嵌入式Linux系统存储架构设计：提升可靠性的分区、目录与挂载方案

嵌入式产品设计时，需要在启动可靠性与应用运行需求之间找到平衡。合理的存储分区与目录规划，是确保系统稳定、数据安全及后期维护便捷的关键基础。

常见分区角色与规划

分区/区域	作用	建议属性/挂载	典型内容
Bootloader	上电引导	只读	u-boot/SPL/引导脚本
Kernel	内核镜像	只读	zImage/Image + 设备树(DTB)
RootFS (A/B)	系统根文件系统	只读/RO+verity	/usr、/bin、/sbin、基础库
App/Opt	应用程序与第三方库	读写/可选只读	/opt、/usr/local、应用可执行文件
Config	配置文件与持久化参数	读写	/etc（若单独分区），/data/conf
Data	运行数据、数据库、缓存	读写	/data、/var、数据库文件、缓存
Log	日志与故障转储文件	读写	/var/log、/data/log
OTA/Update	升级包缓存与解压区域	读写	/ota、/cache/update
Factory/Calib	校准数据与出厂信息	只读/限写	序列号、校准参数、设备证书
Tmpfs	内存临时目录	tmpfs	/tmp、/run

典型分区布局参考

1. 单系统 + 数据分离 (常见于 eMMC/NAND)

| Bootloader | Kernel | RootFS(ro) | App(rw) | Config(rw) | Data(rw) | Log(rw) | OTA(rw) |

特点：根文件系统保持只读，实现系统与应用的解耦。适用于资源有限且无需A/B系统冗余升级的产品。

2. A/B 系统冗余 + 数据分离 (高可靠性设计)

| Bootloader | KernelA | KernelB | RootA(ro) | RootB(ro) | App(rw) | Config(rw) | Data(rw) | Log(rw) | OTA(rw) |

特点：内核与根文件系统分区双冗余，配合启动标志位与健康状态检测可实现升级失败自动回滚，极大提升系统可靠性。

3. Squashfs + OverlayFS (只读根 + 可写层)

| Bootloader | Kernel | RootFS.squashfs(ro) | Overlay(rw) | Data/Log(rw) | OTA(rw) |

特点：根文件系统以Squashfs只读压缩镜像形式存放，提高了存储利用率和系统安全性；通过OverlayFS提供统一的可写层，易于系统恢复。

目录规划与挂载实践

系统只读层

• 目录：/usr, /bin, /sbin, /lib, /lib64。这些是系统基础命令和库，通常放置在只读根分区或Squashfs镜像中，避免运行时被意外修改。
• /etc处理：如果需要频繁修改配置文件，可将/etc目录单独挂载到config分区，或通过OverlayFS叠加到可写层；若根文件系统只读，通常将/etc软链接或绑定挂载到可写区。

应用与第三方库

• 目录：/opt 或 /usr/local。用于放置自研应用程序、第三方库或插件。可以考虑为其单独分区，便于应用的独立升级、回滚和管理。
• 权限控制：可执行文件通常设置为0755，配置文件为0644。应严格控制应用目录的写入权限，防止应用文件被意外篡改。

配置与持久化参数

• 目录：/data/conf 或单独挂载的可写版/etc。
• 内容：设备唯一标识、网络与业务配置、密钥引用（密钥本身建议存储在安全元件或可信执行环境中）。
• 保护：对重要配置可采用校验和或加密存储；同时应限制写入频率，以减缓对NAND Flash或eMMC存储介质的损耗。

数据与数据库

• 目录：/data，数据库文件可存放在/data/db等子目录中。
• 文件系统：挂载时选择ext4、F2FS等支持日志与掉电一致性的文件系统，并启用noatime挂载选项以减少不必要的写入操作，这是Linux系统优化中常见的IO调优手段。
• 管理策略：对历史数据实施定期压缩或归档；根据访问频率实行分级存储策略，区分热数据与冷数据。

日志与故障转储

• 目录：/var/log 或 /data/log；内核崩溃转储文件可存放在/var/crash。
• 大小与轮转：必须配置logrotate或基于大小的日志轮转策略，限制日志的写入速率和总大小，以防止日志写满存储空间或过度消耗Flash寿命。
• 分级管理：区分运行日志、调试日志、升级日志等；关键日志可配置异步上报机制。

OTA升级缓存

• 目录：/ota 或 /cache/update。
• 要求：预留足够空间存放完整升级包；升级包需经过完整性校验（如SHA256）和签名验证；下载区与解包区最好分离。
• 清理：升级成功后应及时删除旧版本升级包，释放存储空间。

临时与运行时目录

• 目录：/tmp, /run。建议使用tmpfs（内存文件系统）挂载，掉电后数据自动丢失，避免将临时文件写入持久化存储。
• 用途：IPC通信文件、PID文件、Socket文件等应放在/run目录，防止污染持久化数据分区。

出厂/校准/证书存储

• 目录：/factory 或 /calib，应设置为只读或严格限制写入权限。
• 内容：设备序列号、硬件校准参数、设备证书、非对称加密的公钥等。
• 保护：文件权限可设置为0400或0500；必要时可使用dm-crypt加密或交由TEE（可信执行环境）保护。

安全与可靠性设计要点

1. 只读根文件系统：采用Squashfs/EROFS + OverlayFS的方案，从根源上阻断运行时对系统文件的篡改。结合dm-verity可以进一步检测文件系统完整性。
2. A/B冗余与回滚：为内核和根分区维护A/B两套副本，升级后通过健康探测程序验证新系统。若验证失败，Bootloader应能根据预设策略自动回滚至旧版本，并记录失败次数。
3. 权限最小化原则：每个分区、目录都按需设置为只读或读写，文件权限遵循最小化原则。日志与数据分区应避免存放具有setuid权限的程序。
4. 控制写入放大：通过日志轮转、使用noatime挂载选项、合并小写入请求等方式减少对Flash的写入量。对于数据库，应根据数据重要性合理配置WAL（Write-Ahead Logging）和FSync策略，这与后端服务中数据库的持久化配置思路相通。
5. 完整性与签名校验：内核镜像、根文件系统镜像、OTA升级包等关键固件都应进行数字签名校验，确保来源可信与内容完整。关键配置文件也可附加哈希校验值。
6. 备份与恢复机制：对重要配置和用户数据建立定期备份机制。同时提供恢复出厂设置功能，该功能应能清空可写分区但保留factory分区的原始信息。

挂载方案配置示例

以下是一个结合了只读根、OverlayFS和独立数据分区的/etc/fstab配置示例：

# 1. 挂载只读的根文件系统（Squashfs镜像）
/dev/mmcblk0p3  /ro_root   squashfs  ro,defaults          0 0

# 2. 使用OverlayFS将可写层叠加到只读根上，形成最终根目录
overlay         /          overlay   lowerdir=/ro_root,upperdir=/overlay/upper,workdir=/overlay/work  0 0

# 3. 挂载应用与数据分区
/dev/mmcblk0p4  /opt       ext4      rw,noatime          0 2  # 应用分区
/dev/mmcblk0p5  /data      ext4      rw,noatime          0 2  # 主数据分区
/dev/mmcblk0p6  /data/log  ext4      rw,noatime          0 2  # 日志目录，作为数据子目录挂载
/dev/mmcblk0p7  /ota       ext4      rw,noatime          0 2  # OTA分区

# 4. 使用tmpfs挂载临时目录
tmpfs           /tmp       tmpfs     defaults,size=64m   0 0
tmpfs           /run       tmpfs     defaults,size=16m   0 0

此方案清晰划分了系统、应用、数据和临时区域，良好的目录结构规划是构建稳定系统的基石，便于维护且提升了整体可靠性。