系統(tǒng)學(xué)習(xí)

IO性能對于一個系統(tǒng)的影響是至關(guān)重要的。一個系統(tǒng)經(jīng)過多項優(yōu)化以后，瓶頸往往落在數(shù)據(jù)庫；而數(shù)據(jù)庫經(jīng)過多種優(yōu)化以后，瓶頸最終會落到IO。而IO性能的發(fā)展，明顯落后于CPU的發(fā)展。Memchached也好，NoSql也好，這些流行技術(shù)的背后都在直接或者間接地回避IO瓶頸，從而提高系統(tǒng)性能。

IO系統(tǒng)的分層：

上圖層次比較多，但總的就是三部分。磁盤（存儲）、VM（卷管理）和文件系統(tǒng)。專有名詞不好理解，打個比方說：磁盤就相當(dāng)于一塊待用的空地；LVM相當(dāng)于空地上的圍墻（把空地劃分成多個部分）；文件系統(tǒng)則相當(dāng)于每塊空地上建的樓房（決定了有多少房間、房屋編號如何，能容納多少人住）；而房子里面住的人，則相當(dāng)于系統(tǒng)里面存的數(shù)據(jù)。

文件系統(tǒng)—數(shù)據(jù)如何存放？

對應(yīng)了上圖的File System和Buffer Cache。

File System（文件系統(tǒng)）：解決了空間管理的問題，即：數(shù)據(jù)如何存放、讀取。

Buffer Cache：解決數(shù)據(jù)緩沖的問題。對讀，進行cache，即：緩存經(jīng)常要用到的數(shù)據(jù)；對寫，進行buffer，緩沖一定數(shù)據(jù)以后，一次性進行寫入。

VM—磁盤空間不足了怎么辦？

對應(yīng)上圖的Vol Mgmt。

VM其實跟IO沒有必然聯(lián)系。他是處于文件系統(tǒng)和磁盤（存儲）中間的一層。VM屏蔽了底層磁盤對上層文件系統(tǒng)的影響。當(dāng)沒有VM的時候，文件系統(tǒng)直接使用存儲上的地址空間，因此文件系統(tǒng)直接受限于物理硬盤，這時如果發(fā)生磁盤空間不足的情況，對應(yīng)用而言將是一場噩夢，不得不新增硬盤，然后重新進行數(shù)據(jù)復(fù)制。而VM則可以實現(xiàn)動態(tài)擴展，而對文件系統(tǒng)沒有影響。另外，VM也可以把多個磁盤合并成一個磁盤，對文件系統(tǒng)呈現(xiàn)統(tǒng)一的地址空間，這個特性的殺傷力不言而喻。

存儲—數(shù)據(jù)放在哪兒？如何訪問？如何提高IO速度？

對應(yīng)上圖的Device Driver、IO Channel和Disk Device

數(shù)據(jù)最終會放在這里，因此，效率、數(shù)據(jù)安全、容災(zāi)是這里需要考慮的問題。而提高存儲的性能，則可以直接提高物理IO的性能

2. Logical IO vs Physical IO

邏輯IO是操作系統(tǒng)發(fā)起的IO，這個數(shù)據(jù)可能會放在磁盤上，也可能會放在內(nèi)存（文件系統(tǒng)的Cache）里。

物理IO是設(shè)備驅(qū)動發(fā)起的IO，這個數(shù)據(jù)最終會落在磁盤上。

邏輯IO和物理IO不是一一對應(yīng)的。

這部分的東西在網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng)常能看到，不過在所有IO處理中都是類似的。

IO請求的兩個階段：

等待資源階段：IO請求一般需要請求特殊的資源（如磁盤、RAM、文件），當(dāng)資源被上一個使用者使用沒有被釋放時，IO請求就會被阻塞，直到能夠使用這個資源。

使用資源階段：真正進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)生。

舉例說就是排隊和服務(wù)。

在等待數(shù)據(jù)階段，IO分為阻塞IO和非阻塞IO。

阻塞IO：資源不可用時，IO請求一直阻塞，直到反饋結(jié)果（有數(shù)據(jù)或超時）。

非阻塞IO：資源不可用時，IO請求離開返回，返回數(shù)據(jù)標(biāo)識資源不可用

在使用資源階段，IO分為同步IO和異步IO。

同步IO：應(yīng)用阻塞在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)成功傳輸或返回失敗。

異步IO：應(yīng)用發(fā)送或接收數(shù)據(jù)后立刻返回，數(shù)據(jù)寫入OS緩存，由OS完成數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，并返回成功或失敗的信息給應(yīng)用。

按照Unix的5個IO模型劃分

阻塞IO

非阻塞IO

IO復(fù)用

信號驅(qū)動的IO

異步IO

從性能上看，異步IO的性能無疑是最好的。

各種IO的特點

阻塞IO：使用簡單，但隨之而來的問題就是會形成阻塞，需要獨立線程配合，而這些線程在大多數(shù)時候都是沒有進行運算的。

非阻塞IO：采用輪詢方式，不會形成線程的阻塞。

同步IO：同步IO保證一個IO操作結(jié)束之后才會返回，因此同步IO效率會低一些，但是對應(yīng)用來說，編程方式會簡單。

異步IO：由于異步IO請求只是寫入了緩存，從緩存到硬盤是否成功不可知，因此異步IO相當(dāng)于把一個IO拆成了兩部分，一是發(fā)起請求，二是獲取處理結(jié)果。因此，對應(yīng)用來說增加了復(fù)雜性。但是異步IO的性能是所有很好的，而且異步的思想貫穿了IT系統(tǒng)放放面面。

最重要的三個指標(biāo)

IOPS

IOPS，即每秒鐘處理的IO請求數(shù)量。IOPS是隨機訪問類型業(yè)務(wù)（OLTP類）很重要的一個參考指標(biāo)。

一塊物理硬盤能提供多少IOPS？

從磁盤上進行數(shù)據(jù)讀取時，比較重要的幾個時間是：尋址時間（找到數(shù)據(jù)塊的起始位置），旋轉(zhuǎn)時間（等待磁盤旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)塊的起始位置），傳輸時間（讀取數(shù)據(jù)的時間和返回的時間）。其中尋址時間是固定的（磁頭定位到數(shù)據(jù)的存儲的扇區(qū)即可），旋轉(zhuǎn)時間受磁盤轉(zhuǎn)速的影響，傳輸時間受數(shù)據(jù)量大小的影響和接口類型的影響（不用硬盤接口速度不同），但是在隨機訪問類業(yè)務(wù)中，他的時間也很少。因此，在硬盤接口相同的情況下，IOPS主要受限于尋址時間和傳輸時間。以一個15K的硬盤為例，尋址時間固定為4ms，傳輸時間為60s/15000*1/2=2ms，忽略傳輸時間。1000ms/6ms=167個IOPS。

OS的一次IO請求對應(yīng)物理硬盤一個IO嗎？

在沒有文件系統(tǒng)、沒有VM（卷管理）、沒有RAID、沒有存儲設(shè)備的情況下，這個答案還是成立的。但是當(dāng)這么多中間層加進去以后，這個答案就不是這樣了。物理硬盤提供的IO是有限的，也是整個IO系統(tǒng)存在瓶頸的最大根源。所以，如果一塊硬盤不能提供，那么多塊在一起并行處理，這不就行了嗎？確實是這樣的。可以看到，越是高端的存儲設(shè)備的cache越大，硬盤越多，一方面通過cache異步處理IO，另一方面通過盤數(shù)增加，盡可能把一個OS的IO分布到不同硬盤上，從而提高性能。文件系統(tǒng)則是在cache上會影響，而VM則可能是一個IO分布到多個不同設(shè)備上（Striping）。

所以，一個OS的IO在經(jīng)過多個中間層以后，發(fā)生在物理磁盤上的IO是不確定的。可能是一對一個，也可能一個對應(yīng)多個。

IOPS能算出來嗎？

對單塊磁盤的IOPS的計算沒有沒問題，但是當(dāng)系統(tǒng)后面接的是一個存儲系統(tǒng)時、考慮不同讀寫比例，IOPS則很難計算，而需要根據(jù)實際情況進行測試。主要的因素有：存儲系統(tǒng)本身有自己的緩存。緩存大小直接影響IOPS，理論上說，緩存越大能cache的東西越多，在cache命中率保持的情況下，IOPS會越高。

RAID級別。不同的RAID級別影響了物理IO的效率。

讀寫混合比例。對讀操作，一般只要cache能足夠大，可以大大減少物理IO，而都在cache中進行；對寫操作，不論cache有多大，最終的寫還是會落到磁盤上。因此，100%寫的IOPS要越獄小于100%的讀的IOPS。同時，100%寫的IOPS大致等同于存儲設(shè)備能提供的物理的IOPS。

一次IO請求數(shù)據(jù)量的多少。一次讀寫1KB和一次讀寫1MB，顯而易見，結(jié)果是完全不同的。

當(dāng)時上面N多因素混合在一起以后，IOPS的值就變得撲朔迷離了。所以，一般需要通過實際應(yīng)用的測試才能獲得。

IO Response Time

即IO的響應(yīng)時間。IO響應(yīng)時間是從操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)出一個IO請求到接收到IO響應(yīng)的時間。因此，IO Response time除了包括磁盤獲取數(shù)據(jù)的時間，還包括了操作系統(tǒng)以及在存儲系統(tǒng)內(nèi)部IO等待的時間。一般看，隨IOPS增加，因為IO出現(xiàn)等待，IO響應(yīng)時間也會隨之增加。對一個OLTP系統(tǒng)，10ms以內(nèi)的響應(yīng)時間，是比較合理的。下面是一些IO性能示例：

一個8K的IO會比一個64K的IO速度快，因為數(shù)據(jù)讀取的少些。

一個64K的IO會比8個8K的IO速度快，因為前者只請求了一個IO而后者是8個IO。

串行IO會比隨機IO快，因為串行IO相對隨機IO說，即便沒有Cache，串行IO在磁盤處理上也會少些操作。

需要注意，IOPS與IO Response Time有著密切的聯(lián)系。一般情況下，IOPS增加，說明IO請求多了，IO Response Time會相應(yīng)增加。但是會出現(xiàn)IOPS一直增加，但是IO Response Time變得非常慢，超過20ms甚至幾十ms，這時候的IOPS雖然還在提高，但是意義已經(jīng)不大，因為整個IO系統(tǒng)的服務(wù)時間已經(jīng)不可取。

Throughput

為吞吐量。這個指標(biāo)衡量標(biāo)識了最大的數(shù)據(jù)傳輸量。如上說明，這個值在順序訪問或者大數(shù)據(jù)量訪問的情況下會比較重要。尤其在大數(shù)據(jù)量寫的時候。

吞吐量不像IOPS影響因素很多，吞吐量一般受限于一些比較固定的因素，如：網(wǎng)絡(luò)帶寬、IO傳輸接口的帶寬、硬盤接口帶寬等。一般他的值就等于上面幾個地方中某一個的瓶頸。

一些概念

IO Chunk Size

即單個IO操作請求數(shù)據(jù)的大小。一次IO操作是指從發(fā)出IO請求到返回數(shù)據(jù)的過程。IO Chunk Size與應(yīng)用或業(yè)務(wù)邏輯有著很密切的關(guān)系。比如像Oracle一類數(shù)據(jù)庫，由于其block size一般為8K，讀取、寫入時都此為單位，因此，8K為這個系統(tǒng)主要的IO Chunk Size。IO Chunk Size小，考驗的是IO系統(tǒng)的IOPS能力；IO Chunk Size大，考驗的時候IO系統(tǒng)的IO吞吐量。

Queue Deep

熟悉數(shù)據(jù)庫的人都知道，SQL是可以批量提交的，這樣可以大大提高操作效率。IO請求也是一樣，IO請求可以積累一定數(shù)據(jù)，然后一次提交到存儲系統(tǒng)，這樣一些相鄰的數(shù)據(jù)塊操作可以進行合并，減少物理IO數(shù)。而且Queue Deep如其名，就是設(shè)置一起提交的IO請求數(shù)量的。一般Queue Deep在IO驅(qū)動層面上進行配置。

Queue Deep與IOPS有著密切關(guān)系。Queue Deep主要考慮批量提交IO請求，自然只有IOPS是瓶頸的時候才會有意義，如果IO都是大IO，磁盤已經(jīng)成瓶頸，Queue Deep意義也就不大了。一般來說，IOPS的峰值會隨著Queue Deep的增加而增加(不會非常顯著)，Queue Deep一般小于256。

隨機訪問（隨機IO）、順序訪問（順序IO）

隨機訪問的特點是每次IO請求的數(shù)據(jù)在磁盤上的位置跨度很大（如：分布在不同的扇區(qū)），因此N個非常小的IO請求（如：1K），必須以N次IO請求才能獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

順序訪問的特點跟隨機訪問相反，它請求的數(shù)據(jù)在磁盤的位置是連續(xù)的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)起N個非常小的IO請求（如：1K）時，因為一次IO是有代價的，系統(tǒng)會取完整的一塊數(shù)據(jù)（如4K、8K），所以當(dāng)?shù)谝淮蜪O完成時，后續(xù)IO請求的數(shù)據(jù)可能已經(jīng)有了。這樣可以減少IO請求的次數(shù)。這也就是所謂的預(yù)取。

隨機訪問和順序訪問同樣是有應(yīng)用決定的。如數(shù)據(jù)庫、小文件的存儲的業(yè)務(wù)，大多是隨機IO。而視頻類業(yè)務(wù)、大文件存取，則大多為順序IO。

選取合理的觀察指標(biāo)：

以上各指標(biāo)中，不用的應(yīng)用場景需要觀察不同的指標(biāo)，因為應(yīng)用場景不同，有些指標(biāo)甚至是沒有意義的。

隨機訪問和IOPS: 在隨機訪問場景下，IOPS往往會到達瓶頸，而這個時候去觀察Throughput，則往往遠低于理論值。

順序訪問和Throughput：在順序訪問的場景下，Throughput往往會達到瓶頸（磁盤限制或者帶寬），而這時候去觀察IOPS，往往很小。

文件系統(tǒng)各有不同，其最主要的目標(biāo)就是解決磁盤空間的管理問題，同時提供高效性、安全性。如果在分布式環(huán)境下，則有相應(yīng)的分布式文件系統(tǒng)。Linux上有ext系列，Windows上有Fat和NTFS。如圖為一個linux下文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

其中VFS（Virtual File System）是Linux Kernel文件系統(tǒng)的一個模塊，簡單看就是一個Adapter，對下屏蔽了下層不同文件系統(tǒng)之間的差異，對上為操作系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口.

中間部分為各個不同文件系統(tǒng)的實現(xiàn)。

再往下是Buffer Cache和Driver。

文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

各種文件系統(tǒng)實現(xiàn)方式不同，因此性能、管理性、可靠性等也有所不同。下面為Linux Ext2（Ext3）的一個大致文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

Boot Block存放了引導(dǎo)程序。

Super Block存放了整個文件系統(tǒng)的一些全局參數(shù)，如：卷名、狀態(tài)、塊大小、塊總數(shù)。他在文件系統(tǒng)被mount時讀入內(nèi)存，在umount時被釋放。

上圖描述了Ext2文件系統(tǒng)中很重要的三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和他們之間的關(guān)系。

Inode：Inode是文件系統(tǒng)中最重要的一個結(jié)構(gòu)。如圖，他里面記錄了文件相關(guān)的所有信息，也就是我們常說的meta信息。包括：文件類型、權(quán)限、所有者、大小、atime等。Inode里面也保存了指向?qū)嶋H文件內(nèi)容信息的索引。其中這種索引分幾類：

直接索引：直接指向?qū)嶋H內(nèi)容信息，公有12個。因此如果，一個文件系統(tǒng)block size為1k，那么直接索引到的內(nèi)容最大為12k

間接索引

兩級間接索引

三級間接索引

如圖：

Directory代表了文件系統(tǒng)中的目錄，包括了當(dāng)前目錄中的所有Inode信息。其中每行只有兩個信息，一個是文件名，一個是其對應(yīng)的Inode。需要注意，Directory不是文件系統(tǒng)中的一個特殊結(jié)構(gòu)，他實際上也是一個文件，有自己的Inode，而它的文件內(nèi)容信息里面，包括了上面看到的那些文件名和Inode的對應(yīng)關(guān)系。如下圖：

Data Block即存放文件的時間內(nèi)容塊。Data Block大小必須為磁盤的數(shù)據(jù)塊大小的整數(shù)倍，磁盤一般為512字節(jié)，因此Data Block一般為1K、2K、4K。

Buffer Cache

Buffer & Cache

雖然Buffer和Cache放在一起了，但是在實際過程中Buffer和Cache是完全不同了。Buffer一般對于寫而言，也叫“緩沖區(qū)”，緩沖使得多個小的數(shù)據(jù)塊能夠合并成一個大數(shù)據(jù)塊，一次性寫入；Cache一般對于讀而且，也叫“緩存”，避免頻繁的磁盤讀取。如圖為Linux的free命令，其中也是把Buffer和Cache進行區(qū)分，這兩部分都算在了free的內(nèi)存。

Buffer Cache

Buffer Cache中的緩存，本質(zhì)與所有的緩存都是一樣，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是類似，下圖為VxSF的一個Buffer Cache結(jié)構(gòu)。

這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與memcached和Oracle SGA的buffer何等相似。左側(cè)的hash chain完成數(shù)據(jù)塊的尋址，上方的的鏈表記錄了數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)。

Buffer vs Direct I/O

文件系統(tǒng)的Buffer和Cache在某些情況下確實提高了速度，但是反之也會帶來一些負(fù)面影響。一方面文件系統(tǒng)增加了一個中間層，另外一方面，當(dāng)Cache使用不當(dāng)、配置不好或者有些業(yè)務(wù)無法獲取cache帶來的好處時，cache則成為了一種負(fù)擔(dān)。

適合Cache的業(yè)務(wù)：串行的大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，如：NFS、FTP。

不適合Cache的業(yè)務(wù)：隨機IO的業(yè)務(wù)。如：Oracle，小文件讀取。

塊設(shè)備、字符設(shè)備、裸設(shè)備

這幾個東西看得很暈，找了一些資料也沒有找到很準(zhǔn)確的說明。

從硬件設(shè)備的角度來看，

塊設(shè)備就是以塊（比如磁盤扇區(qū)）為單位收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備，它們支持緩沖和隨機訪問（不必順序讀取塊，而是可以在任何時候訪問任何塊）等特性。塊設(shè)備包括硬盤、CD-ROM 和 RAM 盤。

 字符設(shè)備則沒有可以進行物理尋址的媒體。字符設(shè)備包括串行端口和磁帶設(shè)備，只能逐字符地讀取這些設(shè)備中的數(shù)據(jù)。

從操作系統(tǒng)的角度看（對應(yīng)操作系統(tǒng)的設(shè)備文件類型的b和c），

# ls -l /dev/*lv

brw------- 1 root system 22, 2 May 15 2007 lv

crw------- 2 root system 22, 2 May 15 2007 rlv

塊設(shè)備能支持緩沖和隨機讀寫。即讀取和寫入時，可以是任意長度的數(shù)據(jù)。最小為1byte。對塊設(shè)備，你可以成功執(zhí)行下列命令：dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1。即：在設(shè)備中寫入一個字節(jié)。硬件設(shè)備是不支持這樣的操作的（最小是512），這個時候，操作系統(tǒng)首先完成一個讀取（如1K，操作系統(tǒng)最小的讀寫單位，為硬件設(shè)備支持的數(shù)據(jù)塊的整數(shù)倍），再更改這1k上的數(shù)據(jù)，然后寫入設(shè)備。

字符設(shè)備只能支持固定長度數(shù)據(jù)的讀取和寫入，這里的長度就是操作系統(tǒng)能支持的最小讀寫單位，如1K，所以塊設(shè)備的緩沖功能，這里就沒有了，需要使用者自己來完成。由于讀寫時不經(jīng)過任何緩沖區(qū)，此時執(zhí)行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1，這個命令將會出錯，因為這里的bs（block size）太小，系統(tǒng)無法支持。如果執(zhí)行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1024 count=1，則可以成功。這里的block size有OS內(nèi)核參數(shù)決定。

如上，相比之下，字符設(shè)備在使用更為直接，而塊設(shè)備更為靈活。文件系統(tǒng)一般建立在塊設(shè)備上，而為了追求高性能，使用字符設(shè)備則是更好的選擇，如Oracle的裸設(shè)備使用。

裸設(shè)備

裸設(shè)備也叫裸分區(qū)，就是沒有經(jīng)過格式化、沒有文件系統(tǒng)的一塊存儲空間。可以寫入二進制內(nèi)容，但是內(nèi)容的格式、其中信息的組織等問題，需要使用它的人來完成。文件系統(tǒng)就是建立在裸設(shè)備之上，并完成裸設(shè)備空間的管理。

CIO

CIO即并行IO（Concurrent IO）。在文件系統(tǒng)中，當(dāng)某個文件被多個進程同時訪問時，就出現(xiàn)了Inode競爭的問題。一般地，讀操作使用的共享鎖，即：多個讀操作可以并發(fā)進行，而寫操作使用排他鎖。當(dāng)鎖被寫進程占用時，其他所有操作均阻塞。因此，當(dāng)這樣的情況出現(xiàn)時，整個應(yīng)用的性能將會大大降低。如圖：

CIO就是為了解決這個問題。而且CIO帶來的性能提高直逼裸設(shè)備。當(dāng)文件系統(tǒng)支持CIO并開啟CIO時，CIO默認(rèn)會開啟文件系統(tǒng)的Direct IO，即：讓IO操作不經(jīng)過Buffer直接進行底層數(shù)據(jù)操作。由于不經(jīng)過數(shù)據(jù)Buffer，在文件系統(tǒng)層面就無需考慮數(shù)據(jù)一致性的問題，因此，讀寫操作可以并行執(zhí)行。

在最終進行數(shù)據(jù)存儲的時候，所有操作都會串行執(zhí)行，CIO把這個事情交個了底層的driver。

LVM（邏輯卷管理），位于操作系統(tǒng)和硬盤之間，LVM屏蔽了底層硬盤帶來的復(fù)雜性。最簡單的，LVM使得N塊硬盤在OS看來成為一塊硬盤，大大提高了系統(tǒng)可用性。

LVM的引入，使得文件系統(tǒng)和底層磁盤之間的關(guān)系變得更為靈活，而且更方便關(guān)系。LVM有以下特點：

統(tǒng)一進行磁盤管理。按需分配空間，提供動態(tài)擴展。

條帶化（Striped）

鏡像（mirrored）

快照（snapshot）

LVM可以做動態(tài)磁盤擴展，想想看，當(dāng)系統(tǒng)管理員發(fā)現(xiàn)應(yīng)用空間不足時，敲兩個命令就完成空間擴展，估計做夢都要笑醒：）

LVM的磁盤管理方式

LVM中有幾個很重要的概念：

 PV（physical volume）：物理卷。在LVM中，一個PV對應(yīng)就是操作系統(tǒng)能看見的一塊物理磁盤，或者由存儲設(shè)備分配操作系統(tǒng)的lun。一塊磁盤唯一對應(yīng)一個PV，PV創(chuàng)建以后，說明這塊空間可以納入到LVM的管理。創(chuàng)建PV時，可以指定PV大小，即可以把整個磁盤的部分納入PV，而不是全部磁盤。這點在表面上看沒有什么意義，但是如果主機后面接的是存儲設(shè)備的話就很有意義了，因為存儲設(shè)備分配的lun是可以動態(tài)擴展的，只有當(dāng)PV可以動態(tài)擴展，這種擴展性才能向上延伸。

VG（volume group）：卷組。一個VG是多個PV的集合，簡單說就是一個VG就是一個磁盤資源池。VG對上屏蔽了多個物理磁盤，上層是使用時只需考慮空間大小的問題，而VG解決的空間的如何在多個PV上連續(xù)的問題。

LV（logical volume）：邏輯卷。LV是最終可供使用卷，LV在VG中創(chuàng)建，有了VG，LV創(chuàng)建是只需考慮空間大小等問題，對LV而言，他看到的是一直聯(lián)系的地址空間，不用考慮多塊硬盤的問題。

有了上面三個，LVM把單個的磁盤抽象成了一組連續(xù)的、可隨意分配的地址空間。除上面三個概念外，還有一些其他概念：

PE（physical extend）: 物理擴展塊。LVM在創(chuàng)建PV，不會按字節(jié)方式去進行空間管理。而是按PE為單位。PE為空間管理的最小單位。即：如果一個1024M的物理盤，LVM的PE為4M，那么LVM管理空間時，會按照256個PE去管理。分配時，也是按照分配了多少PE、剩余多少PE考慮。

 LE（logical extend）：邏輯擴展塊。類似PV，LE是創(chuàng)建LV考慮，當(dāng)LV需要動態(tài)擴展時，每次最小的擴展單位。

對于上面幾個概念，無需刻意去記住，當(dāng)你需要做這么一個東西時，這些概念是自然而然的。PV把物理硬盤轉(zhuǎn)換成LVM中對于的邏輯（解決如何管理物理硬盤的問題），VG是PV的集合（解決如何組合PV的問題），LV是VG上空間的再劃分（解決如何給OS使用空間的問題）；而PE、LE則是空間分配時的單位。

如圖，為兩塊18G的磁盤組成了一個36G的VG。此VG上劃分了3個LV。其PE和LE都為4M。其中LV1只用到了sda的空間，而LV2和LV3使用到了兩塊磁盤。

串聯(lián)、條帶化、鏡像

串聯(lián)（Concatenation）: 按順序使用磁盤，一個磁盤使用完以后使用后續(xù)的磁盤。

條帶化（Striping）: 交替使用不同磁盤的空間。條帶化使得IO操作可以并行，因此是提高IO性能的關(guān)鍵。另外，Striping也是RAID的基礎(chǔ)。如：VG有2個PV，LV做了條帶數(shù)量為2的條帶化，條帶大小為8K，那么當(dāng)OS發(fā)起一個16K的寫操作時，那么剛好這2個PV對應(yīng)的磁盤可以對整個寫入操作進行并行寫入。

Striping帶來好處有：

并發(fā)進行數(shù)據(jù)處理。讀寫操作可以同時發(fā)送在多個磁盤上，大大提高了性能。

Striping帶來的問題：

數(shù)據(jù)完整性的風(fēng)險。Striping導(dǎo)致一份完整的數(shù)據(jù)被分布到多個磁盤上，任何一個磁盤上的數(shù)據(jù)都是不完整，也無法進行還原。一個條帶的損壞會導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)的失效。因此這個問題只能通過存儲設(shè)備來彌補。

條帶大小的設(shè)定很大程度決定了Striping帶來的好處。如果條帶設(shè)置過大，一個IO操作最終還是發(fā)生在一個磁盤上，無法帶來并行的好處；當(dāng)條帶設(shè)置國小，本來一次并行IO可以完成的事情會最終導(dǎo)致了多次并行IO。

鏡像（mirror）

如同名字。LVM提供LV鏡像的功能。即當(dāng)一個LV進行IO操作時，相同的操作發(fā)生在另外一個LV上。這樣的功能為數(shù)據(jù)的安全性提供了支持。如圖，一份數(shù)據(jù)被同時寫入兩個不同的PV。

使用mirror時，可以獲得一些好處：

讀取操作可以從兩個磁盤上獲取，因此讀效率會更好些。

數(shù)據(jù)完整復(fù)雜了一份，安全性更高。

但是，伴隨也存在一些問題:

所有的寫操作都會同時發(fā)送在兩個磁盤上，因此實際發(fā)送的IO是請求IO的2倍

由于寫操作在兩個磁盤上發(fā)生，因此一些完整的寫操作需要兩邊都完成了才算完成，帶來了額外負(fù)擔(dān)。

在處理串行IO時，有些IO走一個磁盤，另外一些IO走另外的磁盤，一個完整的IO請求會被打亂，LVM需要進行IO數(shù)據(jù)的合并，才能提供給上層。像一些如預(yù)讀的功能，由于有了多個數(shù)據(jù)獲取同道，也會存在額外的負(fù)擔(dān)。

快照（Snapshot）

快照如其名，他保存了某一時間點磁盤的狀態(tài)，而后續(xù)數(shù)據(jù)的變化不會影響快照，因此，快照是一種備份很好手段。

但是快照由于保存了某一時間點數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此在數(shù)據(jù)變化時，這部分?jǐn)?shù)據(jù)需要寫到其他地方，隨著而來回帶來一些問題。關(guān)于這塊，后續(xù)存儲也涉及到類似的問題，后面再說。

這部分值得一說的是多路徑問題。IO部分的高可用性在整個應(yīng)用系統(tǒng)中可以說是最關(guān)鍵的，應(yīng)用層可以壞掉一兩臺機器沒有問題，但是如果IO不通了，整個系統(tǒng)都沒法使用。如圖為一個典型的SAN網(wǎng)絡(luò)，從主機到磁盤，所有路徑上都提供了冗余，以備發(fā)生通路中斷的情況。

OS配置了2塊光纖卡，分別連不同交換機

SAN網(wǎng)絡(luò)配置了2個交換機

存儲配置了2個Controller，分別連不同交換機

如上圖結(jié)構(gòu)，由于存在兩條路徑，對于存儲劃分的一個空間，在OS端會看到兩個（兩塊磁盤或者兩個lun）。可怕的是，OS并不知道這兩個東西對應(yīng)的其實是一塊空間，如果路徑再多，則OS會看到更多。還是那句經(jīng)典的話，“計算機中碰到的問題，往往可以通過增加的一個中間層來解決”，于是有了多路徑軟件。他提供了以下特性：

把多個映射到同一塊空間的路徑合并為一個提供給主機

提供fail over的支持。當(dāng)一條通路出現(xiàn)問題時，及時切換到其他通路

提供load balance的支持。即同時使用多條路徑進行數(shù)據(jù)傳送，發(fā)揮多路徑的資源優(yōu)勢，提高系統(tǒng)整體帶寬。

Fail over的能力一般OS也可能支持，而load balance則需要與存儲配合，所以需要根據(jù)存儲不同配置安裝不同的多通路軟件。

多路徑除了解決了高可用性，同時，多條路徑也可以同時工作，提高系統(tǒng)性能。

Raid很基礎(chǔ)，但是在存儲系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位，所有涉及存儲的書籍都會提到RAID。RAID通過磁盤冗余的方式提高了可用性和可高性，一方面增加了數(shù)據(jù)讀寫速度，另一方面增加了數(shù)據(jù)的安全性。

RAID 0

對數(shù)據(jù)進行條帶化。使用兩個磁盤交替存放連續(xù)數(shù)據(jù)。因此可以實現(xiàn)并發(fā)讀寫，但帶來的問題是如果一個磁盤損壞，另外一個磁盤的數(shù)據(jù)將失去意義。RAID 0最少需要2塊盤。

RAID 1

對數(shù)據(jù)進行鏡像。數(shù)據(jù)寫入時，相同的數(shù)據(jù)同時寫入兩塊盤。因此兩個盤的數(shù)據(jù)完全一致，如果一塊盤損壞，另外一塊盤可以頂替使用，RAID 1帶來了很好的可靠性。同時讀的時候，數(shù)據(jù)可以從兩個盤上進行讀取。但是RAID 1帶來的問題就是空間的浪費。兩塊盤只提供了一塊盤的空間。RAID 1最少需要2塊盤。

使用多余的一塊校驗盤。數(shù)據(jù)寫入時，RAID 5需要對數(shù)據(jù)進行計算，以便得出校驗位。因此，在寫性能上RAID 5會有損失。但是RAID 5兼顧了性能和安全性。當(dāng)有一塊磁盤損壞時，RAID 5可以通過其他盤上的數(shù)據(jù)對其進行恢復(fù)。

如圖可以看出，右下角為p的就是校驗數(shù)據(jù)。可以看到RAID 5的校驗數(shù)據(jù)依次分布在不同的盤上，這樣可以避免出現(xiàn)熱點盤（因為所有寫操作和更新操作都需要修改校驗信息，如果校驗都在一個盤做，會導(dǎo)致這個盤成為寫瓶頸，從而拖累整體性能，RAID 4的問題）。RAID 5最少需要3塊盤。

RAID 6

RAID 6與RAID 5類似。但是提供了兩塊校驗盤（下圖右下角為p和q的）。安全性更高，寫性能更差了。RAID 0最少需要4塊盤。

RAID 10（Striped mirror）

RAID 10是RAID 0 和RAID 1的結(jié)合，同時兼顧了二者的特點，提供了高性能，但是同時空間使用也是最大。RAID 10最少需要4塊盤。

需要注意，使用RAID 10來稱呼其實很容易產(chǎn)生混淆，因為RAID 0+1和RAID 10基本上只是兩個數(shù)字交換了一下位置，但是對RAID來說就是兩個不同的組成。因此，更容易理解的方式是“Striped mirrors”，即：條帶化后的鏡像——RAID 10；或者“mirrored stripes”，即：鏡像后的條帶化。比較RAID 10和RAID 0+1，雖然最終都是用到了4塊盤，但是在數(shù)據(jù)組織上有所不同，從而帶來問題。RAID 10在可用性上是要高于RAID 0+1的：

RAID 0+1 任何一塊盤損壞，將失去冗余。如圖4塊盤中，右側(cè)一組損壞一塊盤，左側(cè)一組損壞一塊盤，整個盤陣將無法使用。而RAID 10左右各損壞一塊盤，盤陣仍然可以工作。

RAID 0+1 損壞后的恢復(fù)過程會更慢。因為先經(jīng)過的mirror，所以左右兩組中保存的都是完整的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)恢復(fù)時，需要完整恢復(fù)所以數(shù)據(jù)。而RAID 10因為先條帶化，因此損壞數(shù)據(jù)以后，恢復(fù)的只是本條帶的數(shù)據(jù)。如圖4塊盤，數(shù)據(jù)少了一半。

RAID 50

RAID 50 同RAID 10，先做條帶化以后，在做RAID 5。兼顧性能，同時又保證空間的利用率。RAID 50最少需要6塊盤。

總結(jié)：

RAID與LVM中的條帶化原理上類似，只是實現(xiàn)層面不同。在存儲上實現(xiàn)的RAID一般有專門的芯片來完成，因此速度上遠比LVM塊。也稱硬RAID。

如上介紹，RAID的使用是有風(fēng)險的，如RAID 0，一塊盤損壞會導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)丟失。因此，在實際使用中，高性能環(huán)境會使用RAID 10，兼顧性能和安全；一般情況下使用RAID 5（RAID 50），兼顧空間利用率和性能；

DAS、SAN和NAS

DAS：有PATA、SATA、SAS等，主要是磁盤數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

 單臺主機。在這種情況下，存儲作為主機的一個或多個磁盤存在，這樣局限性也是很明顯的。由于受限于主機空間，一個主機只能裝一塊到幾塊硬盤，而硬盤空間時受限的，當(dāng)磁盤滿了以后，你不得不為主機更換更大空間的硬盤。

 獨立存儲空間。為了解決空間的問題，于是考慮把磁盤獨立出來，于是有了DAS（Direct Attached Storage），即：直連存儲。DAS就是一組磁盤的集合體，數(shù)據(jù)讀取和寫入等也都是由主機來控制。但是，隨之而來，DAS又面臨了一個他無法解決的問題——存儲空間的共享。接某個主機的JBOD（Just a Bunch Of Disks，磁盤組），只能這個主機使用，其他主機無法用。因此，如果DAS解決空間了，那么他無法解決的就是如果讓空間能夠在多個機器共享。因為DAS可以理解為與磁盤交互，DAS處理問題的層面相對更低。使用協(xié)議都是跟磁盤交互的協(xié)議

獨立的存儲網(wǎng)絡(luò)。為了解決共享的問題，借鑒以太網(wǎng)的思想，于是有了SAN（Storage Area Network），即：存儲網(wǎng)絡(luò)。對于SAN網(wǎng)絡(luò)，你能看到兩個非常特點，一個就是光纖網(wǎng)絡(luò)，另一個是光纖交換機。SAN網(wǎng)絡(luò)由于不會之間跟磁盤交互，他考慮的更多是數(shù)據(jù)存取的問題，因此使用的協(xié)議相對DAS層面更高一些。光纖網(wǎng)絡(luò)：對于存儲來說，與以太網(wǎng)很大的一個不同就是他對帶寬的要求非常高，因此SAN網(wǎng)絡(luò)下，光纖成為了其連接的基礎(chǔ)。而其上的光纖協(xié)議相比以太網(wǎng)協(xié)議而言，也被設(shè)計的更為簡潔，性能也更高。光纖交換機：這個類似以太網(wǎng)，如果想要做到真正的“網(wǎng)絡(luò)”，交換機是基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。存儲空間可以共享，那文件也是可以共享的。NAS（Network attached storage）相對上面兩個，看待問題的層面更高，NAS是在文件系統(tǒng)級別看待問題。因此他面的不再是存儲空間，而是單個的文件。因此，當(dāng)NAS和SAN、DAS放在一起時，很容易引起混淆。NAS從文件的層面考慮共享，因此NAS相關(guān)協(xié)議都是文件控制協(xié)議。NAS解決的是文件共享的問題；SAN（DAS）解決的是存儲空間的問題。NAS要處理的對象是文件；SAN（DAS）要處理的是磁盤。為NAS服務(wù)的主機必須是一個完整的主機（有OS、有文件系統(tǒng)，而存儲則不一定有，因為可以他后面又接了一個SAN網(wǎng)絡(luò)），他考慮的是如何在各個主機直接高效的共享文件；為SAN提供服務(wù)的是存儲設(shè)備（可以是個完整的主機，也可以是部分），它考慮的是數(shù)據(jù)怎么分布到不同磁盤。NAS使用的協(xié)議是控制文件的（即：對文件的讀寫等）；SAN使用的協(xié)議是控制存儲空間的（即：把多長的一串二進制寫到某個地址）

如圖，對NAS、SAN、DAS的組成協(xié)議進行了劃分，從這里也能很清晰的看出他們之間的差別。

NAS：涉及SMB協(xié)議、NFS協(xié)議，都是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的協(xié)議。

SAN：有FC、iSCSI、AOE，都是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

DAS：有PATA、SATA、SAS等，主要是磁盤數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

從DAS到SAN，在到NAS，在不同層面對存儲方案進行的補充，也可以看到一種從低級到高級的發(fā)展趨勢。而現(xiàn)在我們常看到一些分布式文件系統(tǒng)（如hadoop等）、數(shù)據(jù)庫的sharding等，從存儲的角度來說，則是在OS層面（應(yīng)用）對數(shù)據(jù)進行存儲。從這也能看到一種技術(shù)發(fā)展的趨勢。

跑在以太網(wǎng)上的SAN

SAN網(wǎng)絡(luò)并不是只能使用光纖和光纖協(xié)議，當(dāng)初之所以使用FC，傳輸效率是一個很大的問題，但是以太網(wǎng)發(fā)展到今天被不斷的完善、加強，帶寬的問題也被不斷的解決。因此，以太網(wǎng)上的SAN或許會成為一個趨勢。

 FCIP

如圖兩個FC的SAN網(wǎng)絡(luò)，通過FCIP實現(xiàn)了兩個SAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。這個時候SAN網(wǎng)絡(luò)還是以FC協(xié)議為基礎(chǔ)，還是使用光纖。

   iFCP

通過iFCP方式，SAN網(wǎng)絡(luò)由FC的SAN網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)镮P SAN網(wǎng)絡(luò)，整個SAN網(wǎng)絡(luò)都基于了IP方式。但是主機和存儲直接使用的還是FC協(xié)議。只是在接入SAN網(wǎng)絡(luò)的時候通過iFCP進行了轉(zhuǎn)換

iSCSI

iSCSI是比較主流的IP SAN的提供方式，而且其效率也得到了認(rèn)可。

對于iSCSI，最重要的一點就是SCSI協(xié)議。SCSI（Small Computer Systems Interface）協(xié)議是計算機內(nèi)部的一個通用協(xié)議。是一組標(biāo)準(zhǔn)集，它定義了與大量設(shè)備（主要是與存儲相關(guān)的設(shè)備）通信所需的接口和協(xié)議。如圖，SCSI為block device drivers之下。

從SCIS的分層來看，共分三層：

高層：提供了與OS各種設(shè)備之間的接口，實現(xiàn)把OS如：Linux的VFS請求轉(zhuǎn)換為SCSI請求

中間層：實現(xiàn)高層和底層之間的轉(zhuǎn)換，類似一個協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

底層：完成于具體物理設(shè)備之間的交互，實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)處理。