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在树莓派上构建以 ZFS 为根文件系统的 Ubuntu 22.04

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概览

注意

这些是 beta 说明。作者仍然需要对其进行测试。此外，现在可能可以使用 U-Boot，这将减少其中的一些需要自定义的内容。

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注意

  • 本教程使用整块物理磁盘。

  • 请备份数据，现有数据将会丢失。

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系统要求

建议配备 4 GiB 内存。请勿使用去重功能，因为它需要 大量内存arrow-up-right。启用去重是永久性更改，无法轻易撤销。

树莓派 3 B/B+ 可能也可运行（树莓派 3 为 64 位，但内存容量不大），但尚未经过测试。请使用下方问题链接报告你的结果（无论好坏）。

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加密

警告：

尚未在树莓派上测试过加密功能。

本指南支持三种不同的加密方案：未加密、ZFS 原生加密和 LUKS。无论选择哪种方式，所有 ZFS 功能均可完全使用。

未加密当然不会对任何数据进行加密。在没有加密的情况下，该选项自然具有最佳性能。

ZFS 原生加密会加密根池中的数据和大部分元数据，但不会加密数据集或快照的名称或属性。启动池完全不加密，但它只包含引导加载程序、内核和 initrd。（除非你在 /etc/fstab 中设置了密码，否则 initrd 不太可能包含敏感数据。）如果未在控制台输入口令，系统无法启动。性能良好。由于加密在 ZFS 内进行，即使使用多个磁盘（镜像或 raidz 拓扑），数据也只需加密一次。

LUKS 会几乎加密所有内容。唯一未加密的数据是引导加载程序、内核和 initrd。如果未在控制台输入口令，系统无法启动。性能良好，但 LUKS 位于 ZFS 之下，因此如果使用多个磁盘（镜像或 raidz 拓扑），数据需要对每个磁盘分别加密一次。

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USB 磁盘

树莓派 4 使用 USB 固态硬盘（SSD）比使用存储卡运行速度快得多。这些指令也可用于在 USB 连接的 SSD 或其他 USB 磁盘上安装 Ubuntu。对 USB 磁盘有三个要求，对存储卡没有这些限制：

1.树莓派的 Bootloader EEPROM 必须为 2020-09-03 或更高版本。 要检查 bootloader 版本，请在未插入存储卡或未连接 USB 启动设备的情况下启动树莓派；日期会显示在 bootloader 行上。（如果看不到 bootloader 行，说明 bootloader 太旧。）或者，在现有树莓派系统上运行 sudo rpi-eeprom-update（在 Ubuntu 上需要 apt install rpi-eeprom）。 如有需要，可在现有树莓派系统上使用 rpi-eeprom-update -a 更新 bootloader 并重启。其他选项请参见 更新 Bootloaderarrow-up-right。 2.树莓派必须配置为 USB 启动。Bootloader 会显示 boot 行；如果 order 中包含 4，说明 USB 启动已启用。 如果尚未启用，可在现有树莓派系统上使用 rpi-eeprom-config -e 启用：设置 BOOT_ORDER=0xf41 并重启以应用更改。之后的启动将启用 USB 启动。 如果没有现有系统，也可按以下步骤启用：

  • 下载 树莓派启动盘制作工具arrow-up-right。

  • 将 USB Boot 镜像写入存储卡。USB Boot 镜像位于 Misc utility images 文件夹下的 Bootloader 中。

  • 使用存储卡启动树莓派。USB 启动应会自动启用。

  1. Ubuntu 20.04 上的 U-Boot 似乎不支持树莓派 USB。Ubuntu 20.10 或许可行arrow-up-right。作为变通方法，树莓派 bootloader 配置为直接启动 Linux。为此，Linux 内核必须未压缩。本指南会解压内核并在 /etc/kernel/postinst.d 添加脚本以处理内核升级。

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第 1 步：格式化磁盘

本步骤的命令在目标树莓派以外的系统上运行。

本指南会让你做一些额外操作，以便删除原始 ext4 分区。

  1. 下载解压官方镜像：

  2. 导出镜像的分区表：

    输出如下：

    关键数字是 524288 和 6285628。将其存入变量：

  3. 创建分区脚本：

    这会为 bootloader 准备第 1 个分区，为初始 ZFS 池准备第 2 个分区（大小与原始镜像相同），并为原始镜像本身准备第 3 个分区。磁盘的其余部分暂时保持未分区状态。

    下面，我们将上面下载的镜像内容写入第 1 个和第 3 个分区，在第 2 个分区上创建 ZFS 池，并将第 3 个分区中的文件传输到该池中。由于 ZFS 分区的大小与原始镜像相同，所有内容都应能够容纳；尽管文件系统开销可能有所不同，但原始镜像并未完全占满，而且 ZFS 已启用压缩。

    最后，我们移除第 3 个分区，并扩展第 2 个分区以及 ZFS 池，使其占用磁盘的其余空间。

  4. 连接磁盘： 将磁盘连接到目标树莓派以外的机器。如果有文件系统被自动挂载（例如 GNOME），请先卸载。确定设备名称。对于存储卡，设备名称几乎肯定是 /dev/mmcblk0；对于 USB SSD，设备名称是 /dev/sdX，其中 X 是小写字母。lsblk 可帮助确定设备名称。将 DISK 环境变量设置为设备名称：

    由于 /dev/mmcblk0 和 /dev/sdX 的分区命名不同，设置第二个变量以便操作分区：

提示：

通过 USB 读卡器连接的存储卡也会显示为 /dev/sdX。

警告：

以下步骤会清除磁盘上现有数据。在继续之前，请确保 DISK 和 DISKP 设置正确。

  1. 确保交换分区未被使用：

  1. 清除旧的 ZFS 标签：

如果之前系统或尝试中存在 ZFS 标签，扩展池会导致系统无法启动。

提示：

如果尚未安装 ZFS 工具，可以使用命令 sudo apt install zfsutils-linux 安装。或者，也可以使用 sudo dd if=/dev/zero of=${DISK} bs=1M status=progress 清零整个磁盘。

  1. 删除现有分区：

确保没有任何分区，仅剩下磁盘本身的设备文件。此步骤不是必需的，仅用于检查问题。

  1. 创建分区：

  1. 挂载镜像为 loop 设备：

  1. 复制引导加载器数据：

  1. 清除分区 2 上的旧标签：

如果 Ubuntu 镜像分区 2 上仍存在 writable 标签的文件系统，系统最初将无法启动。

  1. 复制根文件系统数据：

  1. 卸载镜像：

  1. 如果使用 USB 磁盘： 解压内核：

修改启动配置：

创建内核升级后自动解压内核的脚本：

清理：

  1. 启动树莓派。 将存储卡或 USB 磁盘移至树莓派，启动并登录（例如通过 SSH），用户名和密码均为 ubuntu。如果使用 SSH，请注意首次启动时 cloud-init 需要一点时间来启用密码登录。首次登录后按提示设置新密码，并使用新密码再次登录。如果你的本地 SSH 配置使用了 ControlPersist，可能需要先终止已有的 SSH 进程，才能进行第二次登录。

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第 2 步：设置 ZFS

  1. 切换到 root 用户：

  1. 再次设置 DISK 和 DISKP 变量：

警告：设备名称在将设备移动到不同计算机或将存储卡从 USB 读卡器切换到内置插槽时可能会变化。继续之前务必仔细检查设备名称。

  1. 安装 ZFS：

注意：

由于这是首次启动，可能会出现 Waiting for cache lock，这是因为 unattended-upgrades 正在后台运行。请耐心等待其完成。

  1. 创建根池： 选择以下一种方式：

  • 未加密：

警告：

在树莓派上尚未测试过加密。

  • ZFS 原生加密：

  • LUKS 加密：

注意事项：

  • 建议使用 ashift=12，因为如今许多硬盘物理扇区为 4 KiB（或更大），即使其逻辑扇区仍为 512 B。此外，将来替换的硬盘可能采用 4 KiB 物理扇区（此时 ashift=12 可取）或 4 KiB 逻辑扇区（此时 ashift=12 必须）。

  • 设置 -O acltype=posixacl 可全局启用 POSIX ACL。如果不希望全局启用，可移除该选项，但在 /var/log 的 zfs create 命令中仍需加 -o acltype=posixacl（注意小写“o”），因为 journald 需要 ACLarrow-up-right。另外，禁用 ACL 会破坏 NFSv4 的 umask 处理arrow-up-right。

  • 设置 normalization=formD 可消除与 UTF-8 文件名规范化相关的一些极端情况。它还隐含 utf8only=on，意味着仅允许 UTF-8 文件名。如果需要支持非 UTF-8 文件名，请不要使用此选项。关于仅使用 UTF-8 文件名可能带来的问题，请参见 The problems with enforced UTF-8 only filenamesarrow-up-right。

  • recordsize 未设置（保持默认 128 KiB）。如果希望调整（如 -O recordsize=1M），可参考 这些文章arrow-up-right 和 博客arrow-up-right。

  • 设置 relatime=on 是传统 POSIX atime（性能影响大）和 atime=off（完全禁用 atime 更新以获得最佳性能）之间的折中。自 Linux 2.6.30 起，其他文件系统的默认值为 relatime。详见 RedHat 文档arrow-up-right。

  • 设置 xattr=sa 大幅提高扩展属性性能arrow-up-right。在 ZFS 中，扩展属性用于实现 POSIX ACL，也可被用户空间应用使用。部分桌面 GUI 应用使用它arrow-up-right。Samba 可用它存储 Windows ACL 和 DOS 属性，并且 Samba AD 域控制器必需该功能。注意，xattr=sa 仅适用于 Linuxarrow-up-right。如果将包含 xattr=sa 的池移动到其他 OpenZFS 实现（非 ZFS-on-Linux），扩展属性将无法读取（数据本身仍可读取）。如果扩展属性可移植性重要，可省略 -O xattr=sa。即使不希望对整个池使用 xattr=sa，通常在 /var/log 上使用也没问题。

  • 确保包含驱动器路径中的 -part4。如果忘记，ZFS 将识别整个磁盘并重新分区，从而丢失启动加载器分区。

  • ZFS 原生加密现在arrow-up-right默认使用 aes-256-gcm。

  • 对于 LUKS，选择的密钥长度为 512 位。但 XTS 模式需要两个密钥，因此 LUKS 密钥会对半拆分。故 -s 512 实际表示 AES-256。

  • 密码短语可能是最薄弱环节，请谨慎选择。参见 cryptsetup FAQ 第 5 节arrow-up-right 获取指导。

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第 3 步：安装系统

  1. 创建作为容器的文件系统数据集：

  2. 为根文件系统创建数据集：

    对于 ZFS，通常不需要使用 mount 命令（无论是 mount 还是 zfs mount）。这里使用 canmount=noauto 是一个例外情况。

  3. 创建其他数据集：

下面的数据集是可选的，取决于你的偏好及软件选择。

如果你希望将它们分离以将其排除在快照之外：

如果需要（Ubuntu 安装程序会创建这些）：

如果你在此系统上使用 /srv：

如果你在此系统上使用 /usr/local：

如果此系统将安装游戏：

如果此系统将使用 GUI：

如果此系统将使用 Docker（其自行管理数据集和快照）：

如果此系统将在 /var/mail 中存储本地电子邮件：

如果此系统将使用 Snap 包：

如果你在此系统上使用 /var/www：

对于 mirror 或 raidz 拓扑，为 /boot/grub 创建一个数据集：

稍后建议使用 tmpfs，但如果你想为 /tmp 使用单独的数据集：

这种数据集布局的主要目的是将操作系统与用户数据分离，使得回滚根文件系统不会影响用户数据。若不做额外操作，/tmp 将作为根文件系统的一部分存储。通过创建单独的数据集 /tmp，可以将 /tmp 数据排除在根文件系统的快照之外，也可以为 rpool/tmp 设置配额以限制最大空间。否则，可以使用 tmpfs（内存文件系统）。

注意：

如果你将启动所必需的目录（例如 /etc）拆分为独立的 dataset，必须将其添加到 /etc/default/zfs 中的 ZFS_INITRD_ADDITIONAL_DATASETS。具有 canmount=off 的 dataset（例如上面的 rpool/usr）不受此影响。

  1. 可选：忽略同步请求 存储卡速度相对较慢。如果希望提升性能（尤其是在安装软件包时），可以禁用同步请求（如 fsync() 或 O_[D]SYNC）的刷新操作，代价是安全性会下降。可选择以下方案：

    • 仅针对根文件系统，不影响用户数据：

    • 针对所有数据：

    ZFS 是事务型的，仍能保证崩溃一致性。但若系统需要保证持久性（如数据库或 NFS 服务器），应保持 sync 为默认的 standard。

  2. 将系统内容复制到 ZFS 文件系统：

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第 4 步：系统配置

  1. 配置主机名： 将 主机名 替换为你想要的主机名：

    在 /mnt/etc/hosts 中添加一行：

    如果系统在 DNS 中有完整域名（FQDN）：

    提示：

    如果不熟悉 vi，可以使用 nano。

  2. 停止 zed 服务：

  3. 将当前环境的虚拟文件系统绑定到新的 ZFS 环境，并 chroot 进入：

  4. 配置基础系统环境：

    即使偏好非英语系统语言，也请确保 en_US.UTF-8 可用：

  5. 仅针对 LUKS 安装，设置 /etc/crypttab：

    使用 initramfs 是为了解决 cryptsetup 不支持 ZFSarrow-up-right 的问题。

  6. 可选：将 /tmp 挂载为 tmpfs

    如果上一步已为 /tmp 创建了数据集，则跳过此步骤。否则可启用 tmp.mount 单元，将 /tmp 作为内存文件系统：

  7. 设置系统组：

  8. 修复文件系统挂载顺序： 需要激活 zfs-mount-generator，使 systemd 识别各挂载点，这对 /var/log、/var/tmp 等非常重要。系统服务如 rsyslog.service 会通过 local-fs.target 依赖 var-log.mount，使用 systemd PrivateTmp 的服务会自动依赖 After=var-tmp.mount。

    强制更新缓存：

    确认 zed 已更新缓存（等待几秒，确保文件非空）：

    停止 zed：

    修正路径以去掉 /mnt：

  9. 从 /etc/fstab 移除旧文件系统：

  10. 配置内核启动参数：

    fixrtc 脚本与 ZFS 不兼容，会导致启动挂起 180 秒。

    init_on_alloc=0 用于解决 性能回退问题arrow-up-right。

  11. 可选（强烈推荐）：便于调试启动：

  12. 重启：

    等待新系统正常启动，以 ubuntu 用户登录。

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第 5 步：首次启动

  1. 切换到 root 用户：

  2. 再次设置 DISK 变量：

  3. 删除 ext4 分区并扩展 ZFS 分区：

    注意：这不会自动扩展 ZFS pool，扩展将在重启后发生。

  4. 创建用户账户：

    将 你的用户名 替换为你希望的用户名：

  5. 重启：

    等待系统正常启动，并使用新创建的账户登录。

  6. 切换到 root 用户：

  7. 扩展 ZFS 存储池： 验证存储池是否已扩展：

    如果未自动扩展，可以手动扩展：

  8. 删除默认的 ubuntu 用户：

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第 6 步：完整软件安装

  1. 可选：移除 cloud-init：

  2. 可选：移除其他存储相关软件包：

  3. 更新最小系统：

  4. 可选：安装完整 GUI 环境：

    提示：

    如果安装完整 GUI 环境，通常需要如上移除 cloud-init，但改用 NetworkManager 管理网络：

  5. 可选（推荐）：禁用日志压缩：

    由于 /var/log 已由 ZFS 压缩，logrotate 的压缩会消耗 CPU 和磁盘 I/O，而收益有限。此外，如果对 /var/log 做快照，logrotate 压缩反而会浪费空间，因为未压缩的数据仍会保存在快照中。你可以手动编辑 /etc/logrotate.d 下的文件，将 compress 注释掉，或者使用如下循环（强烈建议复制粘贴）：

  6. 重启：

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第 7 步：最终清理

  1. 等待系统正常启动。使用你创建的账户登录，确保系统（包括网络）正常运行。

  2. 可选：仅针对 LUKS 安装，备份 LUKS 头信息：

    将备份保存到安全位置（例如云存储）。虽然它受 LUKS 密码保护，但你可能仍希望使用额外加密。

    提示：

    如果你创建了镜像或 raidz 拓扑，请为每个 LUKS 卷（如 luks2 等）重复此操作。

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