隨身碟版攜帶型Linux製作, casper-rw 解析__Linux

一直都在想，不管用誰的電腦，我都可以得到一個完全一致的工作環境，上面有我喜愛的軟體，有我儲存的重要資料，甚至瀏覽器的各種偏好都得一模一樣。現在的雲端運算技術可以部分解決這個問題，但是遠遠不夠。我的理想境界是，無論身處何地，一開機，看到的就是自己的電腦，或者相當於自己的電腦。自己可以任意處理自己的資料，不把隱私泄露給別人，當然也不要破壞人家已有的軟體環境。要實現該理想，有幾個辦法：

1. 隨時帶一個筆記本或者迷你筆記型電腦。到哪裡都用它。

2. 帶一個小小的隨身碟，裡面裝好作業系統和軟體，到哪裡都可以用它。

3. 只要有一個網路帳號，到哪裡都可以得到一個專屬於自己的安全的軟體環境（含作業系統和應用軟體，以及個人的資料）。

辦法1太麻煩，辦法3需要雲端運算技術的進一步發展，且網路頻寬進一步提升。辦法2最現實，也最好用。本文就集中精力來講解如何在隨身碟上裝一個Linux，自己的軟體和資料都可以在上面永久儲存。

A. 版本選擇

Linux的版本很多，這裡選擇Ubuntu。理由就是好用，官方和民間的支援都不錯，對PC或者筆記本的相容性好，本身整合的內容已經能夠滿足案頭使用者的基本需求，在上面用內建的軟體包管理器擷取軟體也極其方便。不用像其他發行版一樣，經常為了支援某個驅動絞盡腦汁，或者要安裝某個特殊的軟體不得不反覆設定。

最新的穩定版是Ubuntu10.04。便攜隨身碟的目的是提供一個方便的辦公環境，所以應該選擇案頭版，不需要選擇伺服器版，除非硬要做一個移動的伺服器，呵呵。在32位和64位這兩個版本之間我猶豫了一會兒。理論上64位的效能更好（所以伺服器一般都用64位），但是32位的相容性理所當然會超過64位（很多軟體只有32位版本），且這個隨身碟系統有可能會跑在比較老的32位CPU上面，所以最終我最終選擇了32位。

B. Live USB的製作

很多Linux都支援Live CD的製作，Ubuntu當然也不例外。Live CD不僅可以引導電腦安裝系統，它本身就是一個功能豐富的Linux系統，預裝了常用的軟體，完全通過光碟片啟動可以進入案頭，瀏覽網頁，線上聊天，編輯檔案，樣樣都不在話下。甚至我們可以安裝軟體，不過，由於我們所做的改動都是在記憶體中進行的，重啟電腦之後，新裝的軟體沒有了，所有改動也都消失了。

現在的Ubuntu也支援Live USB的製作，省去了燒錄光碟片的麻煩。幾乎所有較新的電腦都支援USB啟動，所以，Live USB可以方便地用來引導系統。當然，它擁有Live CD的全部功能，更重要的是，隨身碟本身是可讀可寫的，我們甚至有機會用它來儲存自己的更改，這比Live CD強多了。

我按照官方網站上的指導教程（http://www.ubuntu.com/desktop/get-ubuntu/download），下載了Universal USB Installer（版本1.7.9.8），在Windows上很方便地用4G 隨身碟製作了一個Live USB。興緻沖沖地用它來啟動電腦，果然看到了漂亮的Ubuntu案頭。於是，我給它配好網路，安裝了一些常用的軟體。過了一會兒，我關閉電腦，把隨身碟插在另一台電腦上面。啟動之後，發現系統又變得乾乾淨淨，自己的改動完全沒有保留。這，這不跟Live CD是一模一樣的嗎。

上網搜尋了一番，有不少製作能夠持續保留使用者資料的隨身碟版Ubuntu的方法。比如，這篇文章就提到了好幾種方法：https://wiki.ubuntu.com/LiveUsbPendrivePersistent。最直接的就是直接把隨身碟當成硬碟來安裝。這樣安裝原理簡單，但是對隨身碟的磨損也是最大的。我們都知道，隨身碟裡面用來儲存的晶片都是Nand Flash。Flash晶片的每一個塊（block）都有一定的擦除/寫入次數限制，超過這個限制該塊就很可能被壞掉。典型的寫入次數有1萬次和10萬次。平常我們使用的大容量隨身碟一般都用MLC Flash晶片，寫入周期大概是1萬次。隨身碟裡的韌體做了磨損平衡和壞塊處理等演算法，我們把它用作平常儲存資料的介質，綽綽有餘，也不用擔心寫1萬次就會把隨身碟寫壞的情況。但是如果用來直接跑系統，由於臨時檔案等諸多因素，其寫入的壓力會大很多，在這種情況下，我們不得不考慮隨身碟的使用時間。所以，直接用隨身碟當硬碟來裝Linux不推薦。因為這樣的話，即使禁掉了SWAP分區，/tmp分區還會在硬碟上面，該分區的臨時檔案會加速隨身碟的磨損。我按照另外一種辦法http://rudd-o.com/en/linux-and-free-software/a-better-way-to-create-a-customized-ubuntu-live-usb-drive來製作了一個隨身碟，但是重啟之後，只能停在GRUB的控制台裡，無法啟動Linux。正當我準備詳細琢磨該辦法的時候，我發現Universal USB Installer本來就支援製作能夠持久儲存資料的隨身碟，只是之前我沒有注意而已。請看下圖：

之前我忽略了Step 4，用的是No Persistence的預設值。其實該選項的目的就是讓你選擇合適的大小來儲存自己的修改資料。我選擇了2GB Casper-RW，這樣，我對系統做的任何修改（包括新裝軟體，增加的檔案等等），都會被存在casper-rw這個檔案當中，該檔案最大可以是2G。當然，使用者完全可以不關心casper-rw這個檔案，按照以往的用法來使用隨身碟的Ubuntu。

談到這裡，製作隨身碟版的Ubuntu就告一段落了。利用工具做好的隨身碟，幾乎可以在任何主流的電腦上面啟動。裝好的軟體也會按照原樣儲存下來，爽哉。如果你就像簡單地嘗試一下隨身碟Linux，看到這裡就可以跳過本文其他部分了。如果你想瞭解有關隨身碟Linux的部分技術細節，想利用隨身碟來有效地隨處工作，請繼續看下去。

C. 隨身碟的分區

隨身碟當然是容量越大體積越小就越小。現在4G和8G的隨身碟都很便宜了。我手頭最多的隨身碟為4G的，所以本文中的隨身碟大小預設都為4G。我做好一個隨身碟，還可以把整個隨身碟的內容備份到一個檔案裡面，隨時可以恢複系統，且可以方便地把它複製到另外的隨身碟上，讓我的移動工作環境進一步實用——它不需要物理上依賴於某個特定的隨身碟，只要我手頭有備份的鏡像檔案，就可以隨時恢複整個系統。

不過，4G的隨身碟實際容量並沒有4G。這主要是單位換算不同造成的。在Windows，是按照1K=1024位元組，1M=1024K，1G=1024來進行計算，隨身碟的廠商一般按照1K=1000位元組，1M=1000K，1G=1000M來計算。所以，在Windows中看到的隨身碟的實際容量經常為3.7-3.8G（不同的隨身碟略有差別）。假定我有2個4G的隨身碟，一個容量是3.7G，一個是3.8G。如果我在3.7G的隨身碟上裝好系統，然後複製到3.8G的隨身碟上，沒有任何問題；但是反過來，就會有一部分資料丟掉，可能會導致潛在的問題。為了提高相容性，我給隨身碟重新分區，划了一個3.5G的FAT32分區用來製作系統。Universal USB Installer製作隨身碟Linux的時候，似乎必須要求隨身碟本身已經被格成FAT格式，否則不能選擇該盤。事實上，隨身碟Linux的分區本身採用的就是FAT格式，只是上面的檔案可能在Linux啟動之後又被當作塊裝置，以其他的檔案系統格式再次被載入（稍後我會再講）。大家再製作自己的Linux系統時，如果考慮到方便複製等相容性因素，也可以給隨身碟保留一點點容量。

Windows的磁碟管理不能直接對隨身碟進行分區，我們可以藉助第三方的工具來進行。我是用二進位編輯工具直接開啟隨身碟，修改第一個扇區（MBR）的分區表來實現預留3.5G大小的分區的。剩下的200MB空間我就讓它保留著好了。因為Flash需要用磨損平衡演算法來提高使用壽命，這200MB額外的空間被用到全域的磨損平衡當中，對延長隨身碟的使用時間很可能有一定的好處。

D. aufs檔案系統

啟動隨身碟版Ubuntu，輸入mount命令，得到如下的輸出：

aufs on / type aufs (rw)none on /proc type proc (rw,noexec,nosuid,nodev)none on /sys type sysfs (rw,noexec,nosuid,nodev)none on /dev type devtmpfs (rw,mode=0755)none on /dev/pts type devpts (rw,noexec,nosuid,gid=5,mode=0620)/dev/sdb1 on /cdrom type vfat (rw,relatime,fmask=0022,dmask=0022,codepage=cp437,iocharset=iso8859-1,shortname=mixed,errors=remount-ro)/dev/loop0 on /rofs type squashfs (ro,noatime)none on /sys/fs/fuse/connections type fusectl (rw)none on /sys/kernel/debug type debugfs (rw)none on /sys/kernel/security type securityfs (rw)none on /dev/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)tmpfs on /tmp type tmpfs (rw,nosuid,nodev)none on /var/run type tmpfs (rw,nosuid,mode=0755)none on /var/lock type tmpfs (rw,noexec,nosuid,nodev)none on /lib/init/rw type tmpfs (rw,nosuid,mode=0755)binfmt_misc on /proc/sys/fs/binfmt_misc type binfmt_misc (rw,noexec,nosuid,nodev)gvfs-fuse-daemon on /home/ubuntu/.gvfs type fuse.gvfs-fuse-daemon (rw,nosuid,nodev,user=ubuntu)

我們暫且不考慮proc,sysfs等用來對系統進行輔助管理的特殊檔案系統，只考慮和隨身碟的實際儲存打交道的部分。在上述列表裡，沒有看到我們最熟悉的ext3/ReiserFS等Linux下的主流檔案系統。那到底隨身碟上建立的是什麼檔案系統，是如何進行資料儲存的呢。

前面已經提到，製作隨身碟的時候，需要隨身碟上已有一個FAT32的分區。製作工具把必備的檔案拷入到該分區，並不會對分區本身做修改。所以，現在的隨身碟理所當然地具有一個FAT32的分區。從mount的輸出可以看到，裝置/dev/sdb1（就是隨身碟的第一個分區，電腦的本地硬碟被識別成/dev/sda）被mount到/cdrom，格式為VFAT。顧名思義，該分區的功能類似於Live CD，我們可以簡單地理解它裡麵包含了一張Ubuntu安裝光碟片所包含的必要內容。因為所有的軟體和資料都儲存在/dev/sdb1上，所以/cdrom理所當然地包含了我們需要的一切內容。

但是從/cdrom裡面能夠找到的只是有限的檔案，似乎大部分都和安裝有關，熟悉的就是/cdrom/casper目錄下的核心檔案vmlinuz以及initrd.lz。並不能找到我們所熟悉的其他Linux系統檔案以及設定檔。既然/cdrom已經囊括全部了，那根目錄下的/bin,/sbin,/etc又來自哪裡呢。

/cdrom/casper下有一個巨大無比的檔案filesystem.squashfs，大概700MB，從名字可以猜測，這個檔案是不是本身就包含了運行Linux所必需的檔案系統。且它的大小也能夠容納足夠的應用程式。在Linux中，單一檔案可以被載入成一個loop裝置，然後它就可以當作普通的塊裝置使用，被mount成其他檔案系統。（檔案a可以作為塊裝置block_a，上面又存在一個檔案b，那檔案b又可以被作為塊裝置block_b，上面又存在一個檔案c…一層套一層，這就是《盜夢空間》的檔案系統版演繹。）用下面的命令查看當前使用的loop裝置資訊：

$ sudo losetup -a/dev/loop0: [0811]:27 (/cdrom/casper/filesystem.squashfs)/dev/loop1: [0811]:33 (/casper-rw-backing/casper-rw)

系統建立了兩個loop裝置，其中/dev/loop0就是基於filesystem.squashfs建立的。結合前面mount命令的輸出，我們得以知道/dev/loop0被mount到/rofs目錄，檔案系統類型是squashfs。squashfs是一種唯讀壓縮檔系統，在很多Linux上普遍使用，速度快，壓縮比例高，乃Live CD製作的首選。在Ubuntu裡簡要查詢了一下，/rofs下共有檔案10萬多個，總容量大概是1.7GB。想想原始的filesystem.squashfs的大小才700MB，squashfs的表現已經很不錯。從這裡也可以瞭解到Live CD（Live USB）上為什麼可以放這麼多的內容。

/rofs目錄下有幾乎我們所需要的一切，包括熟悉的bin，sbin，lib，etc，home等目錄。儼然整個Linux系統就被它納入囊中。可是它只是唯讀（rofs表示read only file system），我們現在的隨身碟Linux對檔案系統是可讀可寫的。而且，/rofs下面有一個bin，根目錄下也有/bin，這兩者是什麼關係呢。比較了一下，/rofs/bin怎麼和/bin似乎一模一樣。

秘密在於aufs （Another Union FS）這個特殊的檔案系統。它不是一個普通的檔案系統，而是把現有的不同檔案系統組合在一起，形成一個統一的檔案系統。假設有有兩個檔案系統，fs_a和fs_b，它們所掛載的目錄分別是/a和/b。利用aufs，可以讓它們合并起來，/a和/b均可重新對應到根目錄/。實際使用的時候，一般使用者只需要關心根目錄/所對應的檔案系統是aufs即可，不必關心太多的底層細節。談到這裡，有人就有疑問了。比如，在aufs下建立一個檔案，那該檔案到底是存在於/a下面，還是/b下面呢。這不存在著很明顯的衝突問題嗎。

實際上，aufs並不具有把任意檔案系統彙總在一起的功能。它一般只組合兩個檔案系統，其中一個是唯讀，另外一個是可讀可寫的。讀取檔案的時候，如果僅僅唯讀檔案系統上有該檔案，則從唯讀該處讀取；如果可讀寫的檔案系統上也有該檔案，則從可讀寫的檔案系統上讀取。寫檔案的話，理所當然地就只能往可讀寫檔案系統上寫。唯讀檔案系統可以認為是基礎，可讀寫檔案系統是補充，採取copy on write（COW，寫時複製）的方式來儲存使用者的修改。因為僅僅儲存修改部分，所以可以很大程度的節約空間。

就本文的例子來說，/rofs是一個唯讀檔案系統，另外用了一個檔案casper-rw來儲存使用者的更改資料。casper-rw是Universal USB Installer直接建立在隨身碟根目錄下的。如果該檔案的大小是2G，則可以儲存2G的修改內容。如果隨身碟的空間允許，我們可以向這個檔案的末尾追加內容，擴大檔案以便增加可儲存資料的容量。該檔案本身被載入成一個loop裝置，從losetup -a的輸出來看，該裝置為/dev/loop1。在此裝置上建立好了ext2檔案系統，被mount到/cow中。aufs把/rofs和/cow合并起來，一起載入到根目錄/下。/rofs放的是原始檔案，/cow儲存使用者修改。所以，我們可以看到根目錄下的檔案結構基本和/rofs下一模一樣，只是新裝的軟體和建立的檔案在/rofs下無法查看。 （aufs的建立位於initrd裡的相關指令碼，在啟動之後，是無法直接查看/cow等目錄的。）

我們可以這麼簡單理解，這個隨身碟版Ubuntu的基本系統存放於檔案filesystem.squashfs當中，對它的修改都存放於檔案casper-rw當中。

E. 減少對隨身碟的磨損

由於Flash晶片的擦除/寫入次數限制，我們在保證滿足自己需要的前提下，盡量減少隨身碟的寫入次數。預設情況下，隨身碟版Ubuntu已經禁掉了SWAP分區，且把/tmp掛載到了記憶體，這些都是延長隨身碟使用時間的有效手段。

在系統中，預設會把最後一次訪問檔案的時間（last access time）給記錄到該檔案的中繼資料當中。這個操作的開銷實際上很大，比如，我僅僅開啟一個檔案不對該檔案做任何寫操作，都會導致系統底層對磁碟至少有一次寫操作。對隨身碟來說，last access time的更新也是降低效能，磨損隨身碟的一個重要因素。該時間對於普通的應用來說沒有任何實際用處，所以我們可以把它禁掉。（有少數程式需要依賴於last access time來進行一些特殊判斷，不過，從大局考慮，去掉它是隨身碟版Linux提高效能減少磨損的一個重要手段。）Linux的mount命令有一個noatime的選項，加上它可以實現禁用last access time的功能。（還有一個針對目錄的禁用last access time選項，叫nodiratime。但是有人分析只要加了noatime，就會實現nodiratime的功能。）比如，如果把/dev/sdc載入成ext3檔案系統，並禁掉last access time，我們可以這樣調用mount：

mount -t ext3 -o noatime /dev/sdc /mnt/myfs

事實上，在製作隨身碟版Ubuntu的過程當中，/rofs已經被設定了noatime。載入到/cow打casper-rw以及aufs也都被設定了noatime（mount輸出無法直接查看，但是在initrd.lz的相關指令碼中可以看到）。另外，/cdrom是以relatime的方式來mount的。相比noatime來說，relatime是一個考慮效能和功能的折衷方案。只有當檔案的last access time早於最後修改時間的時候，才會對它進行更新。因此，用relatime的方式，可以記錄檔案修改之後的第一次訪問的時間。

記錄檔系統（比如ext3）會額外向磁碟寫入日誌，以保證檔案系統的完整性。但是對於隨身碟來說，增加的日誌無疑會帶來更多的寫入操作。因此，如果對系統的穩定性不敏感的話，建議capser-rw上採用不帶日誌的ext2檔案系統。事實上，該隨身碟版Ubuntu在初始化capser-rw時用的就是ext2.

Linux中，除了特別的需求，檔案一般都是按非同步模式寫入磁碟當中。也就是說，應用程式寫入的資料，會先放在頁緩衝（page cache）裡面，等合適的時間再刷（flush）到磁碟當中。這種方式可以提高效能，同時也能夠有效地降低寫入的次數。Linux的核心匯出了幾個proc檔案，可以供我們調節相關的flush參數。隨身碟版Ubuntu已經對Linux的預設參數做了一定的修改。相關的proc檔案以及Ubuntu的設定值如下：

/proc/sys/vm/dirty_ratio: 20/proc/sys/vm/dirty_background_ratio: 10/proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs: 1500/proc/sys/vm/dirty_expire_centisecs: 3000

簡單解釋如下：當page cache裡的髒資料（dirty data）超過記憶體20%（dirty_ratio）的時候，會被馬上刷到磁碟中；如果超過記憶體10%（dirty_background_ratio），進程pdflush會在後台非同步地把資料刷到磁碟中。如果10%的閾值一直未達到，也不要緊，核心會每隔15秒（dirty_writeback_centisecs）啟動一次flush操作，只要髒資料待在cache的時間超過了30秒（dirty_expire_centisecs），也會被刷到磁碟當中。

為了進一步減少寫的次數，讓髒資料在cache中待得更久，我們可以在啟動指令碼裡更改部分參數，比如，修改dirty_writeback_centisecs為6000，表示把後台周期性flush的時間調成60秒一次。修改dirty_expire_centisecs為6000，表示髒資料的逾時時間為60秒。另外兩個參數可以不用修改，因為在小量寫入的時候，髒資料一般也達不到記憶體總量的10%，在大量資料寫入的時候，也沒有必要把髒資料緩衝更久。同時請注意，更改這些資料之後，系統突然斷電等異常情況導致資料丟失的機率會相對較大一點。所以如何選擇，得根據自己的需求權衡一下。

另外，隨身碟上請只裝自己需要的軟體，不要像普通Linux那樣亂裝一通。這是減少隨身碟寫次數非常重要也非常簡單的一個手段。

F. 備份與還原

隨身碟版Ubuntu做了一些設定，提高了效能，理論上也應該延長了隨身碟的使用時間。但是這些操作也會帶來一定的風險，比如系統突然斷電的情況下，最近修改的資料就更容易丟失。我們在此隨身碟上啟動並執行是案頭系統，主要就是為了方便，功能夠用，不像伺服器那樣要求很嚴格，也能夠承擔此風險（如果有更高的可靠性要求，請不要採用此隨身碟系統）。但是，即使隨身碟品質再好，我們自己也很注意，它總有可能會損壞，因此，強烈建議對隨身碟進行定期備份。備份之後的鏡像檔案，可以隨時恢複到容量足夠大的隨身碟上，讓該系統具有迅速複製的功能。即使你忘記帶了隨身碟，也可以通過網路取得該鏡像（網路速度要足夠快），迅速恢複一個專屬於自己的工作環境。

Windows下的很多工具都具有整盤複製功能。Linux下用dd也可以方便地進行備份（假設隨身碟的裝置名稱為/dev/sda）：

dd if=/dev/sdb of=/mnt/backup/ubuntu_bak1.img bs=1M

塊大小（bs）設定大一點有助於提高效能，尤其是往隨身碟寫入資料的時候。（大塊的寫入有利於降低隨身碟的底層IO。對於一般的Flash來說，一次寫1個位元組和一次寫4K所產生的IO是一樣的，甚至更多。）假設插入另外一塊隨身碟/dev/sdc，可以把備份的鏡像燒錄到該隨身碟上，讓此隨身碟立馬成為我的定製版Ubuntu：

dd if=/mnt/backup/ubuntu_bak1.img of=/dev/sdc bs=1M

當然，如果想加快備份速度的話，也可以單獨備份casper-rw檔案，因為自己所作的修改全部儲存在該檔案當中。