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Linux系統運維與架構設計之Linux概述

本文轉載自   查看原文   2019-01-07 23:29   635 

Linux系統運維與架構設計之Linux概述

Linux系統運維與架構設計

1.1 淺談計算機系統

1.1.1 計算機硬件系統

現代計算機是基於馮·諾依曼體系結構，由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成，如下圖所示
馮·諾依曼體系結構
它們各司其職，完成了數據的計算、存儲、傳輸任務。
下面是它們各個組件的功能介紹:

CPU:也被稱為中央處理器,由運算器和控制器組成，其主要作用是數據計算(從內存中獲取指令並執行后將結果返回給內存或者寫入到磁盤)和控制其他設備(聲卡顯卡，鼠標鍵盤)協同工作。

內存:采用編址存儲，其主要作用是用來作為程序的工作區，程序運行時其數據和指令會被加載到內存,斷電后數據會丟失。

硬盤:其主要作用是永久性存儲海量數據(TB/PB級別)，分為機械式硬盤和固態硬盤兩大類。

IO設備:其主要作用是用來數據的輸入輸出，常見的輸入設備包括鼠標鍵盤,常見的輸出設備包含聲卡,顯卡,打印機等等。網卡主要是負責在網絡上的傳輸數據。

在后期運維排除故障時除了考慮程序本身的錯誤之外還要考慮計算機硬件故障(例如磁盤被寫滿，網絡不通)等問題。

1.1.2 計算機軟件系統

軟件出現的作用是實現了人和計算機更好的交互，它是由開發人員采用某種編程語言來編寫一系列的指令以及產生的數據組成。

不同平台的軟件有不同的交互方式:

服務器端:運維開發人員基於命令行的字符界面實現人機交互。
PC桌面端:開發人員、普通用戶通常是基於圖形化界面實現人機交互。
移動端:用戶通常是通過語音,手勢觸控實現人機交互。

而軟件通常被分為系統軟件和應用軟件

系統軟件:系統軟件有操作系統、編譯器、數據庫等等。
應用軟件:應用軟件有淘寶、京東、微信、支付寶等等。

1.1.3 操作系統

操作系統(Operating System)是實現通用目的的程序，其內核(Kernel)負責和底層硬件交互，應用軟件運行在操作系統之上。因此操作系統起着承上啟下的作用，操作系統提供的功能如下

  • 硬件驅動
  • 進程管理
  • 內存管理
  • 網絡管理
  • 安全管理
  • 文件管理

操作系統分類：

  • 桌面:Windows10,macOS10.14,Ubuntu18.04
  • 服務器:CentOS7.6, RHEL,Ubuntu Server
  • 移動設備:Android,IOS

ABI（Application Binary Interface）描述了應用程序與OS之間的底層接口,允許編譯好的目標代碼在使用兼容ABI的系統中無需改動就能運行

API(Application Programming Interface)定義了源代碼和庫之間的接口，因此同樣的源代碼可以在支持這個API的任何系統中編譯

開發人員在編寫應用程序時，通常都是借助API接口實現通用目的的功能，而應用程序編譯后，通過ABI接口編譯鏈接后運行。

1.1.4 計算機常用應用的軟硬件協作實現

計算機運行的功能流程如下圖所示
計算機運行流程

聊天：應用程序監聽鍵盤輸入的數據，放到內存，然后傳給網卡，通過網絡傳遞給另外一個網卡，再從網卡傳到內存，顯示在顯示器上。
聽音樂:應用程序將音樂數據加載到內存之后，然后寫到聲卡上。
看視頻:應用程序將視頻數據加載到內存，然后寫到顯卡上。
讀文檔: 應用程序將磁盤中的文檔數據加載到內存后顯示到屏幕上。
寫文檔: 應用程序將內存中的數據寫入到磁盤上。

1.1.5 計算機信息存儲

1.1.5.1 計算機常用存儲單位

在計算機最底層，數據都是以二進制(01010)的補碼方式存儲，而計算機中最小的存儲單位是位(bit)，用來表示0或者1。
計算機中最基本的存儲單位是字節(Byte),1個字節對應8個位(bit)。
而日常應用中常使用的基本存儲單位包括KB,MB,GB,TB。它們之間都是以1024換算的，如下所示

1TB=1024GB
1GB=1024MB
1MB=1024KB
1KB=1024B
1B=8bit

1.1.5.2 計算機內存存儲

現在通常筆記本的內存通常是8G，16G，32G，64G等等，而運行在筆記本之上的操作系統普遍都是64位的，因為32位系統只能使用4G內存，下面是4G的內存換算

4G=2^2 * 2^10 * 2^10 * 2^10 =4*1024*1024*1024=2^32

1.1.5.3 計算機網速換算

使用迅雷下載某些資源時的網速就是KB或者MB，而網絡運營提供商(例如長城寬帶、移)聲稱的百兆帶寬實際上是100Mb(bit),但是網絡下載速度是以字節(KB)為單位的，因此真實的網速(下載速度)理論上只有100Mb/8=12.5MB

1.1.5.4 計算機磁盤容量換算

在購買內存或者買移動硬盤時，通常使用的存儲單位就是GB或者是TB,
但是在買4T的移動硬盤時，實際的可用容量卻只有3T多，因為計算機的存儲單位是以2的10次方(即1024)換算，而硬盤廠商們是以1000為換算單位。

4T的硬盤換算成位如下所示

4T=4*1024GB*1024MB*1024KB*1024B*8bit

而硬盤廠商的實際容量

4T=1000*1000*1000*1000*8

因此實際的可用容量是

4*1000*1000*1000*1000/1024/1024/1024/1024≈3.63T

而在一些互聯網巨頭(例如國內的BAT,國外的亞馬遜、蘋果、微軟、谷歌，臉書)公司中，可能使用到比TB更大的海量數據，也就是PB或者EB,ZB，它們的換算單位如下所示。

1PB=1024TB
1EB=1024PB
1ZB=1024EB
1YB=1024ZB
1BB=1024YB
1NB=1024BB
1DB=1024NB

1.2 服務器及其硬件概述

1.2.1常用服務器介紹

DELL，HP和IBM是互聯網公司中使用最常用的服務器品牌。
其中互聯網公司中使用最廣泛的品牌DELL常見的服務器型號按照不同的用途分為2u的R730/R830和4U的R930,其中1U表示高度為4.45cm,其結構類型是機架式，如下圖所示。
Dell R730

1.2.2 服務器硬件選型

服務器中重要的組件包含電源(如果是單台服務器通常都是雙路電源,集群場景不需要使用雙路電源)，主板(作用類似於人體的骨架),CPU,內存和磁盤,網卡(集成在主板上)等等。

而系統運維人員需要重點關注服務器的CPU、內存、磁盤三大核心組件!

CPU :服務器常用的CPU是基於X86指令集的英特爾至強Xeon( E3， E5， E7系類)，根據用途不同服務器的CPU通常是2-4顆，單顆CPU是4-8核，如果是做虛擬化宿主機則需要4-8顆CPU,虛擬6-10個虛擬機。

內存:服務器的內存區間通常是16-256G(32G-64G更多),如果是做虛擬化的宿主機，內存總量一般是48-128G，用來虛擬6-10個虛擬機。
32位系統最多尋址2的32次方也就是4G個內存空間,64位系統最高尋址內存可以達到2的64次方也就是4G*4G內存空間，但是由於其他組件限制，實際使用不了那么多,64位Linux支持內存為16EB。

磁盤:服務器的磁盤接口類型通常分為SATA(轉速7200轉/分),SAS(轉速10000-15000轉/分),SSD三種。
通常不對外訪問的業務(例如線下數據備份)采用SATA,STAT的特點是容量大，價格便宜但是速度比較慢。
而常規正式的工作場景選用SAS硬盤，機械磁盤轉速高的性能好。
高並發，小數據量(TB)時選用SSD。
考慮到經濟效益，互聯網公司通常根據不同的應用場景都是SATA,SAS和SSD混合使用。

每個計算機組件的IO性能也各不相同，核心組件(CPU,內存，磁盤)都遵循容量越大，IO性能越差，如下圖所示，匯總了它們的IO性能。
IO各層次性能匯總

在后期系統優化和架構設計時，通常需要注意各個硬件組件的瓶頸，尤其是磁盤

1.3 初識Unix系統

1.3.1 Unix歷史

  • 1969年，貝爾實驗室的Ken Thompson使用匯編語言和B語言開發和改進了UNICS
  • 1973年，貝爾實驗室的Dennis Ritchie使用C語言重新編寫實現，並正式命名Unix
  • 1977年，伯克利大學開發基於Unix的BSD系統，自此以后各大公司針對自身硬件架構開發了互不兼容的各種版本的Uinx,例如SUN公司的Solaris,HP公司的HP UNIX以及IBM公司的AIX
  • 1979年貝爾實驗室發表了System V架構 版權聲明,HP UNIX,IBM AIX宣布“不對學生提供源碼” 並且收回版權
  • 1984年 Andrew S. Tanenbaum荷蘭阿姆斯特丹自由大學計算機科學的教授開發了可運行在x86 PC平台的Minix操作系統用於教學。

Unix的發展路線以及各個分支可以參考如下圖所示
Unix Timeline

1.3.2 Unix系統的特點

  • 技術成熟、可靠性高:通常超大型銀行、金融公司等可靠性要求性極高的公司會采用Unix作為服務器操作系統，但是Unix通常是隨着硬件捆綁銷售的，例如IBM的小型機。
  • 支持主流CPU的架構:Intel/AMD,PowerPC,UltraSPARC
  • 支持主流的數據庫:Oracle,DB2,Informix
  • 強大的開發功能:Unix促使C語言的誕生，而TCP/IP,XML,WWW都是誕生在Unix之上

1.3.3 GUN與開源軟件

GUN概述
由於Unix面臨商業化版權制約以及源碼面臨閉源的問題，1984年Ritchard Stallman發起了開發自由軟件的運動，並成立自由軟件基金會(Free Software Foundation)和GNU(GUN is Not Unix)項目以及GPL（GNU General Public License）協議，目標是編寫大量兼容於Unix系統的自由軟件。GNU項目最終產出了Linux系統的重要組件,包括GCC編譯器，Emacs編輯器,bash命令解釋程序和編程語言以及gawk。

自由不代表免費,例如RedHat的RHEL是自由但是不免費的操作系統,提供的服務收費。
GPL是保證任何人有共享和修改自由軟件的自由，任何人有權獲取、修改、發布自由軟件的源代碼的權利，但同時給出具體的修改的源碼。LGPL（Lesser General Public License）相對於GPL較為寬松，允許不公開全部源代碼。

開源軟件
開源指的是軟件和源碼提供給所有人，同時能夠自由分發軟件和源代碼，能夠自由的修改和創建其衍生品。
而目前軟件類型可以分為商業軟件，共享軟件以及自由軟件。

  • 商業軟件就是使用收費，例如Window10企業版，Office2016,Edraw Max等等都是商業軟件，其特點就是收費並且不開放源代碼。
  • 共享軟件就是免費，但是不開放源碼，功能會有所局限，相當於免費版
  • 自由軟件是開放源碼，並且能夠自由修改、分發，但是自由不一定意味着免費，典型的RedHat公司發行的REHL就是自由，但是提供的服務是收費的。

目前世界上開源軟件有不同的開源許可證，常見的有Apache,MIT,LGPL等等。

  • 其中Apache協議指的是他人修改源碼后能夠閉源，但是每一個修改過的文件，必須要放置版權說明
  • MIT協議在Apache協議的基礎之上，每個修改的文件不需要放置版權說明，並且衍生軟件的廣告，還可以用你的名字促銷，應該是最寬松的開源許可協議。
  • LGPL協議指的是他人修改軟件的源碼之后不能閉源，同時新增的代碼也不能采用同樣的許可證，但是修改源碼的地方不需要提供說明文檔,而Mozila協議是需要提供說明文檔。

CentOS系列都是遵守GPLV2協議，可以使用rpm -qi kernel命令查看

CentOS6.10的版權聲明

[root@centOS6 ~]# rpm -qi kernel
Name        : kernel                       Relocations: (not relocatable)
Version     : 2.6.32                            Vendor: CentOS
Release     : 754.el6                       Build Date: Wed 20 Jun 2018 05:43:27 AM CST
Install Date: Sat 26 Jan 2019 12:32:12 AM CST      Build Host: x86-01.bsys.centos.org
Group       : System Environment/Kernel     Source RPM: kernel-2.6.32-754.el6.src.rpm
Size        : 139595110                        License: GPLv2
Signature   : RSA/SHA1, Wed 20 Jun 2018 07:38:57 PM CST, Key ID 0946fca2c105b9de
Packager    : CentOS BuildSystem <http://bugs.centos.org>
URL         : http://www.kernel.org/
Summary     : The Linux kernel
Description :
The kernel package contains the Linux kernel (vmlinuz), the core of any
Linux operating system.  The kernel handles the basic functions
of the operating system: memory allocation, process allocation, device
input and output, etc.

CentOS7.6的版權聲明

[root@centos7 ~]# rpm -qi kernel
Name        : kernel
Version     : 3.10.0
Release     : 957.el7
Architecture: x86_64
Install Date: Fri 25 Jan 2019 12:48:59 PM CST
Group       : System Environment/Kernel
Size        : 66192729
License     : GPLv2
Signature   : RSA/SHA256, Mon 12 Nov 2018 10:30:44 PM CST, Key ID 24c6a8a7f4a80eb5
Source RPM  : kernel-3.10.0-957.el7.src.rpm
Build Date  : Fri 09 Nov 2018 08:08:59 AM CST
Build Host  : kbuilder.bsys.centos.org
Relocations : (not relocatable)
Packager    : CentOS BuildSystem <http://bugs.centos.org>
Vendor      : CentOS
URL         : http://www.kernel.org/
Summary     : The Linux kernel
Description :
The kernel package contains the Linux kernel (vmlinuz), the core of any
Linux operating system.  The kernel handles the basic functions
of the operating system: memory allocation, process allocation, device
input and output, etc.

1.4 初識Linux

1.4.1 Linux概述

我們通常所說的Linux通常指的是內核(kernel),而如果只有內核，就不是一個完整的操作系統，還需要許多能夠解決實際問題的應用程序。

而最早期的Linux內核是由Linus Torvalds在大學教授Andrew Tanenbaum開發的Minix基礎之上開發的，1991年年底發布了Linux內核的0.02版本，自那以后全世界的開源愛好者們共同推進着Linux系統的發展，使其在服務器端，嵌入式和PC桌面得到了廣泛的運用。

Linux系統=Linux內核+GNU項目組件+各種應用程序(Apache,Nginx,Zabbix)

完整的Linux系統架構圖如下圖所示
Linux系統架構圖

內核主要是實現系統內存管理，軟件程序管理，硬件設備管理，文件系統管理

GNU組件主要包含處理文件(gawk)、操作文本、管理進程的工具以及shell,gcc等等

常見的應用程序包含不同的圖形化界面(KDE,GNOME,XFace),運行於桌面端的Firefox,Chrome和運行於服務端Nginx,Apache等等。

1.4.2 Linux系統的特點

Linux系統的特點(繼承Unix之外的)

  • 開放源代碼、自由傳播的類Unix
  • 基於Intel X86系列CPU
  • 支持多任務、多線程、多CPU、多用戶
  • 完善的圖形用戶界面:GNOME,KDE
  • 完善的開發平台:Java/C/C++/Pythton
  • 支持主流數據庫:MySQL,Oracle,PostgreSQL
  • 完善的網絡服務:HTTP、WWW,SFTP,DNS,SSH等等

1.4.3 Linux主流發行版

為了便於Linux系統的安裝和使用，誕生了諸如RedHat公司的Linux發行商，將Linux內核和各種系統組件以及應用組件組合成一個完整的操作系統。
目前主流的Linux發行版主要由三個，分別是RedHat，Debian和Slackware,后續主流的RHEL，Ubuntu,Open SUSE都是基於前面三個分支演進而來的。
如下列表展示出了目前主流的Linux分支以及發行版本

  • Debian
    • Ubuntu
    • Mint
  • Slackware
    • SUSE Linux Enterprise Server
    • Open SUSE
  • RedHat
    • RHEL
    • CentOS

關於RHEL和CentOS的關系:CentOS是基於RHEL源碼編譯而來，僅僅去除了RHEL源碼的商標以及非自由軟件部分。

面對如此多的發行版該如何選擇呢？
如果你想從事Linux系統運維與架構設計的工作,推薦使用CentOS6.10版本或者CentOS7.6。
如果是想嘗試下Linux的桌面版,推薦可以使用Open SUSE LEAP 42.3或者Ubuntu18.04。

如果以上的發行版無法滿足你的需求，可以訪問下面的連接，獲取所有的Linux發行版信息。
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Linux_Distribution_Timeline.svg

1.4.4 Linux系統的應用領域

經過20多年的發展，如今的Linux在服務器領域、桌面領域、移動嵌入式領域和雲計算、大數據領域占據了廣闊的市場。
其中服務器領域在全球占據了75%的市場份額
而Ubuntu也作為最流行的桌面版Linux,基本可以滿足日常辦公需要，但是普及遠遠不及Windows。
通過Linux系統架構圖可以得知手機操作系統Android的內核就是基於Linux修改而來的。

1.4.5 Unix/Linux哲學思想

  1. 一切皆文件：普通的文件，目錄、字符設備、塊設備、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被對待；它們雖然類型不同，但是對其提供的卻是同一套操作界面。
  2. 小型，單一用途的程序：程序和可執行文件不要太復雜，這樣才能保證了linux內核的高效運行。
  3. 鏈接程序，共同完成復雜的任務：復雜的任務可以通過連接多個簡單的程序實現復雜的功能。對於復雜的功能linux通過許多簡單程序的組合等方式實現，在保證簡單功能的高效性的同時，復雜的程序也必然是高效性的。
  4. 避免令人困惑的用戶界面：如Windows那樣出了問題一般人選擇的會是重啟，實在是不行的話就是重新安裝系統了，因為對於Windows那樣不是開源的，並且用戶界面比較復雜操作系統出了問題，一般的人是根本沒有辦法解決的。但是linux就不一樣了，第一linux是開源的，無論什么問題都可以通過簡潔的命令行實現排錯，修改系統的配置，一切都是簡潔明了為基礎。
  5. 配置數據存儲在文本中：linux所有的配置文件都存放在文本配置文件當中，無論什么配置修改都只需修改其配置文件即可，配置文件時文本形式的只需任意一款文本編輯器修改即可而不是類似於Windows那樣將保存在注冊表中，並且Windows的注冊表需要專門的二進制或十六進制的編輯器才可編輯，修改比較復雜。


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