20170810 高级文件系统管理

• 文件系统配额管理
• RAID
• LVM逻辑卷管理器

一、文件系统配额管理

• 文件系统配额：在内核中启用，以文件系统为管理单位，对不同的用户和用户组设置不同的配额管理策略，配额限制单位为节点和块

• 软限制 (soft limit)：超出软限制报警，但不会禁止继续占用文件系统空间

• 硬限制 (hard limit)：超出硬限制直接禁止继续占用文件系统空间

• 初始化：

  • 分区挂载选项：
    编辑/etc/fstab文件，分区挂载选项增加usrquota（用户配额）, grpquota（用户组配额）
  • 初始化数据库：quotacheck命令

• 执行

  • 开启、取消配额：quotaon, quotaoff
  • 编辑配额 edquota

• 实验：实现在/home分区对用户hellopeiyang的磁盘配额，达到80M时报警，最多只能使用100M磁盘空间
  命令：

// step1
vim /etc/fstab    
// step 2
mount -o remount /home
// step 3
setenforce 0
quotacheck -cug /home
// step 4
quotaon /home
quotaon -p /home
edquota hellopeiyang
// step 5
su - hellopeiyang
dd if=/dev/zero of=file001 bs=1M count=81
dd if=/dev/zero of=file001 bs=1M count=150

第1步，修改/etc/fstab文件挂载点为/home的条目的挂载选项，将"defaults"改为"usrquota,grpquota"，表示挂载时开启对用户、用户组的磁盘配额选项

第2步，重新挂载后可以看到，挂载选项新增了usrquota和grpquota选项

第3步，首先用setenforce 0命令禁用会影响磁盘配额操作的SELinux，然后初始化数据库，成功后可以看到/home目录下新增加的两个数据文件

第4步，开启配额，按照要求配置hellopeiyang用户的配额，注意单位为KB。

第5步，切换至hellopeiyang用户，在用户家目录下测试配额是否测试成功。可以看到创建文件总容量超出80M时有报警信息，创建文件总容量超出100M时文件写入失败，最多只能达到配额设置的最大值。

二、RAID

（一）RAID基本概念

1. 定义：

RAID(Redundant Arrays of Independent Disks) 独立磁盘冗余阵列，多个磁盘合成一个阵列来提供更好的性能、冗余

2. 功能：

通过磁盘并行读写提高IO能力，通过磁盘冗余提高耐用性

3. 实现方式：

• 外接式RAID：通过扩展卡提供能力
• 内接式RAID：主板集成RAID控制器，安装OS前在BIOS中设置
• 软件式RAID：通过OS实现

4. RAID级别：多块磁盘组织在一起的不同工作方式

主要应用的RAID级别：

• RAID 0 ，又称条带卷
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升；
（2）可用空间：N*min(S1,S2,...)
（3）无容错能力
（4）最少磁盘数：2

• RAID 1 ，又称镜像卷
  磁盘组织方式：

（1）读性能提升、写性能略有下降；
（2）可用空间：1*min(S1,S2,...)
（3）有冗余能力
（4）最少磁盘数：2

• RAID 4
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升；
（2）可用空间：(N-1)*min(S1,S2,...)
（3）有容错能力：允许最多1块磁盘损坏，但由于校验盘故障率远高于其他磁盘，已被RAID5取代
（4）最少磁盘数：3

• RAID 5
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升
（2）可用空间：(N-1)*min(S1,S2,...)
（3）有容错能力：允许最多1块磁盘损坏
（4）最少磁盘数：3

• RAID 6
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升
（2）可用空间：(N-2)*min(S1,S2,...)
（3）有容错能力：允许最多2块磁盘损坏
（4）最少磁盘数：4

• RAID 10
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升
（2）可用空间：N*min(S1,S2,...)/2
（3）有容错能力：每组镜像最多只能坏一块
（4）最少磁盘数：4

• RAID 01
  磁盘组织方式：

（1）读、写性能提升
（2）可用空间：N*min(S1,S2,...)/2
（3）有容错能力：容错能力不及RAID10
（4）最少磁盘数：4

（二）软件RAID

1、RAID设备命名规则：

/dev/md#，#指数字，如/dev/md0, /dev/md1, /dev/md2

2、软件RAID实现

• mdadm 工具介绍：
  Linux软件RAID管理工具，支持的RAID级别：
  RAID0, RAID1, RAID4, RAID5, RAID6, RAID10

• mdadm 语法格式：
  mdadm [mode] <raiddevice> [options] <component-devices>

• mode 模式：
  创建(Create)、装配(Assemble)、监控(Monitor)、管理(Manage)

• <raiddevice> : 设备名，如/dev/md1

• <component-devices>: 任意块设备，可以是磁盘或磁盘分区

• 创建模式-C

-n #            //使用#个块设备来创建此RAID
-l #            //指明要创建的RAID的级别
-a {yes|no}     //自动创建目标RAID设备的设备文件
-c CHUNK_SIZE   //指明块大小
-x #            //指明空闲盘的个数

• 显示RAID详细信息-D，语法：mdadm -D /dev/md#

• 管理模式

-f     //标记指定磁盘损坏
-a     //添加磁盘
-r     //移除磁盘

• 观察md状态：cat /proc/mdstat

• 生成配置文件：mdadm -D -s >> /etc/mdadm.conf

• 停止设备：mdadm -S /dev/md0

• 激活设备：mdadm -A -s /dev/md0

• 强制启动：mdadm -R /dev/md0

• 删除raid信息：mdadm --zero-superblock /dev/sdb1

3、实验：软件RAID基本操作

• 现有5块硬盘/dev/sdb, /dev/sdc, /dev/sdd, /dev/sde, /dev/sdf，大小均为20G。
  （1）将五块硬盘分别分出1个1G大小的分区，先将前四块硬盘的第一个分区构建RAID5，命名为/dev/md0，其中第四块硬盘作为空闲硬盘。建立后，对RAID设备建立ext4文件系统。

fdisk /dev/sdb   fdisk /dev/sdc...    //分区时注意一定要改变system id为fd
mdadm -C /dev/md0 -a yes -l 5 -n 3 -x 1 /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1
// 含义：-C指创建，-a yes指自动创建RAID设备文件，-l 5指RAID级别为5，-n 3指活动设备数为3，
         -x 1指空闲设备数为1

（2）检查RAID设备情况，并将配置文件保存到/etc/mdadm.conf

mdadm -D /dev/md0
mdadm -D -s >> /etc/mdadm.conf

红框标注中分别表示了RAID级别，活动、空闲设备数量，chunk的默认大小，每个磁盘设备的具体状态

（3）将第五块硬盘的第一个分区加入到/dev/md0上

mdadm –G /dev/md0 –n4 -a /dev/sdf1     
//-G 指改变活动磁盘阵列的大小，-n4 指活动设备数为4，-a指添加磁盘

（4）模拟第一块硬盘出现故障，查看第四块硬盘的分区是否自动顶替故障设备

mdadm /dev/md0  -f /dev/sdb1
mdadm -D /dev/md0

红框中显示/dev/sdb1已经发生故障，而之前空闲的/dev/sde1自动顶替/dev/sdb1的位置

（5）移除故障设备

mdadm /dev/md0 -r /dev/sdb1
mdadm -D /dev/md0

红框显示故障设备/dev/sdb1已经被移除

（6）停止RAID设备

mdadm -S /dev/md0

三、LVM 逻辑卷管理器

（一）LVM逻辑卷管理器的基本概念

• LVM是在磁盘分区和文件系统之间添加的一个逻辑层，来为文件系统屏蔽下层磁盘分区布局，提供一个抽象的存储卷，在存储卷上建立文件系统

• LVM允许在多个物理设备间重新组织文件系统，创建逻辑卷的大体过程如下：

  • 将设备指定为物理卷PV(Physical Volumes)
  • 物理卷用固定大小的物理区域PE(Physical Extent)定义
  • 将一个或多个物理卷创建成为卷组VG(Volumes Group)
  • 在卷组上建立的逻辑卷LV(Logical Volumes)由PE构成
  • 在逻辑卷上建立文件系统

• LVM弹性更改逻辑卷容量原理：
  通过交换PE实现弹性更改容量，将逻辑卷的PE转移到其他逻辑卷中以降低容量，从其他逻辑卷转移PE到逻辑卷以增加容量

（二）LVM逻辑卷管理器实现

• 物理卷PV管理工具

  • 显示pv信息
    pvs：简要显示pv信息
    pvdisplay：详细显示pv信息
  • 创建pv
    pvcreate /dev/DEVICE

• 卷组VG管理工具

  • 显示卷组
    vgs：简要显示vg信息
    vgdisplay：详细显示vg信息
  • 创建卷组
    vgcreate [-s #UNIT] VG /dev/DEVICE
  • 管理卷组
    vgextend VG /dev/DEVICE 扩充卷组
    vgreduce VG /dev/DEVICE 压缩卷组
  • 删除卷组
    vgremove

• 逻辑卷LV管理工具

  • 显示逻辑卷
    lvs：简要显示lv信息
    lvdisplay：详细显示lv信息
  • 创建逻辑卷
    lvcreate -L #[UNIT] -n NAME VG： -L指定大小
    lvcreate -l #%{FREE | VG} -n NAME VG ：-l指定百分比，后跟VG指卷组总容量，FREE指卷组未用容量
  • 管理逻辑卷
    lvextend -L [+]#[UNIT] /dev/VG_NAME/LV_NAME
    lvreduce -L [-]#[UNIT] /dev/VG_NAME/LV_NAME
  • 删除逻辑卷
    lvremove /dev/VG_NAME/LV_NAME
  • 重设文件系统大小
    fsadm [options] resize device [new_size[UNIT]]
    resize2fs [options] device [new_size]：仅用于ext2, ext3, ext4

• 实验3-1：实现逻辑卷：
  有三块硬盘/dev/sdb(20GB), /dev/sdc(10GB), /dev/sdd(5GB)
  （1）创建分区/dev/sdb1(1GB), /dev/sdc1(2GB)
  （2）将/dev/sdb1, /dev/sdc1和/dev/sdd创建为物理卷
  （3）将三个物理卷创建为卷组vg0
  （4）在卷组vg0上创建两个逻辑卷：第一个逻辑卷/dev/vg0/lv0(2GB)，第二个逻辑卷/dev/vg0/lv1，其大小为卷组剩余空间的50%
  （5）给两个逻辑卷创建文件系统，均为ext4

fdisk /dev/sdb   fdisk /dev/sdc               //分区时注意一定要改变system id为8e
pvcreate /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd         //创建物理卷
vgcreate vg0 /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd     //创建卷组vg0
lvcreate -L 2G -n lv0 vg0          //创建逻辑卷lv0
lvcreate -l 50%FREE -n lv1 vg0     //创建逻辑卷lv1
mkfs -t ext4 /dev/vg0/lv0          //建立逻辑卷lv0的文件系统
mkfs -t ext4 /dev/vg0/lv1          //建立逻辑卷lv1的文件系统

• 实验3-2：扩展逻辑卷：
  接实验3-1，现在逻辑卷大小：/dev/vg0/lv0为2GB，/dev/vg0/lv1为3GB。现在需要将/dev/vg0/lv0扩展至3GB，/dev/vg0/lv1扩展至6GB。当前卷组vg0大小为8GB，无法直接扩展两个逻辑卷。另有未创建文件系统的磁盘分区/dev/sde1，大小为2GB。
  （1）将/dev/sde1加入到卷组vg0中
  （2）拓展逻辑卷lv0，并且扩展lv0的文件系统
  （3）一条命令实现拓展逻辑卷lv1和其文件系统

vgdisplay                          //查看当前卷组容量是否满足逻辑卷扩展要求
fdisk /dev/sde1                    //改变system id为8e
pvcreate /dev/sde1                 //将/dev/sde1创建为物理卷
vgextend vg0 /dev/sde1             //将/dev/sde1添加到卷组vg0中
lvextend -L +1G /dev/vg0/lv0       //将逻辑卷lv0大小添加1GB至3GB
resize2fs /dev/vg0/lv0 3G          //将逻辑卷lv0的文件系统扩展大小至3GB
lvextend -r -L 6G /dev/vg0/lv1     //将逻辑卷lv1和其文件系统一并扩展至6GB，
                                   -r选项指同步扩展文件系统大小

• 实验3-3：缩减逻辑卷：
  接实验3-2，将逻辑卷lv1的大小缩减至5GB

fsck -f /dev/vg0/lv1            //缩减逻辑卷前必须检查磁盘，-f指强制执行
resize2fs /dev/vg0/lv1 5G       //缩减逻辑卷文件系统大小
lvreduce -L 5G /dev/vg0/lv1     //缩减逻辑卷大小

• 实验3-4：从逻辑卷中删除正在使用的物理分区（或磁盘）：
  接实验3-3，当前逻辑卷lv0大小3GB、逻辑卷lv1大小5GB，卷组vg0大小10GB，卷组空闲容量2GB。物理卷/dev/sdc1大小2GB，可以直接在逻辑卷管理中删除此分区。

vgdisplay                  //查看卷组空间情况
pvdisplay                  //查看逻辑卷空间情况
pvmove /dev/sdc1     
//虽然卷组空间满足删除/dev/sdc1的要求，但/dev/sdc1的PE已经占满，所以需要将数据移动至其他物理卷
vgreduce vg0 /dev/sdc1     //卷组中删除物理卷/dev/sdc1
pvremove /dev/sdc1         //将物理卷/dev/sdc1删除

红框中显示/dev/sdc1的PE已经全部占满，需要先做数据迁移，才能从卷组中删除

• 实验3-5：迁移逻辑卷：
  接实验3-4，将逻辑卷/dev/vg0/lv1和/dev/vg0/lv2迁移至另一个服务器系统中
  （1）为了防止出现重名，将卷组改名为newvg0
  （2）将逻辑卷改名：lv0改为newlv0，lv1改为newlv1
  （3）冻结卷组newvg0
  （4）将卷组导出，拆除硬盘，安装到新的服务器中
  （5）将卷组导入到新的服务器中
  （6）启用卷组newvg

vgrename vg0 newvg0                 //卷组改名
lvrename /dev/newvg0/lv0 newlv0     //逻辑卷改名
lvrename /dev/newvg0/lv1 newlv1     //逻辑卷改名
vgchange -an newvg0                 //冻结卷组
vgexport newvg0                     //导出
------拆除硬盘，安装至新的服务器（虚拟机以虚拟磁盘文件的剪切粘贴实现）------
pvscan                              //扫描物理卷
vgimport newvg0                     //导入卷组
vgchange -ay newvg0                 //启用卷组

• 特别注意：以上实验均未涉及挂载过程，实际工作中逻辑卷必须挂载才能够正常使用，所以涉及逻辑卷扩展、缩减、删除、迁移操作前必须先卸载逻辑卷，待设置完成后再进行挂载操作，否则会导致严重的后果。

（三）LVM逻辑卷管理器快照

• 快照是特殊的逻辑卷

• 快照的工作逻辑：

  • 生成快照时只是给快照分配一定的空间，所以快照建立时间很快
  • 当原逻辑卷的内容有改变时，将旧数据复制进快照中
  • 建立的快照大小达到原逻辑卷大小的15-20%即可

• 快照必须与原逻辑卷同在一个卷组VG

• 实验3-6：逻辑卷快照的建立和恢复

1.为现有逻辑卷创建快照

lvcreate -L 300M -s -n snap-lv0 -p r /dev/vg0/lv0

2.挂载快照

mkdir -p /mnt/snap
mount -o ro /dev/vg0/snap-lv0 /mnt/snap

3.恢复快照

umount /dev/vg0/snap-lv0
umount /dev/vg0/lv0
lvconvert --merge /dev/vg0/snap-lv0

第一个红框显示的是逻辑卷lv0内文件file原内容，之后对逻辑卷lv0进行了快照操作，然后对file文件进行了修改，第二个红框显示的是修改后的file文件内容，此时恢复快照，第三个红框显示file文件内容恢复至快照前的样子。