Raspberry Pi 打造更具弹性的 File 系统用户指南

Raspberry Pi Ltd 的设备经常被用作数据存储和监控设备，通常用于可能突然断电的地方。与任何计算设备一样，断电可能会导致存储损坏。本白皮书提供了一些选项，指导您如何通过选择合适的 file 系统和设置，以确保数据完整性。本白皮书假设 Raspberry Pi 运行 Raspberry Pi (Linux) 操作系统 (OS)，并已完全更新至最新固件和内核。

什么是数据损坏以及它为什么会发生？
数据损坏是指在写入、读取、存储、传输或处理过程中发生的计算机数据意外更改。本文档中，我们仅指存储，而非传输或处理。当写入过程在完成之前被中断，导致写入无法完成时，可能会发生损坏，例如amp如果断电，则会导致数据丢失。现在值得快速介绍一下 Linux 操作系统（以及 Raspberry Pi 操作系统）如何将数据写入存储。Linux 通常使用写入缓存来存储要写入存储的数据。这些缓存将数据缓存（临时存储）在随机存取存储器 (RAM) 中，直到达到某个预定义的限制，此时所有未完成的对存储介质的写入都将在一个事务中完成。这些预定义的限制可能与时间和/或大小有关。例如amp例如，数据可能会被缓存，每五秒才写入一次存储器，或者仅在积累到一定量的数据后才写出。这些方案用于提高性能：一次性写入大量数据比写入大量小块数据更快。

但是，如果在数据存储到缓存和写入之间断电，数据就会丢失。在写入过程的后续阶段，即数据物理写入存储介质的过程中，还可能出现其他问题。一旦某个硬件（例如，amp即使设备（例如安全数字 (SD) 卡接口）被告知写入数据，数据仍然需要一定的时间才能被物理存储。同样，如果在这极短的时间内发生电源故障，写入的数据可能会损坏。关闭计算机系统（包括 Raspberry Pi）时，最佳做法是使用关机选项。这将确保所有缓存数据都已写出，并且硬件有时间将数据实际写入存储介质。大多数 Raspberry Pi 系列设备使用的 SD 卡非常适合作为廉价的硬盘替代品，但随着时间的推移，它们容易出现故障，具体取决于它们的使用方式。SD 卡中使用的闪存具有有限的写入周期寿命，当接近该极限时，它们可能会变得不可靠。大多数 SD 卡使用一种称为损耗均衡的程序来确保其使用寿命尽可能长，但最终它们可能会失效。这可能需要数月到数年的时间，具体取决于写入或（更重要的是）从卡中擦除的数据量。不同卡的使用寿命可能存在很大差异。 SD 卡故障通常由随机 file 由于 SD 卡的部分功能无法使用，导致损坏。

数据损坏还有其他原因，包括但不限于存储介质缺陷、存储写入软件（驱动程序）或应用程序本身的错误。就本白皮书而言，任何可能导致数据丢失的过程均定义为损坏事件。

什么可以引发写入操作？
大多数应用程序都会对存储进行某种写入操作，例如ample 配置信息、数据库更新等。其中一些 file这些文件甚至可能是临时的，即仅在程序运行时使用，并且不需要在电源循环后进行维护；但是，它们仍然会导致写入存储介质。即使您的应用程序实际上没有写入任何数据，Linux 也会在后台不断地写入存储，主要是写入日志信息。

硬件解决方案

虽然并非本白皮书的全部讨论范围，但值得一提的是，防止意外断电是一种常用且易于理解的缓解数据丢失的方法。不间断电源 (UPS) 等设备可确保电源稳定供电，如果 UPS 断电，在电池供电的情况下，它可以通知计算机系统即将断电，以便在备用电源耗尽之前正常关机。由于 SD 卡的使用寿命有限，因此制定更换制度以确保在 SD 卡达到使用寿命之前进行更换可能非常有用。

强壮的 file 系统

Raspberry Pi 设备可以通过多种方式增强其抵御损坏事件的能力。这些方法的防损坏能力各不相同，但每一种措施都能降低损坏发生的概率。

减少写入
只需减少应用程序和 Linux 操作系统的写入量即可带来有益的效果。如果您进行了大量日志记录，那么在发生损坏事件时发生写入的可能性就会增加。减少应用程序中的日志记录取决于最终用户，但 Linux 中的日志记录也可以减少。如果您使用基于闪存的存储（例如 eMMC、SD 卡），这一点尤其重要，因为它们的写入生命周期有限。

更改提交时间
提交时间 file 系统缓存数据的时间，指的是在将数据全部复制到存储之前缓存数据的时间。增加此时间可以通过批量处理大量写入来提高性能，但如果在数据写入之前发生损坏事件，则可能导致数据丢失。减少提交时间可以降低发生损坏事件导致数据丢失的可能性，尽管这并不能完全避免这种情况。
更改主 EXT4 的提交时间 file Raspberry Pi OS 系统，你需要编辑 \etc\fstab file 这定义了如何 file 系统在启动时安装。
$sudo nano /etc/fstab

将以下内容添加到根目录的 EXT4 条目中 file 系统：

提交=

因此，fstab 可能如下所示，其中提交时间已设置为 3 秒。如果没有特别设置，提交时间将默认为 5 秒。

暂时的 file 系统

如果申请需要临时 file 存储，即仅在应用程序运行时使用的数据，不需要在关机时保存，那么防止对存储进行物理写入的一个好选择是使用临时 file 系统，tmpfs。因为这些 file 系统是基于 RAM 的（实际上是在虚拟内存中），写入 tmpfs 的任何数据都不会写入物理存储，因此不会影响闪存寿命，并且不会因损坏事件而受损。
创建一个或多个 tmpfs 位置需要编辑 /etc/fstab file，控制所有 file Raspberry Pi OS 系统。以下示例ample 将基于存储的位置 /tmp 和 /var/log 替换为临时 file 系统位置。第二个示例ample 取代了标准日志文件夹，限制了 file 系统容量为 16MB。

tmpfs /tmp tmpfs 默认值，noatime 0 0
tmpfs /var/log tmpfs 默认值，noatime，size=16m 0 0

还有一个第三方脚本可以帮助设置日志记录到 RAM，可以在 GitHub 上找到。它还具有一个附加功能，可以按照预定义的时间间隔将基于 RAM 的日志转储到磁盘。

只读根 file 系统

根 file 系统（rootfs）是 file 系统在根目录所在的磁盘分区上，它是 file 所有其他 file 系统在启动时挂载。在 Raspberry Pi 上，它是 /，默认情况下它位于 SD 卡上，是一个完全可读写的 EXT4 分区。还有一个启动文件夹，它被挂载为 /boot，是一个可读写的 FAT 分区。将 rootfs 设置为只读可以防止对其进行任何形式的写入访问，从而使其对损坏事件的鲁棒性更高。但是，除非采取其他措施，否则这意味着任何内容都无法写入 file 系统完全无法访问，因此禁止将应用程序中的任何类型的数据保存到 rootfs。如果您需要存储应用程序中的数据，但想要一个只读的 rootfs，一种常见的方法是添加一个 USB 记忆棒或类似设备，仅用于存储用户数据。

笔记
如果您正在使用交换 file 使用只读 file 系统，你需要移动交换 file 到读/写分区。

覆盖 file 系统

覆盖 file 系统（overlayfs）结合了两个 file 系统，上部 file 系统和较低的 file 系统。当名称同时存在于 file 系统，上层的对象 file 系统可见，而物体在下方 file 系统要么被隐藏，要么在目录的情况下与上层对象合并。Raspberry Pi 在 raspi-config 中提供了一个选项来启用覆盖文件系统 (overlayfs)。这将使根文件系统 (下层) 变为只读，并创建一个基于 RAM 的上层 file 系统。这给出了与只读非常相似的结果 file 系统重启后，所有用户更改都将丢失。您可以使用命令行 raspi-config 或使用“首选项”菜单上的 Raspberry Pi 配置桌面应用程序来启用覆盖文件系统 (overlayfs)。

还有其他 overlayfs 实现，可以将所需的更改从上层同步到下层 file 系统按照预定的时间表运行。例如amp比如，您可能每十二小时将用户主文件夹的内容从上层复制到下层。这会将写入过程限制在很短的时间内，意味着损坏的可能性要小得多，但也意味着如果在同步之前断电，则自上次同步以来生成的任何数据都会丢失。计算模块上的 pSLC Raspberry Pi 计算模块设备上使用的 eMMC 内存是 MLC（多层单元），其中每个存储单元代表 2 位。pSLC 或伪单层单元是一种 NAND 闪存技术，可在兼容的 MLC 存储设备中启用，其中每个单元仅代表 1 位。它旨在在 SLC 闪存的性能和耐用性与 MLC 闪存的成本效益和更高容量之间取得平衡。pSLC 具有比 MLC 更高的写入耐久性，因为降低数据写入单元的频率可以减少磨损。虽然MLC的写入次数约为3,000到10,000次，但pSLC的写入次数却显著增加，接近SLC的耐用性水平。与使用标准MLC的设备相比，pSLC技术的耐用性提升意味着其使用寿命更长。

MLC 内存比 SLC 内存更具成本效益，但 pSLC 虽然比纯 MLC 内存性能和耐用性更高，但却是以牺牲容量为代价的。配置 pSLC 的 MLC 设备容量只有标准 MLC 设备的一半（甚至更少），因为每个单元仅存储一位，而不是两位或更多位。

实现细节

pSLC 在 eMMC 上作为增强用户区域（也称为增强存储）实现。增强用户区域的实际实现并未在 MMC 标准中定义，通常为 pSLC。

增强用户区是一个概念，而 pSLC 是一种实现。

pSLC 是实现增强用户区 (Enhanced User Area) 的一种方法。
在撰写本文时，Raspberry Pi 计算模块上使用的 eMMC 使用 pSLC 实现增强用户区域。

无需将整个 eMMC 用户区域配置为增强用户区域。
将内存区域编程为增强用户区域是一次性操作。这意味着它无法撤消。

开启它
Linux 在 mmc-utils 包中提供了一组用于操作 eMMC 分区的命令。在 CM 设备上安装标准 Linux 操作系统，并按如下方式安装工具：

sudo apt安装mmc-utils

获取有关 eMMC 的信息（由于需要显示的信息很多，因此该命令会通过管道传输到 less 中）：

sudo mmc extcsd 读取 /dev/mmcblk0 | 更少

警告
以下操作仅需一次性操作，一次即可完成，且不可撤消。此外，您还应在使用计算模块之前运行这些操作，因为它们会擦除所有数据。eMMC 的容量将减少到之前的一半。

用于启用 pSLC 的命令是 mmc enh_area_set，它需要几个参数来指定 pSLC 将在多大的内存区域内启用。以下示例ample 使用整个区域。有关如何使用 eMMC 子集的详细信息，请参阅 mmc 命令帮助 (man mmc)。

设备重启后，您将需要重新安装操作系统，因为启用 pSLC 将清除 eMMC 的内容。

Raspberry Pi CM Provisioner 软件提供了一个选项，可以在配置过程中设置 pSLC。该选项可在 GitHub 上找到： https://github.com/raspberrypi/cmprovision.

设备外 file 系统/网络启动
Raspberry Pi 可以通过网络连接启动，例如amp使用网络 File 系统（NFS）。这意味着一旦设备完成其第一个tage boot，而不是加载其内核和根目录 file 系统从 SD 卡启动后，会从网络服务器加载。一旦运行，所有 file 操作在服务器上进行，而不是在本地 SD 卡上进行，本地 SD 卡在程序中不再发挥任何作用。
云解决方案
如今，许多办公任务都在浏览器中完成，所有数据都存储在云端。将数据存储在 SD 卡之外显然可以提高可靠性，但代价是需要始终保持网络连接，并可能产生云服务提供商的费用。用户可以使用功能齐全的 Raspberry Pi OS 安装，并搭配针对 Raspberry Pi 优化的浏览器，访问谷歌、微软、亚马逊等供应商提供的任何云服务。另一种选择是使用瘦客户端供应商，他们将 Raspberry Pi OS 替换为运行在中央服务器（而非 SD 卡）上的资源上的操作系统/应用程序。瘦客户端的工作原理是远程连接到基于服务器的计算环境，大多数应用程序、敏感数据和内存都存储在该环境中。

结论

只要遵循正确的关机程序，Raspberry Pi 的 SD 卡存储就非常可靠。这在可以控制关机的家庭或办公室环境中非常有效，但在工业用途或电源不稳定的区域使用 Raspberry Pi 设备时，采取额外的预防措施可以提高可靠性。

简而言之，提高可靠性的选项可以列举如下：

使用知名的、可靠的 SD 卡。
使用更长的提交时间、使用临时 file 系统，使用 overlayfs 或类似的东西。

使用网络启动或云存储等设备外存储。
实施在 SD 卡达到使用寿命之前更换它的制度。
使用 UPS。

Raspberry Pi 是 Raspberry Pi Ltd 的商标
树莓派有限公司

构建日期：2024-06-25

构建版本：githash：3e4dad9-clean

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常见问题

问：本文档支持哪些 Raspberry Pi 产品？
答：本文档适用于各种 Raspberry Pi 产品，包括 Pi 0 W、Pi 1 A/B、Pi 2 A/B、Pi 3、Pi 4、Pi 400、CM1、CM3、CM4、CM5 和 Pico。
问：如何减少 Raspberry Pi 设备上数据损坏的可能性？
答：您可以通过最小化写入操作（尤其是日志记录活动）并调整提交时间来减少数据损坏 file 本文档中描述的系统。

文件/资源

Raspberry Pi 打造更具弹性的 File 系统 [pdf] 用户指南
Pi 0，Pi 1，打造更具弹性 File 系统更具弹性 File 系统，弹性 File 系统， File 系统

参考

用户手册

Raspberry Pi 打造更具弹性的 File 系统

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