识别 Linux上的设备（磁盘）类型

时间：2023-03-08 17:56:09

1. Linux 上的设备 （device）

Linux 操作系统中，各种设备驱动（device driver）通过设备控制器（device controller）来管理各种设备（device），其关系如下图所示：

识别 Linux上的设备（磁盘）类型

这些设备之中，

  • 受同一个 device driver 管理的设备都有相同的 major number，这个数字可以看作设备的类别号码，被内核用于识别一类设备
  • 受同一个 device driver 管理的同一类设备中的每一个设备都有不同的 minor number，这个数字可以看作设备编号，被设备驱动用来识别每个设备

设备驱动主要有三大类：

  • 面向包的网络设备驱动（package oriented network device driver）
  • 面向块的存储设备驱动（block oriented storage device driver），提供缓冲式（buffered）的设备访问。
  • 面向字节的字符设备驱动 （byte oriented char device driver），有时也称为裸设备（raw devices），提供非缓冲的直接的设备访问（unbuffered direct access），比如串口设备，摄像头，声音设备等。实际上，除了网络设备和存储设备以外的其它设备都是某种字符设备。

除此以外，还有一类设备，称为伪设备（pseudo device），它们是软件设备。Linux 上的 device 不一定要有硬件设备，比如 /dev/null, /dev/zero 等。

关于字符设备和块设备的更多区别：

  • 块设备只能以块为单位接受输入和返回输出，而字符设备则以字节为单位。大多数设备是字符设备，因为它们不需要缓冲而且不以固定块大小进行操作。
  • 块设备对于I/O 请求有对应的缓冲区，因此它们可以选择以什么顺序进行响应，字符设备无须缓冲且被直接读写。对于存储设备而言调 读写的顺序作用巨大，因为在读写连续的扇区比分离的扇区更快。
  • 字符设备只能被顺序读写，而块设备可以随机访问。虽然块设备可随机访问，但是对于磁盘这类机械设备而言，顺序地组织块设备的访问可以提高性能。

用户空间的各种应用是通过 device driver 来操作设备的：

识别 Linux上的设备（磁盘）类型

如果再详细一些就是这样的：

识别 Linux上的设备（磁盘）类型（图片来源）

从这个图上可以看出：

  • 网络设备驱动之上，分别有包调度器（packet scheduler），网络协议层（network protocols），NetFilter （防火墙）和 scoket 层，其中，网络设备驱动以 socket 作为应用层的接口
  • 块设备驱动之上，分别有 I/O Scheduler，通用块层（generic block layer）和文件系统，其中，块设备驱动以设备文件 （device file）作为应用层的接访问口
  • 字符设备驱动之上，分别有 Line discipline 和 terminals，其中，terminals 作为和应用的访问接口

Linux 系统中“一切皆文件”。每个设备，在 /dev 目录中都有对一个设备文件（device file），比如 /dev/sda 表示第一个 SCSI/IDE 盘，/dev/vda 表示第一个 virtio 磁盘。应用程序通过访问这些设备文件像操作文件一样来访问这些设备，可以使用的接口包括：

  • int open(const char *path, int oflag, ... )
  • int close(int fd);
  • ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbyte)
  • ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbyte)
  • int ioctl(int d, int request, ...)

在 Linux 系统上，设备驱动可以被动态加载和删除

  • lsmod - 列出当前已经被加载的模块
  • insmod <module_file> - insert/load 指定的模块文件
  • modprobe <module> - insert/load 指定的 module，以及所有依赖
  • rmmod <module> - remove/unload 指定的module

2. Linux 设备的 major 和 minor number

2.1 用 ls 获取

上文谈到了 major 和 number。简单地，可以从 ls 命令的输出中看出 device 的这两个numbers：

root@controller:/home/sammy# cd /dev

root@controller:/dev# ls -l

total

crw-------  root root     10, 175 Jul  : agpgart

crw-------  root root     ,  Jul  : autofs

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : loop5

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : loop6

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : sda

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : sda1

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : sda2

brw-rw----  root disk      ,    Jul  : sda5

crw--w----  root tty       ,   Jul  : tty10

crw--w----  root tty       ,   Jul  : tty11
  • 以  'c' 开头的一行表示该设备是一个字符设备，以 'b' 开头的行表示这是一个块设备。
  • 10,175 这两个数字中，前面的 10 表示 major number，后面的 175 表示 minor number。

2.2 major 和 minor 值的设置

历史上，设备的 major number 采用的是注册制，各设备厂家在 http://www.lanana.org/ 中注册他们的设备所使用的 major number。从 http://www.lanana.org/docs/device-list/devices-2.6+.txt 中还可以看出来 linux 2.6 内核中所分配的静态major numbers。

但是，现在，这个注册网站已经没有人维护了，取而代之的是动态分配制度。分配者是linux 内核的 udev 模块。它将保证在本系统中，<major number>：<minor number>的组合是唯一的，而在这个范围之外，它不会保证其惟一性。一旦分配好了后，你就可以从 /proc/device 文件中读出所分配的 major numbers，比如：

 pty

  ttyp

  ttyS

  lp

  vcs

  misc

  input

  sound

  sg

 usbBlock devices:

  fd

  sd

  sr

  sd

  sd

3. 根据 major 和 minior numbers 识别磁盘类型

3.1 识别过程

根据以下步骤来识别磁盘类型：

（1）使用 stat 命令获取设备文件的 major 和 minor numbers。注意结果是16进制。

root@u1:/dev# stat -c %T /dev/vda #minor number

root@u1:/dev# stat -c %T /dev/vdb

root@u1:/dev# stat -c %T /dev/sda

root@u1:/dev# stat -c %t /dev/vda #major number

fd

root@u1:/dev# stat -c %t /dev/vdb

fd

root@u1:/dev# stat -c %t /dev/sda

（2）将16进制数字转化为10进制，并拼接字符串 /sys/dev/block/$decmajor:$minor/device/driver

/sys/dev/block/:/device/driver

/sys/dev/block/:/device/driver

/sys/dev/block/:/device/driver

（3）调用 readlink -f 命令，获取 device driver

root@u1:/dev# readlink -f /sys/dev/block/:/device/driver

/sys/bus/virtio/drivers/virtio_blk

root@u1:/dev# readlink -f /sys/dev/block/253:16/device/driver
/sys/bus/virtio/drivers/virtio_blk
root@u1:/dev# readlink -f /sys/dev/block/:/device/driver

/sys/bus/scsi/drivers/sd

从输出可以看出，/dev/vda 和 /dev/vdb 都是 virtio-block 类型的设备，而 /dev/sda 是 sd 即 SCSI 类型的设备。

常见的命名：

  • fd：软驱
  • hd：IDE 磁盘
  • sd：SCSI 磁盘
  • tty：terminals
  • vd：virtio 磁盘

3.2 virtio block driver 的实现

virtio-blk 驱动的实现代码在 https://github.com/spotify/linux/blob/master/drivers/block/virtio_blk.c。从中可以看出 major 和 minor number 分配，以及设备命名的方法。

（1）设备命名方法

if (index < ) {

        sprintf(vblk->disk->disk_name, "vd%c", 'a' + index % );

    } else if (index < ( + ) * ) {

        sprintf(vblk->disk->disk_name, "vd%c%c",

            'a' + index /  - , 'a' + index % );

    } else {

        const unsigned int m1 = (index /  - ) /  - ;

        const unsigned int m2 = (index /  - ) % ;

        const unsigned int m3 =  index % ;

        sprintf(vblk->disk->disk_name, "vd%c%c%c",

            'a' + m1, 'a' + m2, 'a' + m3);

    }

可见：

  • virtio-blk 设备的名称以 ‘vd’ 开头。从  ‘vda’ 开始递增，数目在 26 个以内时，增长至 ‘vdz’；如果超过 26，则从 ’vdaa‘ 一直增长至 ’vdzz‘；最高可以增长到 ’vdzzz‘。
  • 名称在设备被加载后被确定，在重新加载或者系统重启后会重新生成，因此对同一个设备其名称可能会发生变化。我的另一篇文章 理解 QEMU/KVM 和 Ceph（3）：存储卷挂接和设备名称谈到了这种变化导致的问题。

（2）major number 是通过向内核注册来获取的

static int __init init(void)

{

    major = register_blkdev(, "virtblk");

    if (major < )

        return major;

    return register_virtio_driver(&virtio_blk);

}

register_blkdev 这个方法是内核系统调用，用于注册一个块设备，需要指定主设备号。如果指定的设备号为0，则会由系统自动分配一个。该方法调用之后，就可以在/proc/devices文件中看到该块设备以及它的 major number。

（3）minor number 是由设备的 index （索引）转化而来的

vblk->disk->first_minor = index_to_minor(index);

参考链接：

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