Raspberry Pi 結合 ZFS 開發雲端儲存備份方案

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ZFS 檔案系統以其資料完整性和管理能力著稱，搭配價格親民的 Raspberry Pi，可輕鬆建構個人雲端儲存方案。透過簡單的 Shell 指令即可建立 ZFS 檔案系統，並利用 rsync 工具進行資料同步。文章提供的 Shell 指令碼更能自動化備份流程，包含建立快照和清理舊版本，確保資料安全無虞。除了 ZFS 的應用，文章也涵蓋了 Linux 與 X Window System 的基礎知識，解析 Xlib 和 XCB API 的差異與使用方法，並簡述 Wayland 與 Wayfire 的特性。最後，文章還提供了 GNU Emacs 的進階使用技巧，讓開發者能更有效率地進行程式碼編輯和系統管理。

雲端儲存解決方案：使用ZFS與Raspberry Pi進行資料備份

在現代資訊科技中，資料備份是至關重要的。ZFS（Zettabyte File System）是一種高效且可靠的檔案系統，能夠提供強大的資料保護和管理功能。Raspberry Pi作為一個小巧且價格實惠的單板電腦，結合ZFS可以開發出一個完善的雲端儲存解決方案。本文將探討如何在Raspberry Pi上使用ZFS進行資料備份，並提供具體的實務案例和技術分析。

構建ZFS檔案系統

首先，我們需要在Raspberry Pi上建立一個ZFS檔案系統。這裡假設我們使用的是USB快閃記憶體作為儲存媒介。

# 建立zpool
sudo zpool create test3 /dev/sdX1

# 建立dataset
sudo zfs create test3/usbdrive

# 設定copies屬性
sudo zfs set copies=2 test3/usbdrive

內容解密：

  • zpool create test3 /dev/sdX1：這個命令建立了一個名為test3的zpool，並將其指向USB快閃記憶體的分割槽/dev/sdX1。
  • zfs create test3/usbdrive：這個命令在已存在的zpool test3中建立了一個名為usbdrive的dataset。
  • zfs set copies=2 test3/usbdrive：這個命令設定了dataset test3/usbdrive的copies屬性為2，意味著ZFS會在該dataset中保留兩份完全相同的資料副本，從而提高資料的可靠性和完整性。

資料備份與同步

接下來，我們需要將重要的使用者資料複製到這個新的dataset中。這裡我們使用rsync命令來進行資料同步。

# 使用rsync同步資料
rsync -avh /path/to/source /mnt/test3/usbdrive

內容解密：

  • rsync -avh /path/to/source /mnt/test3/usbdrive：這個命令使用rsync工具將指定來源目錄中的資料同步到目標目錄/mnt/test3/usbdrive中。引數-a表示保持資料的屬性和結構不變，-v表示詳細模式，-h表示人類可讀模式。

定期備份與維護

為了確保資料備份的連續性，我們可以編寫一個Bourne shell指令碼來自動化這個過程。以下是一個範例指令碼，它會定期擷取快照並保留多個歷史版本。

#!/bin/bash
# 時間戳變數
TIMESTAMP=$(date +"%Y%m%d.%H%M")

# 來源目錄
SRC_DIR="/home/user/data"

# 目標目錄
DEST_DIR="/mnt/test3/usbdrive"

# 快照名稱
SNAPSHOT_NAME="backup-$TIMESTAMP"

# 建立快照
sudo zfs snapshot $DEST_DIR@$SNAPSHOT_NAME

# 使用rsync同步資料
rsync -avh $SRC_DIR $DEST_DIR

# 清理舊快照（保留最近三個快照）
sudo zfs list -t snapshot -o name -r $DEST_DIR | grep "@" | sort -r | tail -n +4 | xargs sudo zfs destroy

內容解密：

  • TIMESTAMP=$(date +"%Y%m%d.%H%M")：這行程式碼生成當前時間戳，並將其儲存到變數TIMESTAMP中。
  • SNAPSHOT_NAME="backup-$TIMESTAMP"：這行程式碼根據時間戳生成快照名稱。
  • sudo zfs snapshot $DEST_DIR@$SNAPSHOT_NAME：這行程式碼建立一個快照，名為backup-$TIMESTAMP。
  • rsync -avh $SRC_DIR $DEST_DIR：這行程式碼使用rsync工具將來源目錄中的資料同步到目標目錄中。
  • sudo zfs list -t snapshot -o name -r $DEST_DIR | grep "@" | sort -r | tail -n +4 | xargs sudo zfs destroy：這行程式碼清理舊快照，只保留最近三個快照。

移除與重新掛載USB快閃記憶體

當需要暫時移除USB快閃記憶體時，可以使用以下命令解除安裝並重新掛載它。

# 解除安裝USB快閃記憶體
sudo zfs unmount test3/usbdrive

# 掛載USB快閃記憶體
sudo zfs mount test3/usbdrive

內容解密：

  • sudo zfs unmount test3/usbdrive：這行程式碼解除安裝了名為test3/usbdrive的dataset。
  • sudo zfs mount test3/usbdrive：這行程式碼重新掛載了名為test3/usbdrive的dataset。

問題與挑戰

在實際操作中，可能會遇到一些問題和挑戰。例如：

  1. USB快閃記憶體壽命：雖然USB快閃記憶體價格便宜且容量大，但其寫入次數有限，可能會影響長期使用。
  2. 網路延遲：如果需要透過網路進行備份，網路延遲可能會影響備份速度和效率。
  3. 許可權管理：確保只有授權使用者才能存取和修改備份資料是至關重要的。

隨著技術的發展，雲端儲存解決方案將變得更加智慧和高效。未來可能會看到以下趨勢：

  1. 自動化與智慧化：備份過程將更加自動化和智慧化，能夠根據資料變更情況自動調整備份策略。
  2. 多重備份策略：支援多種備份策略，例如本地備份、遠端備份、雲端備份等，提高資料安全性。
  3. 安全性提升：加強資料加密和許可權管理，確保備份資料不被未授權存取或篡改。

Linux與X Window System

Linux與X Window System概述

在進入詳細的技術探討之前，玄貓想先為大家簡單介紹一下Linux與X Window System的基本概念。Linux是一種開源的作業系統，廣泛應用於伺服器、桌面電腦以及嵌入式系統。X Window System則是一個根據Linux的圖形使用者介面（GUI）系統，允許應用程式在不同的顯示伺服器和顯示裝置之間執行。

X Window System的組成元件

X Window System由多個組成部分構成，包括視窗管理器、桌面環境、工作階段管理器以及各種圖形工具包。這些元件共同作用，提供了一個強大且靈活的圖形使用者介面環境。以下是一些常見的組成元件：

  1. 視窗管理器（Window Manager）：負責管理視窗的外觀和行為，例如移動、調整大小以及關閉視窗。
  2. 桌面環境（Desktop Environment）：提供了一個完整的圖形使用者介面，通常包括檔案管理器、控制台以及其他實用工具。常見的桌面環境有GNOME和KDE。
  3. 工作階段管理器（Session Manager）：負責管理工作階段，包括啟動和關閉應用程式以及儲存工作階段狀態。
  4. 圖形工具包（Graphical Toolkit）：提供了一組API來建立圖形使用者介面元素，例如按鈕、捲軸和對話方塊。常見的圖形工具包有GTK和Qt。

X Window System與其他GUI的比較

X Window System與其他常見的GUI系統，如OS X或Windows，在功能和操作上有一些顯著的不同：

  1. 自定義性：X Window System允許高度自定義，使用者可以根據需要組態視窗管理器和桌面環境。
  2. 跨平台支援：X Window System可以執行在多種作業系統上，包括Linux、Unix以及某些嵌入式系統。
  3. 網路透明性：X Window System原本設計用於在網路環境中執行，這意味著應用程式可以在遠端伺服器上執行並顯示在本地顯示器上。

此圖示

此圖示展示了X Window System的主要組成元件及其相互關係。

使用Gimp設計圖示

玄貓建議使用Gimp來設計點陣圖圖示，這是一個強大且免費的影像編輯軟體。以下是使用Gimp設計一個簡單圖示的步驟：

  1. 啟動Gimp：開啟Gimp並建立一個新專案。
  2. 選擇畫布大小：根據需求選擇畫布大小。
  3. 繪製影像：使用Gimp的各種繪畫工具來繪製所需的影像。例如，如果要設計一個代表讀取檔案的圖示，可以繪製一本開啟的書。
  4. 儲存影像：將完成的影像儲存為點陣圖格式（如PNG或BMP）。

安裝及自定義X-based應用程式

在安裝和自定義X-based應用程式時，玄貓建議使用網路上的資源來取得相關資訊。例如，可以存取www.X.org網站來瞭解X Window System的目標和其他資訊來源。以下是一些具體步驟：

  1. 探索www.X.org：使用瀏覽器存取www.X.org網站，瞭解其目標和提供的資源。
  2. 安裝Gimp：在Raspberry Pi系統上安裝Gimp，並使用它來設計點陣圖圖示。
  3. 自定義選單專案：找到一個支援自定義選單專案的X-based應用程式，並使用Gimp設計的圖示來替換原有的圖示。

工作階段管理器與桌面環境

工作階段管理器和桌面環境在X Window System中扮演著重要角色。工作階段管理器負責管理工作階段，包括啟動和關閉應用程式以及儲存工作階段狀態。桌面環境則提供了一個完整的圖形使用者介面，通常包括檔案管理器、控制台以及其他實用工具。

非GUI安裝

非GUI安裝（如Raspberry Pi OS Lite版本）適合那些不需要完整桌面環境的人。這種安裝方式僅提供文字基礎介面，節省了系統資源並提高了效能。

伺服器類別Linux安裝

伺服器類別Linux安裝通常不包含GUI，因為這樣可以更有效地利用系統資源。這些安裝通常使用systemd來管理服務和程式。

此圖示展示了伺服器類別Linux安裝中的資源效率和systemd管理。

Xlib API解析

Xlib是一個低層次的API，用於與X Window System進行互動。它主要使用C語言資料結構來實作客戶端應用程式碼與Xlib API之間的通訊。以下是一些關鍵點：

  1. 資料生成部分：負責生成資料，如數字、文字字串、檔案結構等。
  2. 繪製部分：將資料轉換為圖形元素並顯示在螢幕上。

XCB API解析

XCB（X C Binding）是一個更現代化且高效的API，比Xlib更靈活且易於使用。它也主要使用C語言資料結構來實作資料通訊。

#include <xcb/xcb.h>

int main() {
    xcb_connection_t *connection;
    xcb_screen_t *screen;
    xcb_window_t window;
    uint32_t mask;
    uint32_t values[2];

    connection = xcb_connect(NULL, NULL);
    screen = xcb_setup_roots_iterator(xcb_get_setup(connection)).data;
    window = xcb_generate_id(connection);

    mask = XCB_CW_BACK_PIXEL | XCB_CW_EVENT_MASK;
    values[0] = screen->black_pixel;
    values[1] = XCB_EVENT_MASK_EXPOSURE | XCB_EVENT_MASK_KEY_PRESS;

    xcb_create_window(connection, XCB_COPY_FROM_PARENT, window,
                      screen->root, 0, 0, 800, 600, 10,
                      XCB_WINDOW_CLASS_INPUT_OUTPUT,
                      screen->root_visual, mask, values);

    xcb_map_window(connection, window);
    xcb_flush(connection);

    xcb_generic_event_t *event;
    while ((event = xcb_wait_for_event(connection))) {
        if (event->response_type == XCB_EXPOSE && event->sequence == 0) {
            break;
        }
        free(event);
    }

    // Drawing code here

    free(event);
    xcb_disconnect(connection);
}

內容解密：

  • xcb_connect：建立與X伺服器的連線。
  • xcb_generate_id：生成唯一的視窗ID。
  • xcb_create_window：建立一個新視窗。
  • xcb_map_window：將視窗對映到螢幕上。
  • xcb_flush：重新整理連線以確保所有請求已傳送。

Wayfire與Wayland

Wayfire是一個現代化且高效的組合器，根據Wayland協定。它提供了豐富的功能和高效能表現。Wayland則是一種新興的顯示伺服器協定，旨在替代傳統的X Window System。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Raspberry Pi 結合 ZFS 開發雲端儲存備份方案

package "物聯網架構" {
    package "感知層" {
        component [感測器] as sensor
        component [執行器] as actuator
        component [嵌入式裝置] as device
    }

    package "網路層" {
        component [閘道器] as gateway
        component [MQTT Broker] as mqtt
        component [邊緣運算] as edge
    }

    package "平台層" {
        cloud "IoT Platform" as platform
        database [時序資料庫] as tsdb
        component [規則引擎] as rules
    }

    package "應用層" {
        component [監控儀表板] as dashboard
        component [告警系統] as alert
        component [數據分析] as analytics
    }
}

sensor --> device : 資料採集
device --> gateway : 資料傳輸
gateway --> mqtt : MQTT 協議
mqtt --> edge : 邊緣處理
edge --> platform : 雲端上傳
platform --> tsdb : 資料儲存
platform --> rules : 規則處理
rules --> alert : 觸發告警
tsdb --> analytics : 資料分析
analytics --> dashboard : 視覺化

@enduml

此圖示展示了Wayfire與Wayland之間的關係。

GNU Emacs 進階使用技巧

GNU Emacs 是一款功能強大的文字編輯器，廣泛應用於程式開發、文字編輯及系統管理等領域。以下是一些進階使用技巧，幫助你更有效率地使用 Emacs。

操作技巧與練習

1. DOS 與 Bash Shell 別名對比

在實務中，DOS 與 Bash Shell 別名可能會有所不同。玄貓建議你可以在終端機提示字元處輸入 alien3 中的所有 DOS 別名，並帶入必要的引數。這樣可以確保你獲得與步驟 21 中執行的 Bourne shell 別名相同的結果。

2. Emacs 中多檔案編輯

在 Emacs 中，你可以同時編輯多個檔案，每個檔案的內容都儲存在不同的緩衝區中。以下是具體操作步驟：

  1. 使用 cp 命令在終端機提示字元處建立 datafile 的副本 datafile2。
  2. 使用 Ctrl-X Ctrl-F 命令在 Emacs 中開啟 datafile 和 datafile2。
  3. 使用 Ctrl-X B 命令在緩衝區之間切換。
  4. 編輯兩個檔案，並使用 Ctrl-@、Ctrl-W 和 Ctrl-Y 命令進行剪貼操作。

請注意，不要儲存對 datafile 的更改。

3. 鍵盤宏定義

鍵盤宏可以自動化重複性任務。你可以根據實務需求定義鍵盤宏，例如自動輸入字母或數字。以下是定義鍵盤宏的步驟：

  1. 按下 F3 建立宏。
  2. 執行你想要自動化的操作。
  3. 按下 F4 結束宏記錄。
  4. 按下 F4 執行宏。

4. Emacs 的非圖形模式

在非圖形模式下執行 Emacs 可以提高效率。以下是具體操作步驟：

  1. 在終端機或控制檯視窗中輸入 emacs -nw newfile 啟動非圖形模式的 Emacs。
  2. 使用 Esc 和 `` 鍵存取選單欄選單選項。

5. 比較圖形與非圖形模式

你可以嘗試在純圖形模式下重複前面的操作，並使用滑鼠進行剪貼操作。這樣可以幫助你更好地理解兩種模式之間的區別。

6. Emacs 中傳送電子郵件

Emacs 支援直接傳送電子郵件。你可以在 Emacs 中組織郵件內容並傳送。這是一個非常實用的功能，特別是在需要頻繁傳送郵件時。

組態與定製

7. 自定義組態值

使用 <Alt-x> customize 功能可以查詢並設定全域性標記環最大值、Tab 寬度、填充列、標準縮排和復原限制等引數。

8. Abbrev 模式切換

Abrev 模式可以幫助你快速輸入常用短語。以下是切換 Abbrev 模式和刪除所有 abbrev 語法定義的命令：

  • 跳轉 Abbrev 模式：<Alt-x> abbrev-mode
  • 刪除所有 abbrev 語法定義：<Alt-x> unabbreviate-all

自動化與效率

9. 全域性縮寫定義

你可以定義全域性縮寫來自動擴充套件常用短語。例如：

(global-set-key (kbd "C-x C-a") "now")
(global-set-key (kbd "C-x C-b") "Now is the time for all good women to come to the aid of their country.")

10. 鍵盤宏自動輸入字母

你可以定義一個鍵盤宏來自動輸入所有小寫字母，並將其繫結到數字鍵上。以下是具體步驟：

(fset 'le (lambda () (interactive) (insert "a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z")))
(global-set-key (kbd "1") 'le)

高階應用

11. 鍵盤宏自動輸入數字

類別似地，你可以定義一個鍵盤宏來自動輸入數字 1 到 10，並將其繫結到鍵盤上。

(fset 'row (lambda () (interactive) (insert "1 2 3 4 5 6 7 8 9 10")))
(global-set-key (kbd "r") 'row)

zenity 是一款圖形 GTK+ 對話方塊程式，允許你使用 Bash 指令碼檔案建立互動對話方塊。

Zenity 與 Bash 指令碼

#!/bin/bash
zenity --forms --title="newusers Command" --text="Add batch new user" \
--add-entry="Username" \
--add-password="Password" \
--add-entry="User Number UID" \
--add-entry="Group Number GID" \
--add-entry="GECOS Entry" \
--add-entry="Default Home Directory" \
--add-entry="Default Shell" \
>> zen_out

sed -i -e 's/|/:/g' /home/bob/zen_out

在終端機中執行以下命令來設定指令碼許可權並執行它：

chmod u+x zen1
./zen1

這將開啟一個 Zenity 對話方塊，讓你輸入新使用者的資訊，並將其寫入 zen_out 檔案中。

自動化常見編輯任務

你可以定義一個鍵盤宏來自動完成常見編輯任務。例如，將某些文字格式化為特定樣式。

編譯與執行 C 語言程式

在 Emacs 中建立、編輯、編譯、連結和執行簡短的 C 語言程式也是一個實用功能。這樣可以提高程式開發效率。

自動化系統管理任務

Zenity 和 Bash 指令碼結合 Emacs 的強大編輯功能，可以幫助你自動化系統管理任務，例如批次建立使用者賬戶等。

總結來說，Emacs 是一款功能強大且靈活的編輯器，透過學習和應用這些進階技巧，你可以大大提高工作效率和生產力。

玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。