MBR与GPT详解

一、MBR

        早期的 Linux 系统为了相容于 Windows 的磁盘，因此使用的是支持 Windows 的 MBR（Master Boot Record, 主要开机纪录区）的方式来处理开机管理程序与分区表！而开机管理程序纪录区与分区表则通通放在磁盘的第一个扇区， 这个扇区通常是 512Bytes 的大小 ，所以说，第一个扇区 512Bytes 会有这三个数据：

1、主要开机记录区（Master Boot Record, MBR）

        可以安装开机管理程序的地方，有446 Bytes。 

2、分区表（partition table）

        记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes，由于分区表所在区块仅有64 Bytes容量，因此最多仅能有四组记录区，每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码。

3、分区结束标志位

       结束标志，偏移地址01FE--01FF的2个字节，即最后多出来的510～511字节按惯例为0xAA55。若磁盘此处的值不为0xAA55，则判断该磁盘的MBR被损坏，系统不能启动。

MBR分区图：

         若将硬盘以长条形来看，然后将柱面以直条图来看，那么那64 Bytes的记录区段如下面的图所示：（其中蓝色那块为分区表）

        但是其实MBR分区类型的磁盘也可以分很多个分区，通过叫做扩展（Extended）分区来实现，MBR的分区表记录的是主(Primary）分区和扩展（Extended）分区，主分区就是我们上边所说的记录分区的开始和结束柱面。通过扩展分区达到使用其他扇区来记录分区的形式，每个分区会由一块空间来存放分区表，这里的其他扇区又被称作逻辑扇区。如图所示： 

分区表内容表解：

        可以看到两个以4字节表示分区之前以及本分区的扇区数，也就是可以表示的最大扇区数为：2^32*512，而每个标准扇区的容量为512字节，于是能表示的最大容量为：

4294967296*512 Bytes=2199023255552 Bytes=2147483648 KB=2097152 MB=2048 GB=2TB

二、GPT

图2-1 图2-2

图2-1分析：

• LBA0（MBR兼容模块）
  出于兼容性考虑存储了一份传统MBR，用来防止不支持GPT的硬盘管理工具错误识别并破坏硬盘中的数据，这个MBR也叫做保护MBR。
  分为两个部分，第一个是前面446字节，用来存储第一阶段的启动引导程序。而在原本的分区表的记录区内，这个兼容模式仅放入了一个特殊字符来表示此磁盘为GPT格式之意。
  在使用 MBR/GPT 混合分区表的硬盘中，这部分存储了GPT分区表的一部分分区（通常是前四个分区），可以使不支持从GPT启动的操作系统从这个MBR启动，启动后只能操作MBR分区表中的分区。

• LBA1（GPT表头记录）
  记录了分区表本身的位置和大小，也记录了备份用的GPT分区（最后34个LBA区块）放置的位置。同时放置了分区表的校验码（CRC32），操作系统可以根据这个校验码来判断GPT是否正确。若有错误可以通过这个记录区来获取备份的GPT（磁盘最后面的备份区块）来恢复正常。

• LBA[2-33]（实际记录分区信息处）
  从LBA2区块开始，每个LBA都可以记录4组分区记录，所以在默认情况下，总共有4*32=128组分区记录。每组记录用到128字节的空间。

 图2-2分析：

1. Protective MBR（保护MBR）：GPT分区表的第0柱面（LBA 0）处保留一个512字节的MBR分区记录，用来保护GPT分区表免受旧版BIOS的破坏。

2. GPT Header（GPT头）：GPT分区表的头部，占据了磁盘的第一个物理块512字节。它包含了GPT分区表的基本信息，包括分区表的位置、大小、版本号、磁盘类型、GUID等。

3. Partition Entries（分区表项）：磁盘上每个分区的描述信息，每个分区的信息占据了128字节。它包含了分区的GUID、起始位置、结束位置、分区属性等信息。

4. Partition Array CRC32（分区表项数组校验和）：用于检测分区表项数组数据是否正确的校验和。

GPT分区表架构支持最多128个分区，每个分区的大小可以达到EB级别，其中包括了主分区、扩展分区、逻辑分区等类型。GPT分区表架构还提供了更好的数据安全性和可靠性，它通过备份GPT头和分区表项数组来避免数据丢失的风险。

GPT分区大小限制

        GPT 在每组记录中分别提供了 8字节 = 64位 来记载开始/结束的扇区号码。因此，理论上对于单一分区槽来说， 它的最大容量限制为 264 * 512bytes = 263 Kbytes = 233TB = 8 ZB 。但是受操作系统限制，一般一个分区最大限制为 18EB。GPT 分区没有所谓的主、扩展、逻辑分区的概念，每个都可以视为是主分区，每一个分区都可以格式化。

三、不同组合启动流程

BIOS+MBR

        当使用BIOS开机，如果是MBR分区中，grub2充当了开机管理程序，即存放在第一个扇区中。因为MBR只有446字节，存放不下grub2的整个程序及相关文件，所以grub2分成两部分，boot.img和core.img，boot.img存放其MBR中，core.img是被存放在MBR与第一个分区（注意这里是分区而不是扇区）之间的，boot.img去启动core.img，core.img由于没有了大小的限制，会包含一些基本文件系统驱动（EXT，FAT，NTFS），这样grub2可以定位到/boot的文件系统，读取内容等。而grub2需要的一些文件，包括运行时内核模块，配置文件都是在/boot/grub2文件夹下，内核文件就在/boot/文件夹下，这样grub2就会去加载内核，进一步操作系统就可以启动。

接这张图来理解：

• 首先第一个分区从2048扇区开始，0号扇区存放MBR，1~2047扇区如上边所说是留给core.img的。

• 分区号1-4是留给主分区和扩展分区的，分区号5，6，7...是留给逻辑分区的，所以sdb1,sdb2,sdb5中间会有一个跳跃。

这也是MBR下系统的磁盘的结构：

 BIOS+GPT

        因为GPT中是兼容了MBR的（LBA0就是MBR），所以BIOS同样可以开机GPT分区的操作系统。与BIOS->MBR类似，同样需要boot.img去启动core.img，boot.img同样放在第一个扇区，不一样的是core.img并不是放在第一个分区和mbr之间,而是有一个单独的分区BIOS BOOT(1M的内存空间)，下图是我操作系统GPT分区：

 

        /dev/sda1就是BIOS boot分区，2048sectors*512bytes=1MB, 同样官方也给了一张图来说明启动的这个过程：

 UEFI+GPT

        最后我们来讲UEFI启动GPT分区，我们也已经展示了GPT分区表的图，那么如果使用UEFI是如何启动呢，这里肯定不是使用boot.img和core.img来启动。这里提供一张不兼容MBR启动的分区表的图：

        由于没有了bios boot分区，所以就不再支持BIOS启动GPT分区了。这个分区表中比较特殊的一个分区是EFI system这个类型的分区，也被称作EFI System Partition(ESP)，这个分区是VFAT格式的文件系统，UEFI还可以读取这个文件系统，且我们的引导文件也在这个目录里，从下图可以看到，这里就有boot loader(grub2)和一些启动时必须软件，centos目录下包含grubx64.efi这个程序, 最终UEFI执行grubx64.efi这个程序。这样就和之前步骤一样了，grub2会去加载内核，启动操作系统。

四、修改引导默认组合

首先我们可以使用下面这条命令来查看我们的引导类型

[ -d /sys/firmware/efi ] && echo UEFI || echo BIOS

接着使用 fdisk -l 来查看我们的磁盘分区类型 

这里提示 WARNING 是因为 fdisk 命令早期不支持gpt分区的，而现在新版的 fdisk 工具（如下图）可以识别到gpt分区。

BIOS+MBR——>BIOS+GPT

        在安装时使用BIOS引导，如果磁盘容量小于 2TB 的话，系统默认会使用 MBR 模式来安装，如果磁盘容量大于2TB的话，那么系统就会使用GPT模式来安装，在分区的时候会看到一个 BIOS BOOT 分区，那如果磁盘小于2TB又想要强制使用 GPT 分区表的话，你就得要这样作：

1. 使用方向键，将下图的光标移动到“ Install CentOS 7 ”的项目中

2. 按下键盘的 [Tab] 按钮，让光标跑到画面最下方等待输入额外的核心参数

3. 在出现的画面中，输入如下画面的数据 （注意，各个项目要有空格，最后一个是光标本身而非底线）

 UEFI+GPT——>UEFI+MBR

        安装时使用UEFI引导，系统会默认使用GPT模式来安装，在官方并没有找到可以强制修改的参数，所以我们进去使用 gdisk 工具修改，它可以使我们实现无损修改，不会格式化我们的磁盘，摧毁掉我们的数据，如果使用 fdisk 或者 parted 的话，它会在修改同时对硬盘进行格式化。

在UEFI+GPT环境下：

1.安装gdisk：如果您的系统没有安装gdisk，请使用以下命令安装：

yum  install gdisk -y

2. 打开磁盘：使用以下命令打开您要转换的磁盘：

gdisk /dev/sdX

请将/dev/sdX替换为您要转换的磁盘名称。

3. 转换分区表格式：在gdisk命令行中，输入“r”以进入恢复和转换菜单，然后输入“g”以将分区表转换为mbr格式。输入“w”以保存更改并退出gdisk。

实验

我们创建一个文件实验，待我们使用工具 gdisk 将磁盘类型gpt转换为mbr后查看它是否还在。

接着使用 gdisk 工具进行转换为mbr。

下图可以看到转换完重启后，磁盘类型为msdos，即mbr分区，创建的文件依旧还在。（如果想要转换回gpt，我们只需gdisk /dev/sda进去交互模式，直接输入“w”即可转换回gpt）

注意：gdisk 工具用于在BIOS引导的系统进行磁盘类型转换时，会进行格式化分区，重启后会进入grub rescue模式，上面实验是UEFI引导的系统。

实际情况还是遵循BIOS+MBR与UEFI+GPT的默认组合，如果硬盘容量大于2TB，还是使用GPT分区好。

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参考文献：

《鸟哥Linux的私房菜》

磁盘分区和开机启动 (taodudu.cc)