Установка и использование Ubuntu на USB флешке

Довольно часто возникает желание или необходимость поставить Ubuntu на USB флешку и получить возможность пользоваться своей любимой ОС на любом компьютере (лишь бы была возможность загрузиться с USB).
Делается это просто - грузимся с LiveCD Ubuntu (или с LiveUSB ¹⁾) и ставим систему на флешку. При этом нам не важно какая ос установлена на компьютере. Всё что нужно это сам компьютер, LiveCD/USB и отдельная флешка, на которую и будем ставить систему.

И часто подход к этому вопросу, что называется, «в-лоб» разочаровывает низкой производительностью и тем, что флешка быстро умирает.

Кроме того и сам процесс установки порой приводит к неприятным последствиям.

Но не надо отчаиваться и опускать руки…. Даже из не очень хорошего сырья можно сделать…, если не конфетку, то, по крайней мере, что-то съедобное!
Разберемся в причинах печального исхода и возможных методов улучшения ситуации.

По умолчанию установщик Ubuntu предлагает журналируемую файловую систему EXT4 для создаваемых разделов данных.
Кроме того, загрузчик (GRUB) по умолчанию ставится на первый диск в системе, как правило, - это встроенный HDD компьютера.
Установщик Ubuntu, довольно настойчиво, просит создать раздел подкачки (если вы его не создаете, то получите сообщение и должны будете подтвердить свое желание установить систему без swap-раздела).
Приняв эти умолчания, мы сразу создаем две проблемы.

• На флешке создаются разделы с файловой системой, которая при работе будет осуществлять большое количество записей на флешку (чем сократит ее время жизни). Это касается и разделов EXT4 и swap-раздела.
• Загрузчик установится так, что без флешки ваш компьютер не сможет загрузится.
  

Разберем подробнее эти две проблемы

Флеш-память отличается от жестких дисков тем, что количество циклов записи обычно ограничено числами 10 и 100 тысяч записей (для разных типов флеш-памяти).

Кажется что 10/100 тысяч - это много, но разберемся как эти циклы записи «съедаются» при работе ОС.

1. Запись на флеш-носитель происходит по-блочно (как правило - десятки килобайт), и запись последовательно двух байт в файл с интервалом между записями в несколько минут вызовет две записи одного и того же блока памяти (т.е. обновятся два раза несколько тысяч ячеек).
2. При работе файловой системы (ФС) некоторые служебные структуры ФС обновляются постоянно:
   
   • журнал (для журналируемых ФС) - чем чаще он пишется, тем выше вероятность сохранения целостности ФС при сбоях системы или питания. Частота записи в журнал, как правило изменяема, но значения по умолчанию не совсем подходят для работы с флеш-памятью, а увеличение периодов между записью - приводит к увеличению вероятности потери целостности ФС при сбое.
   • i-node (специальная структура в которой сохраняется заголовок файла или каталога) - при каждом обращении (даже чтение) к файлу или каталогу в i-node прописывается дата/время последнего обращения. Казалось бы - всего несколько байт, но вспомним про блочную запись, и том, что запись их идет при каждом обращении к файлу (прочитали байт - изменились, еще байт - опять изменилось).
3. Временные файлы и логи - так же часто обновляются.
4. SWAP-раздел - если он используется в работе системы, то запись в него тоже очень интенсивная.

Кроме того, нужно не забывать, что лимит циклов записи действует на каждую ячейку памяти. И если на флешке в один и тот же блок сделать 10 тысяч записей, а в другие сделать по 100 записей, то блок, куда было записано 10 тысяч раз, на записи 10тысяч + сколько-то «умрет», а контроллер флешки, обнаружив 1 битый блок, может заявить, что умерла вся флешка. А даже если он этого не сделает, то этот блок будет содержать важную для работы системы или ФС информацию²⁾, и результат будет практически тем же - внезапная остановка системы и невозможность прочитать данные с флешки. (!)

Как бороться со всем этим?
Для начала поймем и примем как данность:

Осознав это поймем, что и

А поняв и приняв это, задумаемся: а нужна ли для такой системы надежность журналируемой ФС (такой дорогой ценой как сокращение времени жизни флешки и системы на ней)?
Однозначно - нет.
Итак, нам потребуется EXT4 с отключенным журналом ³⁾. Если разбираться с отключением журнал в EXT3/4 не хотите - просто воспользуйтесь EXT2.

Избавиться от записи даты/времени последнего доступа к файлам и директориям в i-node помогают опции монтирования файловых систем noatime. Её, после установки системы, нужно будет прописать в файле /etc/fstab для всех разделов системы, которые расположены на флешке.

Временные файлы и swap.
Современные компьютеры редко страдают недостатком оперативной памяти (перелом в этом отношении случился в компьютерной индустрии после значительного удешевления схем памяти). И уже при 1ГБ оперативной памяти Linux довольно редко обращается к swap, если не запускать ресурсоёмкие задачи (например кодирование высококачественного видео или редактирование огромных изображений). Если памяти 2ГБ или больше, то заставить Linux использовать swap вообще довольно сложно.
Полное отсутствие swap грозит неадекватным поведением системы при исчерпании ресурсов оперативной памяти, но вспомним, что мы с вами осознали - система на USB флешке не может быть надежной по определению. Вывод напрашивается сам собой - swap для системы на флешке - не нужен. А на компьютерах с малым объемом памяти нужно быть осторожным и стараться не запускать много приложений одновременно. Можно так же настроить ramzswap (он же - compcache): своп в оперативную память с упаковкой свопируемых станиц.
Ресурсы оперативной памяти помогут и со временными файлами - достаточно смонтировать временный каталог системы /tmp в диск организованный в памяти. Для этого нам пригодится замечательная файловая система tmpfs (даже название говорит, что она хорошо подходит для /tmp).

В /etc/fstab нужно прописать строчку:

tmpfs   /tmp        tmpfs   rw,size=32m        0       0

Точно также стоит поступить и с /run (ранее известный как /var/run) и /var/lock (в этих каталогах хранится служебная информация актуальная только на время текущей сессии, объем - малюсенький, а вот обновления довольно регулярны). На них лимит размера можно не задавать. Можно пойти дальше и разместить в памяти и логи (/var/log), однако без логов на устройстве постоянного хранения данных (в нашем случае - на флешке) будет крайне трудно разобраться со сбоем системы, вызывающем перезагрузку (после перезагрузки - все что было в памяти - потеряется и логи будут «пустые» - только то, что туда запишется с момента загрузки системы). Лимит size для /var/log стоит задавать порядка 6-10Мб (для типичного десктоп варианта).
Общий вид файла /etc/fstab будет примерно таким:

# /etc/fstab: static file system information.
#
# Use 'blkid' to print the universally unique identifier for a
# device; this may be used with UUID= as a more robust way to name devices
# that works even if disks are added and removed. See fstab(5).
#
# <file system>                         <mount point> <type>  <options>          <dump>  <pass>
proc                                      /proc       proc    nodev,noexec,nosuid 0       0
# / was on /dev/sda2 during installation
UUID=57f10d10-de95-4d09-8e18-aaf1c42c3f36 /           ext4    errors=remount-ro,noatime,nodiratime 0       1
# /home was on /dev/sda3 during installation
UUID=7ecf4c7b-3474-4850-9da5-6e519e415937 /home       ext4    noatime,nodiratime  0       2
tmpfs                                     /tmp        tmpfs   rw,size=100m        0       0
tmpfs                                     /run        tmpfs   rw                  0       0
tmpfs                                     /var/lock   tmpfs   rw                  0       0
tmpfs                                     /var/log    tmpfs   rw,size=10m         0       0

В примере на флешке создан корень и отдельный /home⁴⁾. Если есть еще какие-то разделы с флешки - то им тоже прописываем noatime,nodiratime.

А тут все просто - загрузчик (GRUB) надо ставить на флешку. Если вы оставите предложенную установщиком установку (на первый жесткий диск в системе) то в MBR жесткого диска пропишется часть кода GRUB, который станет искать остальную часть своего кода на разделе, куда будет записан /boot при установке системы (т.е. на флешке). Вытащив флешку из компьютера вы не дадите коду GRUB-а на жестком диске найти свое продолжение. И компьютер не сможет загрузить ОС. Восстановить работу GRUB - просто. Если же надо восстанавливать загрузчик Windows, то стоит поискать информацию по восстановлению загрузчика на любом профильном форуме. Но лучше быть внимательным при установке, и не создавать себе лишнюю работу.

Если мы хотим пользоваться системой на флешке долго, и не получить разочарования от потери данных, то нужно делать так:

• при установке Ubuntu на флешку:
  • тип ФС для разделов системы выбираем EXT4 с отключенным журналом (или, на худой конец, - EXT2).
  • swap не создаем (а если на компьютере есть раздел swap - то говорим инсталятору - не использовать его).
  • GRUB устанавливаем обязательно на флешку, где и создаем разделы для установки системы.
  • прописываем в /etc/fstab опцию noatime для всех разделов размещенных на флешке.
  • прописываем в /etc/fstab монтирование /tmp, /run, /var/lock (и, возможно, /var/log) в tmpfs (не забываем про ограничения размеров).
• При использовании системы нужно регулярно делать резервную копию важных данных на другой носитель⁵⁾ (не забываем про невысокую надежность ОС на флешке и возможную внезапную кончину флеш-памяти).
  
• А при использовании на компьютере с небольшим объемом оперативной памяти (1Гб и менее) стараемся не запускать по много ресурсоёмких задач одновременно или изучаем и настраиваем ramzswap.

Есть одна досадная ошибка инсталлятора (можно сказать особенность ⁶⁾ ), которая не позволяет установить Ubuntu на тот же физический диск с которого загрузился Live образ ⁷⁾. Т.е. если вы захотите загрузившись с флешки на нее же и поставить Ubunut (в другой раздел) - то вам это не удастся. Обойти эту «особенность» можно удалив «руками» запись о примонтированном разделе с флешки из /etc/mtab.

• Внешний жесткий диск не страдает малым числом циклов записи, однако, операционная система, работая с диском по довольно медленному интерфейсу (обычно - USB2. USB3 и e-SATA интерфейсы - значительно быстрее, но на момент написания статьи - еще не сильно распространены), также требует оптимизации. Тут пригодятся и noatime, а тоже стоит подумать - а нужен ли swap, да и /tmp полезно также разместить в памяти. А вот логи размещать в памяти - не стоит. Ну, а кроме того, внешний диск - это совсем другой размер и вес (!), да и падения для этих устройств - крайне опасны.
• Внешний SSD диск - довольно дорогое решение. Тоже не маленький, хотя и легче внешнего жесткого диска и падений - почти не боится (как и флешка). И там тоже есть ограничение по числу циклов записи⁸⁾, но контроллеры твердотельных дисков используют специальные алгоритмы переразмещения записываемых блоков с учетом знаний о том, сколько записей было сделано в каждый блок памяти. Эти алгоритмы значительно продлевают время жизни такого носителя информации.

.

• Можно пойти и другим путем - сменить дистрибутив. Есть дистрибутивы специально «заточенные» на работу с флешки (не берусь тут перечислять их все - их легко найти). Ярким представителем таких дистрибутивов является Puppy Linux (русифицированные сборки - PuppyRus Linux). Дистрибутив этот собран минималистично ⁹⁾ и с использованием самых скромных (по размерам) программ. Это позволяет в процессе загрузки разместить всю файловую систему Linux в оперативной памяти ¹⁰⁾. А в процессе выключения системы все изменения в ФС (произведенные за время работы) записываются однократно обратно на флешку¹¹⁾. Изменения можно скинуть и в процессе работы, если есть опасения например в возможном внезапном отключении питания, ну или просто - что бы быть спокойным, что не потеряется ничего. А самое привлекательное для любителей Ubuntu в том, что есть сборки Puppy основанные на Ubuntu. Сайт проекта PuppyRus содержит много полезной информации и инструкций.

Собственно LiveUSB, созданная с файлом сохранения, по сути своей мало отличается от Ubuntu установленной на флешке. Вместе с тем, есть и ряд принципиальных различий.

Что же мы получаем применительно к интересующим нас аспектам: Запись на флешку идет примерно в таком же объеме и его не получится сократить (добавив noatime в опции монтирования в /etc/fstab) т.к. монтирование корня происходит на этапе инициализации ядра системы и в /etc/fstab Live системы просто нет монтирования корня.
Производительность по записи (собственно это больное место мы особо и не рассматривали при разговоре об Ubuntu установленной на флешку) здесь будет еще похуже, запись идет в ФС EXT2, а она лежит в фале на ФС FAT.
Дополнительно, флешка всегда хранит один и тот же набор системных файлов в SquashFS и любые обновления системы будут занимать место в casper.rw, но не будут освобождать место в SquashFS и это может стать проблемой при небольшом объеме флешки.

В «сухом остатке»- у LiveUSB нет особых преимуществ ¹²⁾ перед правильно установленной на флешку системой, а недостатки - присутствуют.

• /etc/fstab
• GRUB
• Восстановление GRUB
• PuppyRus
• UNetbootin — создание загрузочной флешки