文件系统(十一)：Linux Squashfs只读文件系统介绍
liwen01 2024.07.21
前言
嵌入式Linux系统中，squashfs文件系统使用非常广泛。它主要的特性是只读，文件压缩比例高。对于flash空间紧张的系统，可以将一些不需要修改的资源打包成压缩的只读文件系统格式，从而达到节省空间的目的。
另外还有个特性就是它可以分块解压缩，使用数据会更加灵活，但同时也会引入读放大的问题。
(一)制作squash文件系统
使用mksquashfs可以将文件及文件夹制作成squash文件系统镜像文件，比如我们要将squashfs-root文件夹打包成squashfs镜像文件，可以使用命令：
mksquashfs squashfs-root squashfs-root.sqsh -comp xz这里是使用xz压缩方式进行文件压缩
(1)压缩比例测试
squashfs是一个只读压缩的文件系统，我们简单测试一下它的压缩功能
使用/dev/zero生成零数据写入到文件夹squashfs_zero对应的文件中
dd if=/dev/zero of=file1 bs=256K count=1制作如下测试文件目录及测试文件:
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_zero$ tree
.
├── test1
│ ├── file1
│ ├── file1_1
│ └── file1_2
├── test2
│ ├── file2
│ ├── file2_1
│ └── file2_2
├── test3
│ ├── file3
│ ├── file3_1
│ └── file3_2
└── test4
├── file4
├── file4_1
└── file4_2
4 directories, 12 files
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_zero$文件大小如下：
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_zero$ du -h
1.5M ./test3
2.1M ./test2
2.1M ./test1
1.7M ./test4
7.3M .
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_zero$使用xz压缩方式将squashfs_zero制作成镜像文件
mksquashfs squashfs_zero squashfs_zero.sqsh -comp xz文件大小如下：
biao@ubuntu:~/test/squashfs$ ll -h squashfs_zero.sqsh
-rw-r--r-- 1 biao biao 4.0K Jun 26 23:48 squashfs_zero.sqsh
biao@ubuntu:~/test/squashfs$这里是将7.3M大小squashfs_zero文件夹压缩成了一个4k大小的squashfs_zero.sqsh。当然，这里的测试是非常极端的，因为文件写入的数据都是0，如果写入随机数那压缩比例就会相差非常大了。
(二)squashfs数据分析
(1)数据布局
Squashfs的一个镜像文件它最多包含下面9个部分：Superblock、Compression options、Data blocks fragments、Inode table、Directory table、Fragment table、Export table、 UID/GID lookup table、Xattr table。
最多包含的意思，也就是有些部分不是必须的，比如Compression options 部分。
它们在镜像文件中的数据分布如下图：
(2)制作测试镜像文件
使用/dev/urandom 生成随机数写到文件夹squashfs_urandom对应的文件：
dd if=/dev/urandom of=filex bs=10K count=50制作如下测试文件目录及测试文件：
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_urandom$ tree
.
├── test1
│ ├── file1
│ ├── file1_1
│ └── file1_2
├── test2
│ ├── file2
│ ├── file2_1
│ └── file2_2
├── test3
│ ├── file3
│ ├── file3_1
│ └── file3_2
└── test4
├── file4
├── file4_1
└── file4_2
4 directories, 12 files
biao@ubuntu:~/test/squashfs/squashfs_urandom$squashfs 文件系统的组成部分，大部分也都是压缩的，为了我们后面的数据分析，我们设置Data blocks fragments、Inode table、Directory table、Fragment table不进行压缩
制作命令如下：
mksquashfs squashfs_urandom squashfs_urandom.sqsh -comp xz -noF -noX -noI -noD(3)查看镜像数据信息
如果要查看squashfs的概要信息，可以使用unsquashfs命令进行查看
unsquashfs -s squashfs_urandom.sqsh输出内容信息如下:
biao@ubuntu:~/test/squashfs$ unsquashfs -s squashfs_urandom.sqsh
Found a valid SQUASHFS 4:0 superblock on squashfs_urandom.sqsh.
Creation or last append time Wed Jun 26 23:28:18 2024
Filesystem size 5032.60 Kbytes (4.91 Mbytes)
Compression xz
Block size 131072
Filesystem is exportable via NFS
Inodes are uncompressed
Data is uncompressed
Fragments are uncompressed
Always-use-fragments option is not specified
Xattrs are uncompressed
Duplicates are removed
Number of fragments 2
Number of inodes 37
Number of ids 1
biao@ubuntu:~/test/squashfs$这里我们可以看到，上面我们设置-no的部分，是没有进行数据压缩的。
(4)Superblock参数分析
Superblock 在镜像文件的最开始位置，大小固定为96个字节，查看数据内容如下：
biao@ubuntu:~/test/squashfs$ hexdump -s 0 -n 96 -C squashfs_urandom.sqsh
00000000 68 73 71 73 11 00 00 00 ec 5c 7a 66 00 00 02 00 |hsqs.....\zf....|
00000010 02 00 00 00 04 00 11 00 cb 01 01 00 04 00 00 00 |................|
00000020 ac 02 00 00 00 00 00 00 16 9d 4e 00 00 00 00 00 |..........N.....|
00000030 0e 9d 4e 00 00 00 00 00 ff ff ff ff ff ff ff ff |..N.............|
00000040 60 98 4e 00 00 00 00 00 2e 9b 4e 00 00 00 00 00 |`.N.......N.....|
00000050 6e 9c 4e 00 00 00 00 00 00 9d 4e 00 00 00 00 00 |n.N.......N.....|
00000060
biao@ubuntu:~/test/squashfs$对Superblock的数据进行解析
这里我们看到几个比较关键的数据
-
最开始的4个字节为squashfs的magic，值为hsqs -
block size 是每个数据块的最大长度，这里是128KB，squashfs支持的块大小范围是：4KB~1MB -
compressor 表示压缩类型，这里的4表示xz压缩，其它还支持GZIP、LZMA、LZO、LZ4、ZSTD 数据压缩格式。 -
frag count 表示有多少段数据是存储在fragments组块中 -
最后面是各个table组块的开始位置
(5)inode table数据分析
从superblock中我们知道inode table的开始位置是在0x4e9860位置
biao@ubuntu:~/test/squashfs$ hexdump -s 0x4e9860 -n 718 -C squashfs_urandom.sqsh
004e9860 cc 82 02 00 b4 01 00 00 00 00 9b e9 78 66 02 00 |............xf..|
004e9870 00 00 60 00 00 00 ff ff ff ff 00 00 00 00 00 20 |..`............ |
004e9880 03 00 00 00 02 01 00 20 01 01 02 00 b4 01 00 00 |....... ........|
004e9890 00 00 c3 e9 78 66 03 00 00 00 60 20 03 00 ff ff |....xf....` ....|
004e98a0 ff ff 00 00 00 00 00 d0 07 00 00 00 02 01 00 00 |................|
004e98b0 02 01 00 00 02 01 00 d0 01 01 02 00 b4 01 00 00 |................|
004e98c0 00 00 cf e9 78 66 04 00 00 00 60 f0 0a 00 ff ff |....xf....`.....|
004e98d0 ff ff 00 00 00 00 00 80 0c 00 00 00 02 01 00 00 |................|
004e98e0 02 01 00 00 02 01 00 00 02 01 00 00 02 01 00 00 |................|
004e98f0 02 01 00 80 00 01 01 00 fd 01 00 00 00 00 b1 e9 |................|
004e9900 78 66 01 00 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00 3a 00 |xf............:.|
004e9910 00 00 11 00 00 00 02 00 b4 01 00 00 00 00 f9 e9 |................|
004e9920 78 66 06 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |xf..............|
004e9930 00 00 00 78 00 00 02 00 b4 01 00 00 00 00 01 ea |...x............|
004e9940 78 66 07 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 78 |xf.............x|
004e9950 00 00 00 18 01 00 02 00 b4 01 00 00 00 00 08 ea |................|
004e9960 78 66 08 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 |xf..............|
004e9970 00 00 00 f0 00 00 01 00 fd 01 00 00 00 00 ea e9 |................|
.........
.........
biao@ubuntu:~/test/squashfs$对数据进行分析
这里有几个参数需要注意：
(a)inode_type
inode_type 是inode的类型，数值2表示普通文件，其它类型定义如下：
(b)block_sizes
这里是描述的块的大小(有可能是压缩的)，这个大小需要解析。
为什么有些inode有多个block_sizes呢？这个是因为superblock中定义了一个block的最大值，如果一个文件的大小大于block最大值，那它就存在多个block_sizes。
实际每一个文件都有一个对应的inode,它都是按序分布在inode table中。
(6)directory table 数据分析
从superblock中我们知道directory table的开始位置是在0x4e9b2e位置:
biao@ubuntu:~/test/squashfs$ hexdump -s 0x4e9b2e -n 320 -C squashfs_urandom.sqsh
004e9b2e 1c 81 02 00 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00 00 00 |................|
004e9b3e 00 00 02 00 04 00 66 69 6c 65 31 28 00 01 00 02 |......file1(....|
004e9b4e 00 06 00 66 69 6c 65 31 5f 31 58 00 02 00 02 00 |...file1_1X.....|
004e9b5e 06 00 66 69 6c 65 31 5f 32 02 00 00 00 00 00 00 |..file1_2.......|
004e9b6e 00 06 00 00 00 b4 00 00 00 02 00 04 00 66 69 6c |.............fil|
004e9b7e 65 32 d4 00 01 00 02 00 06 00 66 69 6c 65 32 5f |e2........file2_|
004e9b8e 31 f4 00 02 00 02 00 06 00 66 69 6c 65 32 5f 32 |1........file2_2|
004e9b9e 02 00 00 00 00 00 00 00 0a 00 00 00 34 01 00 00 |............4...|
004e9bae 02 00 04 00 66 69 6c 65 33 68 01 01 00 02 00 06 |....file3h......|
004e9bbe 00 66 69 6c 65 33 5f 31 98 01 02 00 02 00 06 00 |.file3_1........|
004e9bce 66 69 6c 65 33 5f 32 02 00 00 00 00 00 00 00 0e |file3_2.........|
004e9bde 00 00 00 f8 01 00 00 02 00 04 00 66 69 6c 65 34 |...........file4|
004e9bee 28 02 01 00 02 00 06 00 66 69 6c 65 34 5f 31 60 |(.......file4_1`|
004e9bfe 02 02 00 02 00 06 00 66 69 6c 65 34 5f 32 03 00 |.......file4_2..|
004e9c0e 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 94 00 00 00 01 00 |................|
004e9c1e 04 00 74 65 73 74 31 14 01 04 00 01 00 04 00 74 |..test1........t|
004e9c2e 65 73 74 32 d8 01 08 00 01 00 04 00 74 65 73 74 |est2........test|
004e9c3e 33 8c 02 0c 00 01 00 04 00 74 65 73 74 34 20 80 |3........test4 .|
004e9c4e 60 70 17 00 00 00 00 00 00 90 01 01 00 00 00 00 |`p..............|
004e9c5e 60 a8 4d 00 00 00 00 00 00 f0 00 01 00 00 00 00 |`.M.............|
004e9c6e
biao@ubuntu:~/test/squashfs$对数据进行解析：
这里最开始是一个directory header结构，它由count、start、inode number组成，它们定义如下：
每个directory header 至少需要携带一个Directory Entry，Directory Entry的定义如下：
这里的inode number 与 inode table 中的inode number是相互对应的
(7)Data blocks fragments 分析
(a)Data blocks
在我们测试的这个镜像文件中，应为使用的是xz压缩方式，属于常规压缩方式，Compression options中不会有描述，也就是说Compression options组成部分是为空。
在Superblock后面紧接着的就是Data blocks数据。
从inode table和dir table我们知道，最开始存储的是inode number为2的file1 文件。
因为我们这里的数据未进行压缩，正常应该是对比镜像文件0x60地址开始的数据与file1文件开始的数据一样的。
(b)fragments
fragments 组块设计的目的是用来存储一些小文件，将它们组合成一个block来存储，还有一种就是前面文件剩余的一小部分数据，也有可能会被存储在fragments组块中。
具体哪些数据存储到了fragments，可以查看fragments table表
(三)squashfs工作原理
(1)挂载文件系统：
squashfs被挂载的时候，系统首先读取superblock块，获取squashfs基本信息和各个表格的位置。
(2)访问文件或目录：
-
系统从 superblock 获取 inode table 和 directory table 的位置。 -
如果是访问目录，系统查找 directory table，获取目录中每个文件和子目录的名称及其 inode 编号。 -
通过 inode 编号，从 inode table 获取文件或目录的 inode，了解文件的元数据和数据块位置。 -
对于小文件或大文件的片段，通过 inode 中的信息查找 fragment table，获取片段的数据位置。
(四)squashfs优缺点
(1)优点
高压缩率：SquashFS 使用 gzip、lzma、lz4、xz 等压缩算法，能够显著减少文件系统的大小，节省存储空间。
只读特性：适合用于需要保护数据完整性的环境，如嵌入式系统和操作系统的只读镜像。
高效的随机访问：SquashFS 支持高效的随机读取访问，适合读取频繁的场景。
碎片处理： 通过 Fragment Table，SquashFS 能有效处理小文件，减少存储碎片，提高存储效率。
存储和性能优化： 支持文件、目录和 inode 的压缩，减少了存储占用和 I/O 操作，提高了性能。
数据完整性：SquashFS 可以包含校验和，用于确保数据的完整性和防止数据损坏。
(2)缺点
只读特性：SquashFS 是只读的，不能直接修改文件系统中的文件或目录。这意味着需要更新或更改文件系统时，必须重新生成整个文件系统镜像。
压缩开销：虽然读取速度较快，但解压缩过程仍然需要一定的 CPU 资源。在低性能的嵌入式系统中，这可能会对系统性能产生一定影响。
内存消耗：在读取大文件时，解压缩过程可能会消耗大量内存，尤其是在资源受限的嵌入式系统中，这可能会成为一个瓶颈
结尾
上面介绍了squashfs文件系统的数据组成和它们相互工作的原理以及squash文件系统的优缺点。
这里提一个问题：如果根文件系统使用squashfs文件系统，main执行文件也位于根文件系统中，在不考虑双分区备份升级的情况下，要怎么升级根文件系统？
在main程序中直接将新squashfs镜像文件写入到根文件系统所在的mtdblock中是否可以？会不会存在根文件系统更新异常的风险？
