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存储进阶笔记（二）：Linux 存储栈：从 Device Mapper、LVM 到文件系统（2024）

news 来源：原创 2025/7/20 4:36:36

记录一些平时接触到的存储知识。由于是笔记而非教程，因此内容不求连贯，有基础的同学可作查漏补缺之用。

存储进阶笔记（一）：硬件基础：HDD/SDD、JBOD、RAID 等（2024）

存储进阶笔记（二）：Linux 存储栈：从 Device Mapper、LVM 到文件系统（2024）

1 Device Mapper：内核存储基础设施
- 1.1 内核框架：物理块设备 -> 虚拟块设备
- 1.2 在内核存储栈中的位置
- 1.3 使用场景及典型应用
2 LVM：基于 Device Mapper 创建逻辑卷（设备）
- 2.1 功能
- 2.2 LVM 中的概念/术语图解
- 2.3 使用场景
- 2.4 使用教程
3 文件系统：基于物理或逻辑卷（块设备），创建和管理文件层级
- 3.1 常规文件系统：不能跨 device
- 3.2 Cross-device 文件系统
4 云计算：块存储是如何工作的
- 4.1 典型块存储产品
- 4.2 工作层次：块级别
- 4.3 使用场景和使用方式
- 4.4 基本设计
- 4.5 Ceph 块存储（RBD）的设计
  - 4.5.1 概念
  - 4.5.2 RBD 的后端存储：Ceph 对象存储
  - 4.5.3 读写流程
  - 4.5.4 客户端代码实现
参考资料

1 Device Mapper：内核存储基础设施

1.1 内核框架：`物理块设备 -> 虚拟块设备`

Device mapper（设备映射器）是 Linux 内核提供的一个框架，用于将物理块设备（physical block devices）映射到更上层的虚拟块设备（virtual block devices）。

是逻辑卷管理器（LVM）、software RAID 和 dm-crypt 磁盘加密技术的基础，
还提供了诸如文件系统快照等功能，
还可以在传递数据的同时进行修改，例如，在提供磁盘加密，或者模拟不可靠的硬件行为。

1.2 在内核存储栈中的位置

Fig. Device Mapper 在 Linux 存储栈中的位置（图中间部分）

1.3 使用场景及典型应用

dm-cache：组合使用 SSD 和 HDD 的混合卷（hybrid volume）

A hybrid volume is any volume that intentionally and opaquely makes use of two separate physical volumes. For instance, a workload may consist of random seeks so an SSD may be used to permanently store frequently used or recently written data, while using higher-capacity rotational magnetic media for long-term storage of rarely needed data. On Linux, bcache or dm-cache may be used for this purpose.
Docker – 基于 device mapper 给容器创建 copy-on-write 存储；
LVM2 – 内核最常用的一种逻辑卷管理器（logical volume manager）

2 LVM：基于 Device Mapper 创建逻辑卷（设备）

2.1 功能

Logical Volume Manager （LVM，逻辑卷管理器）1998 年引入内核，是一个基于 device mapper 的框架，为内核提供逻辑卷管理能力。

LVM 可以认为是物理磁盘和分区之上的一个很薄的软件层，能方便换盘、重新分区和备份等等管理工作。

2.2 LVM 中的概念/术语图解

Fig. LVM concepts, and how userspace file operations traverse the Linux storage stack.

2.3 使用场景

LVM 使用场景：

将多个物理卷（physical volumes）或物理盘创建为一个逻辑卷（logical volume），有点类似于 RAID0，但更像 JBOD，好处是方便动态调整卷大小。
热插拔，能在不停服的情况下添加或替换磁盘，管理非常方便。

2.4 使用教程

What is LVM2 in Linux?, medium.com, 2023

3 文件系统：基于物理或逻辑卷（块设备），创建和管理文件层级

3.1 常规文件系统：不能跨 device

常规的文件系统，例如 XFS、EXT4 等等，都不能跨多个块设备（device）。也就是说，创建一个文件系统时，只能指定一个特定的 device，比如 /dev/sda。

要跨多个盘，只能通过 RAID、JBOD、LVM 等等技术将这些块设备合并成一个逻辑卷，然后在这个逻辑卷上初始化文件系统。

3.2 Cross-device 文件系统

更高级一些的文件系统，是能够跨多个块设备的，包括，

ZFS
BTRFS

4 云计算：块存储是如何工作的

上一节已经介绍到，在块设备上初始化文件系统，就可以创建文件和目录了。这里所说的块设备 —— 不管是物理设备，还是逻辑设备 —— 穿透之后终归是一个插在本机上硬件设备。

有了虚拟化之后，情况就不一样了。比如有一类特殊的 Linux 设备，它们对操作系统呈现的确实是一个块设备，但其实底层对接的远端存储系统，而不是本机硬件设备。

在云计算中，这种存储类型称为“块存储”。

4.1 典型块存储产品

块存储（Block Storage），也称为 block-level storage，是公有云和私有云上都非常常见的一种存储。各家的叫法或产品名字可能不同，例如，

AWS EBS（Elastic Block Store）
阿里云的 SSD
Ceph RBD

4.2 工作层次：块级别

块存储工作在块级别（device-level），可以直接访问数据并实现高性能I/O。因此它提供高性能、低延迟和快速数据传输。

4.3 使用场景和使用方式

使用场景：

虚拟机系统盘
数据库磁盘

使用方式：

在块存储系统（例如 AWS EBS）中创建一个块设备，
将这个块挂载到想使用的机器上，这时呈现给这台机器的操作系统的是一个块设备（/dev/xxx），

Storage Decision. Image Source
在这个块设备上初始化文件系统（例如初始化一个 ext4 文件系统），然后就可以像普通硬盘一样使用了。

4.4 基本设计

AWS 对文件存储、对象存储和块存储有一个不错的介绍文档。其中提到的块存储的设计：

块存储将数据划分为固定大小的 block进行存储。Block 的大小在初始化块设备时指定，可以是几 KB 到几 MB；
操作系统为每个 block 分配一个唯一的地址/序号，记录在一个表中。寻址使用这个序号，因此非常快；
每个 Block 独立，可以直接访问或修改某个 block，不影响其他 blocks；
存储元数据的设计非常紧凑，以保持高效。
- 非常基本的元数据结构，确保了在数据传输过程中的最小开销。
- 搜索、查找和检索数据时，使用每个 block 的唯一标识符。
块存储不依赖文件系统，也不需要独立的进程（例如，区别于 JuiceFS [4]），由操作系统直接管理。

4.5 Ceph 块存储（RBD）的设计

4.5.1 概念

Pool：存储对象的逻辑分区（logical partitions used to store objects），有独立的 resilience/placement-groups/CRUSH-rules/snaphots 管理能力；
Image: 一个块，类似 LVM 中的一个 logical volume
PG (placement group): 存储 objects 的副本的基本单位，一个 PG 包含很多 objects，例如 3 副本的话就会有 3 个 PG，存放在三个 OSD 上；

创建一个 RBD 块设备的大致步骤：

$ ceph osd pool create {pool-name} [{pg-num} [{pgp-num}]] [replicated] \[crush-rule-name] [expected-num-objects]
$ rbd pool init {pool-name}
$ rbd create --size {size MB} {pool-name}/{image-name}

4.5.2 RBD 的后端存储：Ceph 对象存储

Ceph 的设计比较特殊，同时支持三种存储类型：

对象存储（object storage），类似 AWS S3；
文件存储（file storage），类似 JuiceFS [4]；
块存储（block storage），类似 AWS EBS。

背后，每个块存储中的 “block”（4.4 节中介绍的 block 概念），实际上最后是一个 Ceph 对象存储中的 object。也就是 Ceph 的块存储是基于 Ceph 的对象存储。

4.5.3 读写流程

Fig. Ceph RBD IO. Each object is fix-sized, e.g. 4MB by default. Image Source

4.5.4 客户端代码实现

两种使用方式，二选一：

Fig. Ceph RBD workflow. Image Source

用户态库：librbd，这会直接通过 librados 去访问 Ceph 集群；
内核态库：将 RBD 挂载到主机之后，在系统中就可以看到一个 /dev/rbd{N} 的设备，
- 可以像使用本地盘一样，在这个设备上初始化一个文件系统，然后就能在这个文件系统里面读写文件了；
- RBD 驱动会将这些文件操作转换为对 Ceph 集群的操作，比如满 4MB 的文件作为一个 object 写到 Ceph 对象存储中；
- 内核驱动源码：drivers/block/brd.c。
- 源码解读：[2,3]

参考资料

What’s the Difference Between Block, Object, and File Storage?, aws.amazon.com, 2024
Ceph-RBD 源码阅读, blog.shunzi.tech, 2019
Deep Dive Into Ceph’s Kernel Client, engineering.salesforce.com, 2024
JuiceFS 元数据引擎初探：高层架构、引擎选型、读写工作流（2024）

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