Linux学习笔记（十一）：磁盘配额、磁盘阵列与逻辑卷

于 2020-12-06 18:04:05 发布
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分类专栏： Linux 文章标签： linux 操作系统
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本文介绍了Linux系统下的磁盘管理技术，包括磁盘配额Quota的应用场景及限制、磁盘阵列RAID的不同级别及其特点、逻辑卷管理器LVM的工作原理与操作流程等内容。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

Linux学习笔记（十一）：磁盘配额、磁盘阵列与逻辑卷

磁盘配额Quota

quota的一般用途
磁盘配额（Quota）比较常用的场景有：

  • 对WWW server，每个用户的网页空间容量限制；
  • 对Mail server，每个用户的邮箱空间限制；
  • 对File server，每个用户的最大网络硬盘空间限制。

对Linux系统主机可以配置如下作用：

  • 限制某一用户组能够使用的最大磁盘配额；
  • 限制某一账户的最大磁盘配额；
  • 限制某一目录的最大磁盘配额。

quota的使用限制
Quota虽然好用，但却也有如下限制：

  • 在EXT文件系统中仅能针对整个文件系统，而无法针对单一目录设置；
  • Linux核心必须支持quota功能并且开启；
  • 只对一般身份有效，也就是不能对root用户设置quota；
  • 若启用SELinux，并非所有目录都能设置quota（一般只能对/home设置）。

quota的设定方法
暂略。

磁盘阵列RAID

磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks, RAID），即由独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列。通过软件或硬件技术，RAID可以实现由多个较小的独立磁盘组成一个大容量的磁盘组，从而实现更好的存储能力和更高的可靠性。

RAID level

由于选择的level不同，整合后的RAID也具备不同的功能。下面介绍几种常见的RAID level。

RAID-0 等量模式 stripe：效能最佳
当一个文件要写入RAID时，该文件会被切分为不同的chunk（大小一般为4K~1M），然后依次存入各个磁盘。如果是由两块磁盘组成的RAID-0，写入100M数据时，每块磁盘都会分配到50M的chunk数据。相比直接存入一块磁盘，因为每块磁盘存入的数据都变小了，因此存储速度更快。但缺点是只要有一块RAID-0磁盘损坏，存储数据的完整性就会被破坏。

RAID-1 镜像模式 mirror：完整备份
RAID-1模式的目的在于让同一份数据完整地保存在两块磁盘上。如果是由两块磁盘组成的RAID-1，写入100M数据时，每块磁盘都会分配到100M的相同数据。其优点在于存储数据的安全性提高了，而缺点在于磁盘的实际存储空间缩小了至少50%（当两块磁盘大小不相同时，只能存储最小容量磁盘的数据）。

RAID 0+1
RAID 0+1结合了前两种模式的特点。假设有四块磁盘，将前两块和后两块分别组成两个RAID-1，然后将两个RAID-1组成一个RAID-0。

RAID-5：均衡考虑
RAID-5至少需要三块磁盘，其数据写入方式类似RAID-0，但是在写入过程中会在每块磁盘加入一个同位检查数据（Parity），用于记录其他磁盘的备份数据。当有一块磁盘损坏时，可以借助存储在其他磁盘上的Parity数据来恢复其数据。RAID-5的实际存储容量等于整体磁盘数减去一块磁盘。当损坏的磁盘数超过一块时，RAID-5上存储的数据完整性就被破坏了。

RAID 6
RAID-6与RAID-5类似，差别在于使用了两块磁盘存储Parity数据，因此整体的实际存储容量也减少了两块磁盘。但是RAID-6允许损坏的磁盘数量也提高到了两块。

Spare Disk：备用磁盘
当RAID中有磁盘损坏时，需要将坏掉的磁盘换成一块新磁盘，使得磁盘阵列可以在新磁盘上重建数据。备用磁盘即是一块或多块尚未加入原本RAID的磁盘，在有磁盘损坏时，备用磁盘会被主动加入RAID用于重建数据。

磁盘阵列的优点

RAID-0RAID-1RAID 0+1RAID-5RAID-6
最少磁盘数22434
最大容错磁盘数0n-1n/212
数据安全性无最佳最佳好比RAID-5好
理论写入效能n1n/2<n-1<n-2
理论读取效能nnn<n-1<n-2
可用容量n1n/2n-1n-2
一般应用强调效能而不是数据安全性数据备份服务器与云系统数据备份数据备份

软件磁盘阵列

根据其技术实现，RAID可以分为硬件磁盘阵列（hardware RAID）和软件磁盘阵列（software RAID）。硬件RAID通过磁盘阵列卡来实现阵列，效能较佳，但是成本较高；软件RAID则是通过软件仿真来实现阵列。硬件RAID对应的设备名格式为/dev/sd[a-p]，因为使用了SCSI模块；而软件RAID对应的设备名格式一般为/dev/md[0-9]。

软件RAID创建
CentOS和RHEL中提供磁盘阵列功能的软件是 mdadm。

[root@study ~]$ mdadm --detail /dev/md0
[root@study ~]$ mdadm --create /dev/md[0-9] --auto=yes --level=[015] --chunk=NK \
> --raid-devices=N --spare-devices=N /dev/sdx /dev/hdx

# 选项与参数：
--create # 为建立RAID的选项
--auto=yes # 后面接决定建立的RAID设备，即/dev/md[0-9] 
--level=[015] # 设置RAID level
--chunk=NK # RAID设备的chunk大小，一般为64K或512K
--raid-devices=N # 使用几个磁盘partition作为RAID设备
--spare-devices=N # 使用几个磁盘作为备用设备
--detail # RAID设备的详细信息

假设我们要创建一个由4个分区组成的RAID-5。

# 准备工作：用fdisk或gdisk分出5个大小为1G的partition
# 使用lsblk指令查看5个分区的名字依次为vda[5-9]

# 使用mdadm指令创建RAID
[root@study ~]$ mdadm --create /dev/md0 --auto=yes --level=5 --chunk=256K \
> --raid-devices=4 --spare-devices=1 /dev/vda{5,6,7,8,9}
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md0 started.
# 查看已创建RAID的详细信息
[root@study ~]$ mdadm --detail /dev/md0
/dev/md0:
	Raid level: raid5
......
[root@study ~]$ cat /proc/mdstat	# 查看RAID设备状态
......
# 格式化RAID
[root@study ~]$ mkfs.xfs -f -d su=256k,sw=3 -r extsize=768k /dev/md0
# su=256k对应chunk的大小；四个分区组成RAID5，容量只有三个分区的大小，因此sw=3，extsize=256k*3=768k

# 挂载RAID设备
[root@study ~]$ mkdir /srv/raid
[root@study ~]$ mount /dev/md0 /srv/raid
[root@study ~]$ df -Th /srv/raid # 查看挂载信息

软件RAID错误修复

[root@study ~]$ mdadm --manage /dev/md[0-9] [--add 设备名] [--remove 设备名] [--fail 设备名]
# 选项与参数
--add	# 向md中添加设备
--remove	# 将设备从md中移除
--fail	# 将设备状态设置为故障failure

RAID开机自动挂载

[root@study ~]$ mdadm --detail /dev/md0 | grep -i uuid
UUID: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
# 修改配置文件/etc/mdadm.conf
[root@study ~]$ vim /etc/mdadm
ARRAY	/dev/md0	UUID=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
[root@study ~]$ blkid /dev/md0
/dev/md0: UUID="xxxxxxxxxxxxxxxxxxx" TYPE="xfs"
# 设置开机自动挂载
[root@study ~]$ vim /etc/fstab
UUID=xxxxxxxxxxxxxxxxxxx   /srv/raid   xfs   defaults   0   0
[root@study ~]$ umount /dev/md0; mount -a
[root@study ~]$ df -Th /srv/raid
# 可以重启系统测试是否能自动挂载

正确关闭软件RAID

# 取消挂载与开机自动挂载
[root@study ~]$ umount /srv/raid
[root@study ~]$ vim /etc/fstab
# UUID=xxxxxxxxxxxxxxxxxxx   /srv/raid   xfs   defaults   0   0

# 覆盖RAID设备的metadata和xfs的superblock
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/md0 bs=1M count=50
# 关闭RAID设备
[root@study ~]$ mdadm --stop /dev/md0
mdadm: stoppped /dev/md0
# 覆盖RAID设备用过的分区（用无穷的0字符初始化）
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/vda5 bs=1M count=10
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/vda6 bs=1M count=10
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/vda7 bs=1M count=10
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/vda8 bs=1M count=10
[root@study ~]$ dd if=/dev/zero of=/dev/vda9 bs=1M count=10

[root@study ~]$ cat /proc/mdstat
unused devices: <none>
# 删除配置文件中相应的行
[root@study ~]$ vim /etc/mdadm.conf
# ARRAY	/dev/md0	UUID=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

逻辑卷管理器LVM

每个Linux使用者在安装Linux时都会遇到这样的困境：在为系统分区时，如何精确评估和分配各个硬盘分区的容量。系统管理员不但要考虑到当前某个分区需要的容量，还要预见该分区以后可能需要的容量的最大值。如果估计不准确，当遇到某个分区不够用时管理员可能甚至要备份整个系统、清除硬盘、重新对硬盘分区，然后恢复数据到新分区。逻辑卷管理（Logical Volume Manager, LVM）可以弹性地调整文件系统容量。LVM可以整合多个分区，使它们看上去就像一个“磁盘”一样，并且可以在之后向这个“磁盘”中新增或移除分区。

基本概念：PV, VG, LV

LVM中需要掌握的基本概念包括PV, PE, VG, LV, LE。

物理卷（Physical Volume, PV）
PV是LVM的基本存储逻辑块。和基本的物理存储介质（如分区、磁盘等）相比，PV包含有与LVM相关的管理参数。实体的磁盘或者分区在通过fdisk或gdisk指令把系统标识符（System ID）修改为8e（LVM标识符）后，就可以使用pvcreate创建为LVM最底层的PV。

物理块（Physical Extent, PE）
PE是PV的基本划分单元，具有唯一编号的PE是可以被LVM寻址的最小单元。PE的大小是可配置的，默认为4MB。所以PV由大小等同的基本单元PE组成。

卷组（Volume Group, VG）
VG类似于非LVM系统中的物理磁盘，其由一个或多个物理卷PV组成。可以在卷组上创建一个或多个LV。VG设备的名字格式为/dev/vg_name。

逻辑卷（Logical Volume, LV）
类似于非LVM系统中的磁盘分区，LV建立在VG之上。在逻辑卷LV之上可以建立文件系统。LV的容量大小受限于LV中的PE总数。LV设备的名字格式为/dev/vg_name/lv_name。

逻辑块（Logical Extent, LE）
LV也被划分为可被寻址的基本单位，称为LE。在同一个卷组中，LE的大小和PE是相同的，并且一一对应。

由于LVM的重点在于可以弹性调整文件系统容量而不是读写性能，其默认的读写模式是线性模式。

逻辑卷创建与管理

创建LVM
假设我们有4个大小为1G的分区可以整合成一个VG，并创建一个大小为2G的LV。

# 检查分区状况和系统标识符
[root@study ~]$ fdisk -l /dev/vda
Number	Start (sector)	End (sector)	Size	Code	Name
     1	2048          	6143        2.0 MiB 	EF02	
     ...
     4	65026048      	67123199    1024.0 MiB	8300	Linux Filesystem
     5	67123200     	69220351    1024.0 MiB	8E00	Linux LVM
     6	...           	...         1024.0 MiB	8E00	Linux LVM
     7	...           	...         1024.0 MiB	8E00	Linux LVM
     8	...           	...         1024.0 MiB	8E00	Linux LVM
     9	...           	...         1024.0 MiB	8E00	Linux LVM

# 检查已存在的PV
[root@study ~]$ pvscan
PV	/dev/vda3	...
[root@study ~]$ pvdisplay /dev/vda3
......
# 创建PV
[root@study ~]$ pvcreate /dev/vda{5,6,7,8}
PV "/dev/vda5" successfully created
PV "/dev/vda6" successfully created
PV "/dev/vda7" successfully created
PV "/dev/vda8" successfully created
[root@study ~]$ pvscan
......
# 创建VG（选项-s后接PE大小）
[root@study ~]$ vgcreate -s 16M vg_test /dev/vda{5,6,7}
VG "vg_test" successfully created
[root@study ~]$ vgscan	# 检查系统上已经创建的VG
[root@study ~]$ vgdisplay vg_test	# 查看某个VG的具体信息
......
# VG扩容
[root@study ~]$ vgextend vg_test /dev/vda8
VG "vg_test" successfully extended
[root@study ~]$ vgdisplay vg_test	
......
# 创建LV（选项-L后接LV容量，-n后接LV名称）
[root@study ~]$ lvcreate -L 2G -n lv_test vg_test
LV "lv_test" successfully created
[root@study ~]$ lvscan	# 检查系统上已经创建的LV
[root@study ~]$ lvdisplay /dev/vg_test/lv_test	# 查看某个LV的具体信息
......
# LV挂载
[root@study ~]$ mkfs.xfs /dev/vg_test/lv_test
[root@study ~]$ mkdir /srv/test
[root@study ~]$ mount /dev/vg_test/lv_test /srv/test
[root@study ~]$ df -Th /srv/test
Filesystem	                Type	Size	Used	Avail	Use%	Mounted on
/dev/mapper/vg_test-lv_test	xfs	    2.0G	33M	    2.0G	2%	    /srv/test
[root@study ~]$ cp -a /etc /var/log /srv/test   # 测试是否可用

LV扩容
LV扩容需要所处的VG中还有剩余的空间。LV扩容后还需要扩容挂载的文件系统。EXT文件系统支持扩容和缩容，但是XFS文件系统仅支持扩容。假设前面挂载的/srv/test需要增加500M容量：

[root@study ~]$ vgdisplay vg_test	# 检查VG是否有剩余空间
Free PE / Size: 124 / 1.94 GiB
...
# LV扩容
[root@study ~]$ lvresize -L +500M /dev/vg_test/lv_test
LV "lv_test" successfully resized
[root@study ~]$ lvscan
[root@study ~]$ df -Th /srv/test   # Size还是2.0G
Filesystem	                Type	Size	Used	Avail	Use%	Mounted on
/dev/mapper/vg_test-lv_test	xfs	    2.0G	111M	1.9G	6%	    /srv/test
...
# 文件系统扩容（EXT文件系统使用resize2fs，XFS使用xfs_growfs）
[root@study ~]$ xfs_info /srv/test   # 检查文件系统superblock信息
..., agcount=4, ..., blocks=524288, ...
[root@study ~]$ xfs_growfs /srv/test   # XFS文件系统扩容
[root@study ~]$ xfs_info /srv/test
..., agcount=5, ..., blocks=655360, ...
[root@study ~]$ df -Th /srv/test   # Size变成了2.5G
Filesystem	                Type	Size	Used	Avail	Use%	Mounted on
/dev/mapper/vg_test-lv_test	xfs	    2.5G	111M	2.4G	5%	    /srv/test

动态调整磁盘
LVM thin Volume，即建立一个可以随用随取的磁盘容量存储池（thin pool），然后再由该存储池生成一个LV。在实际的使用过程中，该LV设备使用了多少容量时，才会去thin pool中获取相应的磁盘空间。该LV的纪录容量可以大于thin pool，但是实际使用量不能超过thin pool的最大容量。

# 创建thin pool
[root@study ~]$ lvcreate -L 1G -T vg_test/vg_pool   
[root@study ~]$ lvdisplay /dev/vg_test/vg_pool
...
LV Size: 1.00 GiB
Allocated pool data: 0.00%
Allocated metadata: 0.24%
...
[root@study ~]$ lvs vg_test   # 查看VG中的LV
LV     	VG     	Attr	LSize	Pool	Origin	Data%	Meta%	...
lv_test	vg_test ......
vg_pool	vg_test ......

# 创建LV并绑定thin pool
[root@study ~]$ lvcreate -V 10G -T vg_test/vg_pool -n lv_thin1
[root@study ~]$ lvs vg_test
LV     	    VG     	Attr	LSize	Pool	Origin	Data%	Meta%	...
lv_test	    vg_test ... 	2.50G
lv_thin1	vg_test	... 	10.00G	vg_pool
vg_pool	    vg_test ... 	1.00G

# 格式化与挂载
[root@study ~]$ mkfs.xfs /dev/vg_test/lv_thin1
[root@study ~]$ mkdir /srv/thin
[root@study ~]$ mount /dev/vg_test/lv_thin1 /srv/thin
[root@study ~]$ df -Th /srv/thin
...

LVM磁盘快照
LV磁盘快照是指将某一时刻的磁盘数据记录下来，将来如果发生数据修改，原始数据就会被移动到快照区。快照区与文件系统共享未变更的LVM存储区域，因此是很好的备份工具。快照区必须与被快照的LV处于同一个VG中。

[root@study ~]$ vgdisplay vg_test	# 检查VG是否有剩余空间
Free PE / Size: 26 / 416 MiB
...
# 为lv_test创建快照（选项-s代表快照，-l 26代表使用26个PE）
[root@study ~]$ lvcreate -s -l 26 -n lv_snap1 /dev/vg_test/lv_test
LV "lv_snap1" created successfully
[root@study ~]$ lvdisplay /dev/vg_test/lv_snap1
...
LV Size: 2.50 GiB   # lv_test的原始容量
COW-table size: 416.00 MiB   # 该快照能够记录的最大容量
Allocated to snapshot: 0.00%   # 已被使用的容量
...
# 挂载快照
[root@study ~]$ mkdir /srv/snapshot1
[root@study ~]$ mount -o nouuid /dev/vg_test/lv_snap1 /srv/snapshot1
[root@study ~]$ df -Th /srv/test /srv/snapshot1
Filesystem	                    Type	Size	Used	Avail	Use%	Mounted on
/dev/mapper/vg_test-lv_test	    xfs	    2.5G	111M	2.4G	5%	    /srv/test
/dev/mapper/vg_test-lv_snap1	xfs	    2.5G	111M	2.4G	5%	    /srv/snapshot1
# 因为与快照区域共享未修改数据的存储区域，所以磁盘使用状况完全相同

我们可以利用LVM磁盘快照进行数据备份和还原。

# 修改lv_test中的数据
[root@study ~]$ cp -a /usr/share/doc /srv/test
[root@study ~]$ rm -rf /srv/test/log
[root@study ~]$ rm -rf /srv/test/etc/sysconfig
[root@study ~]$ df -Th /srv/test /srv/snapshot1
Filesystem	                    Type	Size	Used	Avail	Use%	Mounted on
/dev/mapper/vg_test-lv_test	    xfs	    2.5G	146M	2.4G	6%	    /srv/test
/dev/mapper/vg_test-lv_snap1	xfs	    2.5G	111M	2.4G	5%	    /srv/snapshot1
[root@study ~]$ lvdisplay /dev/vg_test/lv_snap1
...
Allocated to snapshot: 21.47%   # 已被使用的容量
...

# 利用快照备份原始文件系统（将快照备份为/home/lvm.dump）
[root@study ~]$ xfsdump -l 0 -L lvm1 -M lvm1 -f /home/lvm.dump /srv/snapshot1
[root@study ~]$ umount /srv/snapshot1
[root@study ~]$ lvremove /dev/vg_test/lv_snap1   # 移除快照（因为已经备份了）

# 从备份还原LV
[root@study ~]$ umount /srv/test
[root@study ~]$ mkfs.xfs -f /dev/vg_test/lv_test   # 格式化
[root@study ~]$ mount /dev/vg_test/lv_test /srv/test
[root@study ~]$ xfsrestore -f /home/lvm.dump -L lvm1 /srv/test   # 还原LV
[root@study ~]$ ll /srv/test   # 检查

关闭LVM
关闭LVM的正确流程为：

  1. 移除LVM文件系统（包括所有快照与LV挂载的文件系统）；
  2. 移除LV；
  3. 取消VG的Active标志；
  4. 移除VG;
  5. 移除PV;
  6. 使用fdisk取消8e标识符设定。
[root@study ~]$ umount /srv/test /srv/thin /srv/snapshot1
[root@study ~]$ lvremove /dev/vg_test/lv_thin1 /dev/vg_test/vg_pool
[root@study ~]$ lvremove /dev/vg_test/lv_test
[root@study ~]$ vgchange -a n vg_test   #  取消VG的Active标志
[root@study ~]$ vgremove vg_test
[root@study ~]$ pvremovve /dev/vda{5,6,7,8}

References
[1] Managing RAID Red Hat Entreprise Linux
[2] LVM

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