基於LVM的快照實現原理分析

2020-06-16 17:32:12

1.LVM介紹

LVM是邏輯盤卷管理（Logical Volume Manager）的簡稱，它是Linux環境下對磁碟分割區進行管理的一種機制，LVM是建立在硬碟和分割區之上的一個邏輯層，來提高磁碟分割區管理的靈活性。

LVM的工作原理其實很簡單，它就是通過將底層的物理硬碟抽象的封裝起來，然後以邏輯卷的方式呈現給上層應用。在傳統的磁碟管理機制中，我們的上層應用是直接存取檔案系統，從而對底層的物理硬碟進行讀取，而在LVM中，其通過對底層的硬碟進行封裝，當我們對底層的物理硬碟進行操作時，其不再是針對於分割區進行操作，而是通過一個叫做邏輯卷的東西來對其進行底層的磁碟管理操作。比如說我增加一個物理硬碟，這個時候上層的服務是感覺不到的，因為呈現給上層服務的是以邏輯卷的方式。

LVM最大的特點就是可以對磁碟進行動態管理。因為邏輯卷的大小是可以動態調整的，而且不會丟失現有的資料。如果我們新增加了硬碟，其也不會改變現有上層的邏輯卷。作為一個動態磁碟管理機制，邏輯卷技術大大提高了磁碟管理的靈活性。基本的邏輯卷管理概念：

PV（Physical Volume）- 物理卷

物理捲在邏輯卷管理中處於最底層，它可以是實際物理硬碟上的分割區，也可以是整個物理硬碟，也可以是raid備。

VG（Volumne Group）- 卷組

捲組建立在物理卷之上，一個捲組中至少要包括一個物理卷，在捲組建立之後可動態新增物理捲到卷組中。一個邏輯卷管理系統工程中可以只有一個捲組，也可以擁有多個捲組。

LV（Logical Volume）- 邏輯卷

邏輯卷建立在捲組之上，捲組中的未分配空間可以用於建立新的邏輯卷，邏輯卷建立後可以動態地擴充套件和縮小空間。系統中的多個邏輯卷可以屬於同一個捲組，也可以屬於不同的多個捲組。

2，LVM快照原理

LVM對LV提供的快照功能，只對LVM有效。

當一個snapshot建立的時候，僅拷貝原始捲裡資料的後設資料(meta-data)。建立的時候，並不會有資料的物理拷貝，因此snapshot的建立幾乎是實時的，當原始卷上有寫操作執行時，snapshot跟蹤原始卷塊的改變，這個時候原始卷上將要改變的資料在改變之前被拷貝到snapshot預留的空間裡，因此這個原理的實現叫做寫時複製(copy-on-write)。

在寫操作寫入塊之前，將原始資料移動到 snapshot空間裡，這樣就保證了所有的資料在snapshot建立時保持一致。而對於snapshot的讀操作，如果是讀取資料塊是沒有修改過的，那麼會將讀操作直接重定向到原始卷上，如果是要讀取已經修改過的塊，那麼就讀取拷貝到snapshot中的塊。

建立snapshot的大小並不需要和原始捲一樣大，其大小僅僅只需要考慮兩個方面：從shapshot建立到釋放這段時間內，估計塊的改變數有多大;資料更新的頻率。一旦 snapshot的空間記錄滿了原始卷塊變換的資訊，那麼這個snapshot立刻被釋放，從而無法使用，從而導致這個snapshot無效。

2.1 建立快照

在快照建立的時候，僅拷貝原始捲裡資料的後設資料(meta-data)，並生成點陣圖記錄原始卷的塊資料變化。

2.2 讀寫原始卷

在建立完快照後，對原始卷的讀寫請求處理流程如下。

1，寫原始卷在原始卷的寫入資料

1）檢查Chunk點陣圖中要寫入資料所在的Chunk所對應的bitmap是否被置位； 2）如果已被置位，直接寫入該Chunk；如果未被置位，將拷貝該Chunk的資料到快照備份卷；

3）將Chunk點陣圖中對應的bitmap置位。 4）將資料寫入原始捲。

2，讀原始卷

直接從原始卷對應的Chunk中讀取資料。

2.3 讀寫快照

1，讀快照

在處理快照的讀請求時，檢查Chunk點陣圖是否置位，如果置位從快照讀取資料；如果未置位，則從原始卷讀取資料。如下圖所示：

2，寫快照

在處理快照的寫請求時，

1）檢查Chunk點陣圖是否置位，如果置位直接寫快照；

2）如果未置位，則從原始卷讀取該Chunk的資料，拷貝到快照捲； 3）將Chunk點陣圖中對應的點陣圖置位； 4）將資料寫入快照卷。

3，LVM快照實驗

1）建立1G大小的LV，名稱為lvData1，在該lv上建立檔案系統，並建立檔案。

2）建立500M大小的快照LV（lvcreate –L 500M -s -n snaplv /dev/vg/lvData1），名稱為snaplv。
建立過程很快，可以看到該LV的LVSize和原始卷是一樣的，多了一些快照的屬性，其LV snapshot status 為active，distination為LVData1。