例如,将通过DVD来启动计算机的方式改为UEFI,否则可能会以传统BIOS模式工作,而不是UEFI模式。
  2. 在UEFI模式下安装Windows Server 2016完成后,系统会自动修改BIOS设置,并将其改为优先通过“Windows Boot Manager”来启动计算机。

如果硬盘内已经有操作系统,且此硬盘是MBR磁盘,则必须先删除其中的所有磁盘分区,然后再将其转换为 GPT 磁盘,其方法为:在安装过程中通过单击修复计算机进入命令提示符窗口,然后执行diskpart程序,接着依序执行select disk 0、clean、convert gpt命令。

在文件资源管理器内看不到系统保留分区、恢复分区、EFI系统分区与MSR等磁盘分区。在Windows操作系统内置的磁盘管理工具“磁盘管理”内看不到MBR、GPT、Protective MBR 等特殊信息,虽然可以看到系统保留分区(MBR磁盘)、恢复分区与EFI系统分区等磁盘分区,但还是看不到MSR。

例如,下图所示的磁盘为GPT磁盘,从中可以看到恢复分区与EFI系统分区(当然还有Windows磁盘分区),但看不到MSR。

GPT磁盘的磁盘管理:

MBR磁盘与GPT磁盘概述_Windows_10

我们可以通过 diskpart 程序来查看 MSR:打开命令提示符窗口(用鼠标右键单击“开始”菜单选择相应命令)或 Windows PowerShell(在“服务器管理器”的“工具”菜单中),执行diskpart程序,然后依序执行select disk 0、list partition命令,可以看到4个磁盘分区,如下图所示。

使用diskpart程序查看磁盘分区:

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3、认识动态磁盘

动态磁盘使用卷(Volume)来组织空间,使用方法与基本磁盘分区相似。动态卷可建立在不连续的磁盘空间上,且空间大小可以动态地变更。动态卷的创建数量也不受限制。在动态磁盘中可以建立多种类型的卷,以提供高性能的磁盘存储能力。

1. RAID技术简介

如何增加磁盘的存取速度,如何防止数据因磁盘故障而丢失,如何有效地利用磁盘空间,这些问题一直困扰着计算机专业人员和用户。RAID技术的产生一举解决了这些问题。

RAID是把多个磁盘组成一个阵列,当作单一磁盘使用。它将数据以分段(Striping)的方式存储在不同的磁盘中,存取数据时,阵列中的相关磁盘一起动作,从而大幅减少了数据的存取时间,同时有更佳的空间利用率。磁盘阵列所利用的不同技术称为RAID级别。不同的级别针对不同的系统及应用,以解决数据访问性能和数据安全的问题。

RAID技术的实现可以分为硬件实现和软件实现两种。现在很多操作系统,如Windows NT以及UNIX等都提供软件RAID技术,其性能略低于硬件RAID,但成本较低,配置管理也非常简单。目前Windows Server 2016网络操作系统支持的RAID级别包括RA-D 0、RA-D 1、RA-D 4和RAID-5。

  • RAID-0。RAID-0通常被称作“条带”,它是面向性能的分条数据映射技术。这意味着被写入阵列的数据被分割成条带,然后写入阵列中的成员磁盘,从而允许低费用的高效I/O性能,但是不提供冗余性。
  • RAID 1。RAID-1被称为“磁盘镜像”,通过在阵列中的每个成员磁盘上写入相同的数据来提供冗余性。由于镜像的简单性和高度的数据可用性,目前仍然很流行。RAID-1提供了极佳的数据可靠性,并提高了读取任务繁重的程序的执行性能,但是它的费用也相对较高。
  • RAID 4。RAID-4使用集中到单个磁盘驱动器上的奇偶校验来保护数据,更适合事务性的I/O而不是大型文件传输。专用的奇偶校验磁盘同时带来了固有的性能瓶颈。
  • RAID-5。RAID-5是目前使用最普遍的RAID类型。通过在某些或全部阵列成员磁盘驱动器中分布奇偶校验,RAID-5避免了RAID-4中固有的写入瓶颈,唯一的性能瓶颈是奇偶计算进程。与RAID-4一样,其结果是非对称性能,读取性能大大超过写入性能。

2. 动态卷类型

动态磁盘提供了更好的磁盘访问性能以及容错等功能,可以将基本磁盘转换为动态磁盘,而不损坏原有的数据。动态磁盘若要转换为基本磁盘,则必须先删除原有的卷。

在转换磁盘之前需要关闭这些磁盘上运行的程序。如果转换启动盘,或者要转化的磁盘中的卷或分区正在使用,则必须重新启动计算机才能成功转换。

转换过程如下:

  1. 关闭所有正在运行的应用程序,选择“服务器管理器”→“工具”→“计算机管理”→“磁盘管理”命令,在右侧窗格的底端,用鼠标右键单击要升级的基本磁盘,在弹出的快捷菜单中选择“转换到动态磁盘”命令。
  2. 在打开的对话框中,可以选择多个磁盘一起升级。选好之后,单击“确定”按钮,然后单击“转换”按钮即可。

Windows Server 2016中支持的动态卷包括以下几类:

  • 简单卷(Simple Volume)。简单卷与基本磁盘的分区类似,只是其空间可以扩展到非连续的空间上。
  • 跨区卷(Spanned Volume)。跨区卷可以将多个磁盘(至少两个,最多32个)上的未分配空间合成一个逻辑卷。使用时先写满一部分空间,再写入下一部分空间。
  • 带区卷(Striped Volume)。带区卷又称条带卷RAID-0,将2~32个磁盘空间上容量相同的空间组合成一个卷,写入时将数据分成64KB的大小相同的数据块,同时写入卷的每个成员磁盘的空间上。带区卷提供最好的磁盘访问性能,但是带区卷不能被扩展或镜像,并且没有容错功能。
  • 镜像卷(Mirrored Volume)。镜像卷又称为RAID-1技术,是将两个磁盘上相同尺寸的空间建立为镜像,有容错功能,但空间利用率只有50%,实现成本相对较高。
  • 带奇偶校验的带区卷。采用 RAID-5技术,每个独立磁盘进行条带化分割、条带区奇偶校验,校验数据平均分布在每块硬盘上,容错性能好,应用广泛,需要3个以上的磁盘。其平均实现成本低于镜像卷。