说说IO（五）- 逻辑卷管理

最新推荐文章于 2019-12-04 11:38:40 发布

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本文介绍了LVM（逻辑卷管理）的概念及其在操作系统与硬盘之间的作用。LVM通过提供统一的磁盘管理、动态空间分配、条带化、镜像和快照等功能增强了磁盘管理的灵活性与高效性。

LVM（逻辑卷管理），位于操作系统和硬盘之间，LVM屏蔽了底层硬盘带来的复杂性。最简单的，LVM使得N块硬盘在OS看来成为一块硬盘，大大提高了系统可用性。

LVM的引入，使得文件系统和底层磁盘之间的关系变得更为灵活，而且更方便关系。LVM有以下特点：

统一进行磁盘管理。按需分配空间，提供动态扩展。
条带化（Striped）
镜像（mirrored）
快照（snapshot）

LVM可以做动态磁盘扩展，想想看，当系统管理员发现应用空间不足时，敲两个命令就完成空间扩展，估计做梦都要笑醒：）

LVM的磁盘管理方式

LVM中有几个很重要的概念：

PV（physical volume）：物理卷。在LVM中，一个PV对应就是操作系统能看见的一块物理磁盘，或者由存储设备分配操作系统的lun。一块磁盘唯一对应一个PV，PV创建以后，说明这块空间可以纳入到LVM的管理。创建PV时，可以指定PV大小，即可以把整个磁盘的部分纳入PV，而不是全部磁盘。这点在表面上看没有什么意义，但是如果主机后面接的是存储设备的话就很有意义了，因为存储设备分配的lun是可以动态扩展的，只有当PV可以动态扩展，这种扩展性才能向上延伸。
VG（volume group）：卷组。一个VG是多个PV的集合，简单说就是一个VG就是一个磁盘资源池。VG对上屏蔽了多个物理磁盘，上层是使用时只需考虑空间大小的问题，而VG解决的空间的如何在多个PV上连续的问题。
LV（logical volume）：逻辑卷。LV是最终可供使用卷，LV在VG中创建，有了VG，LV创建是只需考虑空间大小等问题，对LV而言，他看到的是一直联系的地址空间，不用考虑多块硬盘的问题。

有了上面三个，LVM把单个的磁盘抽象成了一组连续的、可随意分配的地址空间。除上面三个概念外，还有一些其他概念：

PE（physical extend）: 物理扩展块。LVM在创建PV，不会按字节方式去进行空间管理。而是按PE为单位。PE为空间管理的最小单位。即：如果一个1024M的物理盘，LVM的PE为4M，那么LVM管理空间时，会按照256个PE去管理。分配时，也是按照分配了多少PE、剩余多少PE考虑。
LE（logical extend）：逻辑扩展块。类似PV，LE是创建LV考虑，当LV需要动态扩展时，每次最小的扩展单位。

对于上面几个概念，无需刻意去记住，当你需要做这么一个东西时，这些概念是自然而然的。PV把物理硬盘转换成LVM中对于的逻辑（解决如何管理物理硬盘的问题），VG是PV的集合（解决如何组合PV的问题），LV是VG上空间的再划分（解决如何给OS使用空间的问题）；而PE、LE则是空间分配时的单位。

如图，为两块18G的磁盘组成了一个36G的VG。此VG上划分了3个LV。其PE和LE都为4M。其中LV1只用到了sda的空间，而LV2和LV3使用到了两块磁盘。

串联、条带化、镜像

串联（Concatenation）: 按顺序使用磁盘，一个磁盘使用完以后使用后续的磁盘。

条带化（Striping）: 交替使用不同磁盘的空间。条带化使得IO操作可以并行，因此是提高IO性能的关键。另外，Striping也是RAID的基础。如：VG有2个PV，LV做了条带数量为2的条带化，条带大小为8K，那么当OS发起一个16K的写操作时，那么刚好这2个PV对应的磁盘可以对整个写入操作进行并行写入。

Striping带来好处有：

并发进行数据处理。读写操作可以同时发送在多个磁盘上，大大提高了性能。

Striping带来的问题：

数据完整性的风险。Striping导致一份完整的数据被分布到多个磁盘上，任何一个磁盘上的数据都是不完整，也无法进行还原。一个条带的损坏会导致所有数据的失效。因此这个问题只能通过存储设备来弥补。
条带大小的设定很大程度决定了Striping带来的好处。如果条带设置过大，一个IO操作最终还是发生在一个磁盘上，无法带来并行的好处；当条带设置国小，本来一次并行IO可以完成的事情会最终导致了多次并行IO。

镜像（mirror）

如同名字。LVM提供LV镜像的功能。即当一个LV进行IO操作时，相同的操作发生在另外一个LV上。这样的功能为数据的安全性提供了支持。如图，一份数据被同时写入两个不同的PV。

使用mirror时，可以获得一些好处：

读取操作可以从两个磁盘上获取，因此读效率会更好些。
数据完整复杂了一份，安全性更高。

但是，伴随也存在一些问题:

所有的写操作都会同时发送在两个磁盘上，因此实际发送的IO是请求IO的2倍
由于写操作在两个磁盘上发生，因此一些完整的写操作需要两边都完成了才算完成，带来了额外负担。
在处理串行IO时，有些IO走一个磁盘，另外一些IO走另外的磁盘，一个完整的IO请求会被打乱，LVM需要进行IO数据的合并，才能提供给上层。像一些如预读的功能，由于有了多个数据获取同道，也会存在额外的负担。