Көлемдік таңдауды басқару әдісі

Кіріспе

Компьютерлік сақтау орнын бөлу әдісі

Компьютерлік сақтауда логикалық томды басқару немесе LVM – жаппай сақтау құрылғыларында томдарды сақтау үшін дәстүрлі бөлісу схемаларынан гөрі икемдірек орын бөлу әдісін ұсынады. Атап айтқанда, томды басқарушы бөлімдерді (немесе жалпы блокты құрылғыларды) үлкен виртуалды бөлімдерге біріктіре алады, оларды әкімшілер жүйе жұмысын тоқтатпай өзгерте немесе жылжыта алады. Томды басқару – сақтауды виртуализациялаудың көптеген түрлерінің бірі ғана; оның іске асырылуы операциялық жүйенің құрылғы драйверлерінің қабатында (сақтау құрылғыларында немесе желіде емес) жүзеге асырылады.

Дизайн

Көбінесе томдық басқарушыны (volume manager) іске асырудың негізгі дизайны бірдей болады. Олар физикалық томдардан (PV) басталады, олар қатты дискілер, дискілік бөлімдер немесе сыртқы сақтау құрылғысының логикалық бірліктері (LUN) болуы мүмкін. Томдық басқару әрбір PV-ні физикалық экстенттерден (PE) тұратын тізбек ретінде қарастырады. Кейбір томдық басқарушыларда (мысалы, HP-UX және Linux-та) PЕ-лердің мөлшері бірдей болады; ал басқаларында (мысалы, Veritas-та) PЕ-лердің мөлшері өзгеріп отырады және оларды қалауынша бөлуге және біріктіруге болады. Әдетте, PЕ-лер логикалық экстенттерге (LE) біріншілік ретінде сәйкес келеді. Көшірме жасау (mirroring) жағдайында бірнеше PЕ бір LE-ге сәйкес келеді. Бұл PЕ-лер физикалық томдық топтан (PVG) алынады, ол RAID1 массивіндегі дискілерге ұқсас әрекет ететін, бірдей мөлшердегі PV-лердің жиынтығы болып табылады. PVG-лер әдетте әртүрлі дискілерде немесе деректерді тасымалдау шиналарында орналастырылады, бұл максималды артықшылықты қамтамасыз етеді. Жүйе LE-лерді томдық топқа (VG) біріктіреді. Біріктірілген LE-лерді логикалық томдар (LV) деп аталатын виртуалды дискілік бөлімдерге біріктіруге болады. Жүйелер LV-лерді дискілік бөлімдер сияқты шикі блок құрылғылары ретінде пайдалана алады: оларда орнатылатын файлдық жүйелерді құру немесе оларды ауыстыру үшін пайдалану. Жолақты LV (striped LV) әрбір келесі LE-ді әртүрлі PV-ден бөліп алады; LE-нің мөлшеріне байланысты, бұл үлкен реттік оқуларда бірнеше PV-нің біріктірілген оқу жылдамдығын пайдаланып, өнімділікті жақсарта алады. Әкімшілер LV-лерді кеңейте алады (көптеген LE-лерді біріктіру арқылы) немесе қысқарта алады (LE-лерді жиынтыққа қайтару арқылы). Біріктірілген LE-лер міндетті түрде біріктірілген болуы керек емес. Бұл LV-лердің кеңеюіне мүмкіндік береді, ал бұрын бөлінген LE-лерді жылжыту қажет болмайды. Кейбір томдық басқарушылар LV-лердің мөлшерін онлайн режимінде екі бағытта да өзгертуге мүмкіндік береді. LV-нің мөлшерін өзгерту оның үстіндегі файлдық жүйенің мөлшерін міндетті түрде өзгертеді деп айтуға болмайды, ол тек оның сыйымдылығының мөлшерін өзгертеді. Онлайн режимінде мөлшерін өзгертуге болатын файлдық жүйе ұсынылады, себебі ол жүйеге қолданбаларды тоқтатусыз сақтауын реттеуге мүмкіндік береді. PV және LV әртүрлі VG-лер арасында бөлісе алмайды немесе оларды қамти алмайды (бірақ кейбір томдық басқарушылар оларды бір хост ішіндегі VG-лер арасында еркін жылжытуға мүмкіндік беруі мүмкін). Бұл әкімшілерге VG-лерді онлайн режимінде қосуға, оффлайн режимінде алып тастауға немесе оларды хост жүйелері арасында бір әкімшілік бірлік ретінде жылжытуға мүмкіндік береді. VG жаңа PV-лерді сіңіру арқылы немесе PV-лерден бөліну арқылы сақтау жиынтығын кеңейте алады. Бұл жағдайда бұрын бөлінген LE-лерді PV-ден жылжыту қажет болуы мүмкін. Көбінесе бұл жылжыту онлайн режимінде орындалады; егер негізгі жабдық ыстық қосылатын болса, бұл инженерлерге жүйе тоқтамай жаңартуға немесе сақтауды ауыстыруға мүмкіндік береді.

Most volume manager implementations share the same basic design. They start with physical volumes (PVs), which can be either hard disks, hard disk partitions, or Logical Unit Numbers (LUNs) of an external storage device. Volume management treats each PV as being composed of a sequence of chunks called physical extents (PEs). Some volume managers (such as that in HP UX and Linux) have PEs of a uniform size; others (such as that in Veritas) have variably sized PEs that can be split and merged at will. Normally, PEs simply map one to one to logical extents (LEs). With mirroring, multiple PEs map to each LE. These PEs are drawn from a physical volume group (PVG), a set of same sized PVs which act similarly to hard disks in a RAID1 array. PVGs are usually laid out so that they reside on different disks or data buses for maximum redundancy. The system pools LEs into a volume group (VG). The pooled LEs can then be concatenated together into virtual disk partitions called logical volumes or LVs. Systems can use LVs as raw block devices just like disk partitions: creating mountable file systems on them, or using them as swap storage. Striped LVs allocate each successive LE from a different PV; depending on the size of the LE, this can improve performance on large sequential reads by bringing to bear the combined read throughput of multiple PVs. Administrators can grow LVs (by concatenating more LEs) or shrink them (by returning LEs to the pool). The concatenated LEs do not have to be contiguous. This allows LVs to grow without having to move already allocated LEs. Some volume managers allow the re sizing of LVs in either direction while online. Changing the size of the LV does not necessarily change the size of a file system on it; it merely changes the size of its containing space. A file system that can be resized online is recommended in that it allows the system to adjust its storage on the fly without interrupting applications. PVs and LVs cannot be shared between or span different VGs (although some volume managers may allow moving them at will between VGs on the same host). This allows administrators conveniently to bring VGs online, to take them offline or to move them between host systems as a single administrative unit. VGs can grow their storage pool by absorbing new PVs or shrink by retracting from PVs. This may involve moving already allocated LEs out of the PV. Most volume managers can perform this movement online; if the underlying hardware is hot pluggable this allows engineers to upgrade or replace storage without system downtime.

Гибридтің көлемі

Гибридтік том – екі жеке физикалық томды қасақана және түсініксіз пайдаланатын кез келген том. Мысалы, жұмыс жүктемесі кездейсоқ іздеулерден тұрса, SSD жиі пайдаланылатын немесе жақында жазылған деректерді тұрақты сақтау үшін, ал сирек қажет болатын деректерді ұзақ мерзімді сақтау үшін жоғары сыйымдылықтағы айналмалы магниттік құралдарды пайдалануға болады. Linux жүйесінде bcache немесе dm кэші осы мақсатта қолданылуы мүмкін, ал OS X жүйесінде Fusion Drive қолданылуы мүмкін. ZFS осы мүмкіндікті файлдық жүйе деңгейінде де жүзеге асырады, әкімшілерге көп деңгейлі оқу/жазу кэшін конфигурациялауға мүмкіндік береді. Гибридтік томдар гибридтік дискілер ұсынатын ұқсас концепцияны білдіреді, олар да қатты күйдегі жадты және айналмалы магниттік құралдарды біріктіреді.

Шын-тұрақты суреттер

Кейбір көлемді басқарушылар әрбір LE үшін жазу кезінде көшірме жасау әдісі арқылы снэпшоттарды іске асырады. Осы схемада көлемді басқарушы LE-ні жазу кестесіне көшірмелеу алдында көшіріп алады. Бұл LV-дің бұрынғы нұсқасын, яғни снэпшотты сақтайды, оны кейінірек жазу кестесіндегі көшірмені ағымдағы LV-дің үстіне қою арқылы қалпына келтіруге болады. Егер көлемді басқару жұқа қамтамасыз ету және тастау функцияларын қолдамаса, бастапқы көлемдегі LE бір рет жазылғаннан кейін, ол снэпшот көлемінде тұрақты түрде сақталады. Егер снэпшот көлемі бастапқы көлемнен кішірек болса, бұл жиі кездесетін жағдай, онда снэпшот қолдануға жарамсыз болуы мүмкін. Снэпшоттар, мысалы, әрекетті дерекқордан кесте файлдары сияқты өздігінен тұрақты деректердің сақтық көшірмесін жасауға немесе үлкен өзгерістерді (операциялық жүйені жаңарту сияқты) бір операцияда кері қайтаруға пайдалы. Снэпшоттар сақтауды тоқтатуға ұқсас әсер етеді және Microsoft Windows-тағы көлеңкелік көшірме (VSS) қызметімен салыстырылады. Кейбір Linux негізделген Live CD-лер тек оқуға арналған оптикалық дискіге жазу мүмкіндігін симуляциялау үшін снэпшоттарды қолданады.

Қолданылу

Өндіруші Көлемді басқарушымен таныстырылды Кез келген жерге орналастыру Тездетулер RAID 0 RAID 1 RAID 5 RAID 10 Жіңішке қамтамасыз ету Ескертулер IBM AIX 3.0 (1989) Логикалық Көлемді басқарушы ПЭ-ге PP (физикалық бөлімдер) деп, LE-ге LP (логикалық бөлімдер) деп сілтеме жасайды. Жазу кезінде көшірме жасау арқылы снэпшотты жасау механизмі жоқ; айналы жұптың бір томын тоқтату арқылы снэпшоттар жасалады. Hewlett Packard HP UX 9.0 HP Логикалық Көлемді басқарушы FreeBSD Foundation FreeBSD Vinum Көлемді басқарушы FreeBSD жылдам файлдық жүйесі (UFS) снэпшоттарды қолдайды. FreeBSD Foundation FreeBSD ZFS Интеграцияланған көлемді басқарумен файлдық жүйе NetBSD Foundation, Inc. NetBSD Логикалық Көлемді басқарушы NetBSD 6.0 нұсқасынан бастап Linux LVM-ді қайта іске асыруды қолдайды. Қайта іске асыру BSD лицензиясы бар құрылғы карталау драйверіне негізделген және LVM пайдаланушы кеңістігінің бөлігі ретінде Linux lvm құралдарын пайдаланады. NetBSD-де RAID5-ті қолдаудың қажеті жоқ, себебі NetBSD-де RAIDFrame-дің жоғары деңгейлі ішкі жүйесі бар. NetBSD ZFS Интеграцияланған көлемді басқарумен файлдық жүйе (2009) bioctl arcmsr bioctl NetBSD-де аппараттық RAID-ті күтуге және инициализациялауға болады, бірақ инициализациялау (BIOCVOLOPS ioctl арқылы) 2019 жылдан бастап тек бір драйвер арқылы қолдалады – arcmsr(4); бағдарламалық RAID RAIDframe және ZFS арқылы жеке қолданады OpenBSD жобасы OpenBSD 4.2 (2007) bioctl softraid bioctl OpenBSD-де аппараттық RAID-ті күту үшін, сондай-ақ бағдарламалық RAID-ті инициализациялау және күту үшін қолдануға болады Sistina Linux 2.2 Logical Volume Manager нұсқасы 1 IBM Linux 2.4 Enterprise Volume Management System Sistina Linux 2.6 және одан жоғары Logical Volume Manager нұсқасы 2 Oracle Linux 2.6 және одан жоғары Btrfs (тұрақсыз) Интеграцияланған көлемді басқарумен файлдық жүйе Silicon Graphics IRIX немесе Linux XVM Volume Manager Sun Microsystems SunOS Solaris Volume Manager (бұрын Solstice DiskSuite). PV-ге том ретінде (ол RAID0, RAID1 немесе RAID5 примитивтерімен біріктіріліп үлкен томдарға айналдырылуы мүмкін), LV-ге жұмсақ бөлімдер ретінде (ол томдардың кез келген жеріне орналастырылатын, бірақ бірнеше томды қамтымайтын үздіріссіз кеңейтімдер) және VG-ге дискілік жиынтықтар ретінде сілтеме жасайды. Solaris 10 ZFS Интеграцияланған көлемді басқарумен файлдық жүйе illumos ZFS Интеграцияланған көлемді басқарумен файлдық жүйе Veritas Cross OS Veritas Volume Manager (VxVM) LV-ге том ретінде, VG-ге дискілік топтар ретінде сілтеме жасайды; өзгермелі өлшемді PE, субдискілер деп аталады және LE, plex деп аталады. Microsoft Windows 2000 және одан кейінгі NT негізіндегі операциялық жүйелер Логикалық дискіні басқарушы ✔ ПЭ немесе ЛЭ тұжырымы жоқ; тек RAID0, RAID1, RAID5 немесе дискілік бөлімдерді үлкен томдарға біріктіруге болады; файлдық жүйелер бүкіл томдарды қамтуы керек. Windows 8 Сақтау орындары ✔ RAID1 және RAID5 бірнеше сақтау орындарынан жоғары деңгейдегі логика, әртүрлі өлшемдегі бірнеше дискілерді қамтиды, сақтау орындары айналдыру (кем дегенде 2 дискі) немесе жолақты теңдік (кем дегенде 3 дискі) арқылы физикалық сәтсіздікке төзімді, дискілерді басқару және деректерді қалпына келтіру толығымен автоматты Windows 10 Сақтау орындары ✔ RAID 10 дискіні айналдыру деп аталады Red Hat Linux 4.14 және одан жоғары Stratis ✔ RAID қолдауы 2.0 нұсқасында жоспарланған Apple Mac OS X Lion Core Storage Қазіргі уақытта ол толық дискіні шифрлау үшін, сондай-ақ Fusion Drive үшін қолданылады, бұл жай ғана көп PV LVG. Снэпшоттар Time Machine арқылы жасалады; бағдарламалық негіздегі RAID-ті AppleRAID ұсынады. Екеуі де ядролық сақтаудан бөлек.

Vendor Introduced in Volume manager Allocate anywhere Snapshots RAID 0 RAID 1 RAID 5 RAID 10 Thin provisioning Notes IBM AIX 3.0 (1989) Logical Volume Manager Refers to PEs as PPs (physical partitions), and to LEs as LPs (logical partitions). Does not have a copy on write snapshot mechanism; creates snapshots by freezing one volume of a mirror pair. Hewlett Packard HP UX 9.0 HP Logical Volume Manager FreeBSD Foundation FreeBSD Vinum Volume Manager The FreeBSD fast file system (UFS) supports snapshots. FreeBSD Foundation FreeBSD ZFS A file system with integrated volume managementThe NetBSD Foundation, Inc. NetBSD Logical Volume Manager NetBSD from version 6.0 supports its own re implementation of Linux LVM. Re implementation is based on a BSD licensed device mapper driver and uses a port of Linux lvm tools as the userspace part of LVM. There is no need to support RAID5 in LVM because of NetBSD superior RAIDFrame subsystem. NetBSD ZFS A file system with integrated volume management (2009) bioctl arcmsr bioctl on NetBSD can be used for both maintenance and initialisation of hardware RAID, although initialisation (through BIOCVOLOPS ioctl) is only supported by a single driver as of 2019 — arcmsr(4); software RAID is supported separately through RAIDframe and ZFS The OpenBSD Project OpenBSD 4.2 (2007) bioctl softraid bioctl on OpenBSD can be used for maintenance of hardware RAID, as well as for both initialisation and maintenance of software RAID Sistina Linux 2.2 Logical Volume Manager version 1 IBM Linux 2.4 Enterprise Volume Management System Sistina Linux 2.6 and above Logical Volume Manager version 2 Oracle Linux 2.6 and above Btrfs (not stable) A file system with integrated volume management Silicon Graphics IRIX or Linux XVM Volume Manager Sun Microsystems SunOS Solaris Volume Manager (was Solstice DiskSuite). Refers to PVs as volumes (which can be combined with RAID0, RAID1 or RAID5 primitives into larger volumes), to LVs as soft partitions (which are contiguous extents placeable anywhere on volumes, but which cannot span multiple volumes), and to VGs as disk sets. Solaris 10 ZFS A file system with integrated volume management illumos ZFS A file system with integrated volume management Veritas Cross OS Veritas Volume Manager (VxVM) Refers to LVs as volumes, to VGs as disk groups; has variably sized PEs called subdisks and LEs called plexes. Microsoft Windows 2000 and later NT based operating systems Logical Disk Manager ✔ Does not have a concept of PEs or LEs; can only RAID0, RAID1, RAID5 or concatenate disk partitions into larger volumes; file systems must span whole volumes. Windows 8 Storage Spaces ✔ Higher level logic than RAID1 and RAID5 multiple storage spaces span multiple disks of different size, storage spaces are resilient from physical failure with either mirroring (at least 2 disks) or striped parity (at least 3 disks), disk management and data recovery is fully automatic Windows 10 Storage Spaces ✔ RAID 10 is called disk mirroring Red Hat Linux 4.14 and above Stratis ✔ RAID support planned in 2.0 version Apple Mac OS X Lion Core Storage Currently, it is used in Lion's implementation of FileVault, in order to allow for full disk encryption, as well as Fusion Drive, which is merely a multi PV LVG. Snapshots are handled by Time Machine; Software based RAID is provided by AppleRAID. Both are separate from Core Storage.

Кемшіліктер

Логикалық томдар негізгі сақтау құрылғылары өздерінің ПЭ-ін үздірісті орналастырмаса, сыртқы фрагментациядан зардап шегуі мүмкін. Бұл магниттік дискілер және басқа да айналмалы дискілер сияқты баяу іздеу құрылғыларында I/O өнімділігін төмендетуі мүмкін. Дегенмен, белгілі бір мөлшердегі ПЭ-ді пайдаланатын томдық басқарушылар көбінесе осы іздеулердің құнын азайту үшін ПЭ-ді салыстырмалы түрде үлкен етеді (мысалы, Linux LVM әдепкі бойынша 4 МБ пайдаланады). Тек томдық басқарумен айналысатын, мысалы Core Storage және Linux LVM сияқты жүзеге асыруларда, файл жүйесінен томдық басқаруды бөліп, абстракциялау белгілі бір файлдар немесе каталогтар үшін сақтау туралы шешімдерді қабылдау мүмкіндігін қиындатады. Мысалы, егер белгілі бір каталогты (бірақ бүкіл файл жүйесін емес) тұрақты түрде жылдам сақтауға көшіру қажет болса, файл жүйесінің құрылымын және томдық басқару қабатын қарап шығу қажет. Мысалы, Linux жүйесінде файлдың мазмұнының файл жүйесіндегі орнын қолмен анықтау керек, содан кейін осы файлға қатысы жоқ деректермен бірге, кеңейтімдерді жылдам сақтауға қолмен көшіру қажет. Томдық және файлдық басқаруды бөлек ішкі жүйелер ретінде емес, бір ішкі жүйеде жүзеге асыру теориялық тұрғыдан қарапайымдайды.