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分类: LINUX

2016-06-28 13:25:47

  本文结合具体代码对 Linux 内核中的 device mapper 映射机制进行了介绍。Device mapper 是 Linux 2.6 内核中提供的一种从逻辑设备到物理设备的映射框架机制,在该机制下,用户可以很方便的根据自己的需要制定实现存储资源的管理策略,当前比较流行的 Linux 下的逻辑卷管理器如 LVM2(Linux Volume Manager 2 version)、EVMS(Enterprise Volume Management System)、dmraid(Device Mapper Raid Tool)等都是基于该机制实现的。理解该机制是进一步分析、理解这些卷管理器的实现及设计的基础。通过本文也可以进一步理解 Linux 系统块一级 IO的设计和实现。
Device Mapper 是 Linux2.6 内核中支持逻辑卷管理的通用设备映射机制,它为实现用于存储资源管理的块设备驱动提供了一个高度模块化的内核架构,如图 1。

  在内核中它通过一个一个模块化的 target driver 插件实现对 IO 请求的过滤或者重新定向等工作,当前已经实现的 target driver 插件包括软 raid、软加密、逻辑卷条带、多路径、镜像、快照等,图中 linear、mirror、snapshot、multipath 表示的就是这些 target driver。Device mapper 进一步体现了在 Linux 内核设计中策略和机制分离的原则,将所有与策略相关的工作放到用户空间完成,内核中主要提供完成这些策略所需要的机制。Device mapper 用户空间相关部分主要负责配置具体的策略和控制逻辑,比如逻辑设备和哪些物理设备建立映射,怎么建立这些映射关系等等,而具体过滤和重定向 IO 请求的工作由内核中相关代码完成。因此整个 device mapper 机制由两部分组成--内核空间的 device mapper 驱动、用户空间的device mapper 库以及它提供的 dmsetup 工具。在下文中,我们分内核和用户空间两部分进行介绍。

  内核部分

  Device mapper 的内核相关代码已经作为 Linux 2.6 内核发布版的一部分集成到内核源码中了,相关代码在内核源码的 driver/md/ 目录中,其代码文件可以划分为实现 device mapper 内核中基本架构的文件和实现具体映射工作的 target driver 插件文件两部分。文章下面的分析结果主要是基于上述源码文件得到的。

  用户空间部分

  Device mapper在用户空间相对简单,主要包括device mapper库和dmsetup工具。Device mapper库就是对ioctl、用户空间创建删除device mapper逻辑设备所需必要操作的封装,dmsetup是一个提供给用户直接可用的创建删除device mapper设备的命令行工具。因为它们的功能和流程相对简单,在本文中对它们的细节就不介绍了,用户空间主要负责如下工作:

  1、 发现每个mapped device相关的target device;

  2、 根据配置信息创建映射表;

  3、 将用户空间构建好的映射表传入内核,让内核构建该mapped device对应的dm_table结构;

  4、 保存当前的映射信息,以便未来重新构建。

   以下我们主要通过实例来说明dmsetup的使用,同时进一步说明device mapper这种映射机制。用户空间中最主要的工作就是构建并保存映射表,下面给出一些映射表的例子:

1)
0 1024 linear /dev/sda 204
1024 512 linear /dev/sdb 766

1536 128 linear /dev/sdc 0
2) 0 2048 striped 2 64 /dev/sda 1024 /dev/sdb 0

3) 0 4711 mirror core 2 64 nosync 2 /dev/sda 2048 /dev/sdb 1024

  例子1中将逻辑设备0~1023扇区、1024~1535扇区以及1536~1663三个地址范围分别以线形映射的方式映射到/dev/sda设备第204号扇区、/dev/sdb设备第766号扇区和/dev/sdc设备的第0号扇区开始的区域。

  例子2中将逻辑设备从0号扇区开始的,长度为2048个扇区的段以条带的方式映射的到/dev/sda设备的第 1024号扇区以及/dev/sdb设备的第0号扇区开始的区域。同时告诉内核这个条带类型的target driver存在2个条带设备与逻辑设备做映射,并且条带的大小是64个扇区,使得驱动可以该值来拆分跨设备的IO请求。

  例子3中将逻辑设备从0号扇区开始的,长度为4711个扇区的段以镜像的方式映射到/dev/sda设备的第2048个扇区以及/dev/sdb设备的第1024号扇区开始的区域。

  映射表确定后,创建、删除逻辑设备的操作就相对简单,通过dmsetup如下命令就可以完成相应的操作。

  dmsetup create 设备名 映射表文件 /* 根据指定的映射表创建一个逻辑设备 */

  dmsetup reload 设备名 映射表文件 /* 为指定设备从磁盘中读取映射文件,重新构建映射关系 */

  dmsetup remove 设备名 /* 删除指定的逻辑设备 */

  当用户空间根据映射表下达创建逻辑设备命令后,device mapper在内核中就根据传入的参数和映射关系建立逻辑地址到物理地址的映射关系。根据映射表例子1中的映射关系建立的设备如图4所示,图中的下半部分 就抽象地描绘出了按照该映射表在内核中建立的逻辑地址到物理地址的映射关系。
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