CN101620569A - 一种逻辑卷存储空间的扩展方法 - Google Patents

Abstract

一种逻辑卷存储空间的扩展方法，包含以下步骤：使用逻辑卷管理器创建逻辑卷，并按照一定比例为逻辑卷分配存储空间；在已分配的存储空间后面预留一段连续的扩展空间；在数据写入过程中，即时判断逻辑卷的存储空间是否需要扩展，直至数据写入完成；如果需要扩展，则根据对先前预留扩展空间的使用情况，通过计算空间扩展递增系数得出新的需要保留的扩展空间的大小，用以在逻辑卷管理器管理的空间范围内再保留出一段连续的扩展空间；以及，如果不需要扩展，则直接写入数据。此方法可随着数据对逻辑卷的不断写入，动态地扩展逻辑卷存储空间；并且能够有效地解决空间扩展不连续的问题，因而将扩展空间对数据读写效能的影响降到最低。

Description

一种逻辑卷存储空间的扩展方法

技术领域

本发明涉及一种逻辑卷存储空间的扩展方法，尤其涉及一种可随着数据对逻辑卷的不断写入动态、连续地扩展逻辑卷存储空间的方法。

背景技术

逻辑卷管理(英文全名：Logical Volume Management，以下简称LVM)区别于传统的磁盘分割区空间划分管理方式，其提供了更高阶、更有效率的方式来管理系统磁盘存储空间。简单来说，通过LVM的管理方式建立的宗卷能够在不破坏现有数据的前提下轻易地调整存储媒介，新的硬盘加入后能够立即将新的硬盘空间并入原本的宗卷直接使用。LVM对于大型的数据库运作环境能够提供了一个完备的存储空间环境，一般系统管理上也能够更有效地管理系统分配的可用空间。

现今，随着数据存储技术的迅猛发展，LVM技术已经得到了越来越广泛地应用。LVM可以把物理磁盘或者廉价磁盘冗余阵列(英文全名：Redundant Arrays of Inexpensive Disks，以下简称RAID)设备等多个存储设备统一管理，组成一个卷组(Volume Group，简称VG)，用户在卷组中划分出指定大小的逻辑卷(Logic Volume，简称LV)使用。卷组中使用的物理磁盘或者RAID设备，被统称为物理卷(Physical Volume，简称PV)。一个逻辑卷可以只占用一个存储设备的一部分，或者跨越多个存储设备，并且可以适当地调整存储空间大小，因此在空间利用上非常灵活，实现了存储设备的虚拟化。

下面，简单介绍一下LVM的工作方式。每一个物理卷都被划分成几个基本单元，即所谓的物理区域(Physical Extent，简称PE)。在每一个物理卷中，每一个PE都具有一个唯一的识别编号(ID号)。PE是一个物理存储设备中可以被LVM定址的最小存储单元。每一个逻辑卷也被分成一些可被定址的基本单元，即所谓的逻辑区域(Logical Extent，简称LE)。在同一个卷组中，LE的大小与PE是相同的，很显然，LE的大小对于一个卷组中的所有逻辑卷来说都是相同的。在一个物理卷中，每一个PE都具有一个唯一的ID号，但是这对于逻辑卷而言，并不一定是必需的。这是因为当这些PE的ID号不能使用时，逻辑卷可以由一些物理卷组成。因此，LE的ID号是用于识别LE以及与之相关的特定PE的。正如前面所提到的，LE与PE之间是一一对应的。每一次存储区域被定址访问或者LE的ID号被使用，都会把数据写在物理存储设备之上。

那么有关逻辑卷和逻辑卷组的所有元数据都存储到哪里去了呢？类似的，在非LVM系统中，有关分区的数据是存储在分区表中，而分区表被存储在了每一个物理卷的起始位置。卷组描述符区域(Volume Group DescriptorArea，简称VGDA)的功能就好像是LVM的分区表，它存储在每一个物理卷的起始处。当系统启动逻辑卷时，卷组也被启动，并且卷组描述符区域被载入至存储器。卷组描述符区域帮助识别逻辑卷的实际存储位置。当系统想要访问存储设备时，由卷组描述符区域建立起来的映射机制就用以访问实际的物理位置来执行输入/输出(I/O)作业。

然而，公知技术的这种做法仍然存有诸多缺陷，特别是逻辑卷依然仿照了物理设备的特点，在开始创立远端卷时，就分配了足够的存储空间给此逻辑卷使用。这个已分配的存储空间，不论此逻辑卷是否已经使用，都不能再被其他的逻辑卷使用。例如：建立一个逻辑卷之前，预计此逻辑卷需要支援256GB的存储空间，但实际上只用到64GB的数据，剩余的空间就被浪费掉了。

虽然，目前很多逻辑卷管理器(Logical Volume Manager)都支援逻辑卷存储空间的收缩和扩展功能，但是逻辑卷存储空间的收缩功能，在实际应用中很少用到，这是因为很难预料到剩余的空间是否还会被使用；而目前逻辑卷存储空间的扩展功能，只能在存储空间不够用时，由管理员手动完成，增加了管理成本，此外，现有的逻辑卷空间扩展方法，还会引起空间不连续的问题，以致影响数据读写效能。因此，目前公知的LVM技术中依然没有一种有效的逻辑卷存储空间的扩展方法能够克服从建立远端卷开始就必须分配足够大的存储空间所带来的弊端。

发明内容

为了解决上述公知技术中的问题与缺陷，本发明的目的在于提供一种逻辑卷存储空间的扩展方法，可随着数据对逻辑卷的不断写入，自动、及时地扩展逻辑卷存储空间，并且能够有效地解决空间扩展不连续的问题，因而将扩展空间对数据读写效能的影响降到最低。

本发明所提供的一种逻辑卷存储空间的扩展方法，包含以下步骤：

使用逻辑卷管理器创建逻辑卷，并按照分配用户指定空间的比例为逻辑卷分配存储空间；在已分配的存储空间后面预留一段连续的扩展空间；在数据写入过程中，即时判断逻辑卷的存储空间是否需要扩展，直至数据写入完成，其中当扩展空间的剩余空间量低于一个预定比例值，但数据写入尚未完成之时，可判断此逻辑卷的存储空间需要扩展；如果需要扩展，则根据对先前预留扩展空间的使用情况，通过计算空间扩展递增系数得出新的需要保留的扩展空间的大小，用以在逻辑卷管理器管理的空间范围内再保留出一段连续的扩展空间；以及，如果不需要扩展，则直接写入数据。

综上所述，本发明的优点在于：

本发明旨在设计一种逻辑卷存储空间的扩展方法，此方法可随着数据对逻辑卷的不断写入，动态地扩展逻辑卷存储空间；并且能够有效地解决空间扩展不连续的问题，因而将扩展空间对数据读写效能的影响降到最低。

如此，当应用程序找到的一个几兆兆字节(TB)的逻辑卷时，其在存储系统上可能只分配了几个千兆字节(GB)的空间，随着应用程序不断写入数据，空间可自动及时地扩展，实现了存储空间百分之百的利用率，因此这种自动及时的扩展方式，既节约了磁盘空间，又节省了管理成本。而且，采用这种新的逻辑卷管理方式后，结合远端复制也能够产生明显的有益效果，即：只需要同步实际的数据即可，大大节省了网络带宽与存储空间。

采用本发明的逻辑卷存储空间的动态扩展方法后，能够具有应用上数据读写在地址上连续的优点。如果每次都是在存储空间不足的时候，一次扩展一个或者几个物理区域(PE)，那么用户一次写入的数据很有可能会跨越数个不连续的扩展空间，进而影响数据读写效能。使用本发明中的逻辑卷存储空间的动态扩展方法，则每次预留的连续扩展空间可以保证用户一次写入的数据在此预留空间段内连续扩展。

附图说明

图1为根据本发明的一种逻辑卷存储空间的扩展方法的方法流程图；以及

图2为根据本发明中的计算空间扩展递增系数的方法流程图。

具体实施方式

以下，将结合图式部分对本发明的较佳实施方式作详细说明。

现在请参考图1，此图为根据本发明的一种逻辑卷存储空间的扩展方法的方法流程图，如图所示，本发明的逻辑卷存储空间的动态扩展方法，包含以下步骤：

使用逻辑卷管理器创建逻辑卷，并按照分配用户指定空间的比例为逻辑卷分配存储空间，如步骤100，其中，分配用户指定空间的比例可由用户或系统管理员自由设定，也可以是系统预设值；

在已分配的存储空间后面预留一段连续的扩展空间，如步骤200，其中，初次预留的扩展空间的大小，可由系统管理员根据需要设定；

当有新的数据请求写入，如步骤300时，判断逻辑卷的存储空间是否需要扩展，如步骤400；

如果需要扩展，则根据对先前预留扩展空间的使用情况，通过计算空间扩展递增系数得出新的需要保留的扩展空间的大小，用以在逻辑卷管理器管理的空间范围内再保留出一段连续的扩展空间，如步骤500，而后写入数据，如步骤600；

如果不需要扩展，则直接写入数据，如步骤600；以及

判断是否还有新的数据请求写入，如步骤700，如果有，则返回步骤400；如果没有，则结束。

其中，当扩展空间的剩余空间量低于一预定比例值(可由用户或系统管理员根据需要设定)，但数据写入尚未完成之时，可判断逻辑卷的存储空间需要扩展。

图2为根据本发明中的计算空间扩展递增系数的方法流程图。如图所示，本发明中计算空间扩展递增系数的方法包含如下步骤：

记录一段时间范围内每个数据写入周期内的空间扩展量，如步骤501；

判断在此时间范围内每个数据写入周期内的空间扩展量的波动性大小，如步骤502；

如果空间扩展量的波动性小，则对空间扩展量进行累加，再用累加值除以周期总数，用以得出空间扩展递增系数，如步骤503；

如果空间扩展量的波动性大，则以m个数据写入周期为一个计量单位，依次对之前的n个数据写入周期进行分组，如步骤504；

统计每个计量单位内的空间扩展量，并按照时间的先后顺序，对计量单位内的数据赋予从低到高的权值，如步骤505；

对n/m个计量单位按照空间扩展量进行分组，将空间扩展量接近的计量单位分在同一个组，并且相应地赋予较高的权值，如步骤506；以及

根据权值高低计算空间扩展量总和后，求出平均值，再加上一个计算偏差系数，用以得出空间扩展递增系数，如步骤507。

其中，m为用户要求保证未来数据连续写入的数据写入周期的个数，n和m的值可由用户或系统管理员根据计算需要自行设定，但n应当可被m整除。

下面，将从四个方面并结合实例对本发明的逻辑卷存储空间的扩展方法的目的、特征及优点进行详细描述：

1、创建逻辑卷

用户创建逻辑卷的时候，指定需要的逻辑卷存储空间的大小。这个空间大小，一般是用户预计的最大需要支援空间。逻辑卷管理器在创建逻辑卷的时候，分配用户指定空间中一定比例的空间。其余空间随着数据的不断写入，自动进行扩展，最大可扩展到用户已指定的空间大小。创建逻辑卷的时候，分配用户指定空间的比例，可以由用户或者系统管理员自由设定。系统管理员也可以不设置这个选项，而采用系统的预设值。例如，采用系统预设值：5％，则用户指定的1兆兆字节(TB)的逻辑卷，创建的时候分配大约50千兆字节(GB)的空间就够了。

为了保证应用的连续性，需要在已分配的存储空间后面保留一段连续的扩展空间。这样，在已分配的存储空间用完的时候，可以保证扩展空间是在逻辑连续的地址上进行分配。保留的扩展空间，只是为此逻辑卷预留，并不是此逻辑卷已经分配的存储空间。实际扩展后的空间，才计算入此逻辑卷的已分配空间。保留的扩展空间的大小，可以由系统管理员设定。

保留的扩展空间使用完后，我们需要在逻辑卷管理器管理的空间范围内再保留出一段连续的扩展空间。计算再次保留的扩展空间的大小，在本发明中采用一种空间扩展递增系数的计算方法，用以保证不保留大量存储空间的情况下数据的可连续访问性。仍以上面的实例说明：假如用户指定的1兆兆字节(TB)的逻辑卷，创建的时候分配了大约50千兆字节(GB)的空间，保留了10千兆字节(GB)的扩展空间，当保留的扩展空间使用完后，将根据对保留扩展空间的使用情况，计算出新的需要保留的扩展空间的大小。

为逻辑卷保留的扩展空间，由于实际上仍然是尚未分配的存储空间。因此，在存储资源紧张的时候，可由系统管理员决定此保留的扩展空间是否可以被其他逻辑卷使用。

2、计算空间扩展递增系数

数据产生与访问一般都会有一个周期。例如，一个数据中心以一天为一个周期，数据访问通常也是对某天的数据的访问，或者某几天的数据的集中访问。

记录一段时间范围内每个周期内的空间扩展量。

如果在这段时间范围内，每个周期内的空间扩展量的波动性不大，则对空间扩展量进行累加，再用累加值除以周期总数，得到的值就是空间扩展递增系数，此系数表示一个周期内准确的空间扩展量。利用此空间扩展递增系数，便可以计算得出要保证后续一个周期或者几个周期内数据连续访问所需要保留的扩展空间大小。

另外，如果在记录的时间范围内，每个周期内的空间扩展量的波动性较大，则为了保证对每个周期内数据的连续访问，就不能再使用上面的简单方法计算扩展空间的大小。此种情况下计算出空间扩展递增系数将取决于两个关键因素：第一，最近周期内的空间扩展量，是对计算新的保留扩展空间的大小影响较大；第二，对一定周期内的空间扩展量进行分组，成员最多的组，也就是出现频率最高的空间扩展量，对计算后续的保留扩展空间的大小影响也很大。具体的计算方法举例说明如下：以用户要求保证未来3个周期内的数据连续访问为例，对之前15个周期内的空间扩展情况进行分析，确定未来3个周期将需要的扩展空间大小。依次对数据分组，以3个周期为一个计量单位，则之前的15个周期共有5个计量单位，统计每个计量单位内的空间扩展量，按照时间的先后顺序，对计量单位内的数据赋予从低到高的权值。此外，对5个计量单位按照空间扩展量进行分组，例如：有2个计量单位内的空间扩展量接近，而其他3个计量单位的空间扩展量差别较大，则这两个空间扩展量接近的计量单位被分在同一个组，并且这两个计量单位内也要相应地被赋予较高的权值，然后，根据权值高低计算空间扩展量总和后，求出平均值，再加上一个计算偏差系数，即可得出为保证未来3个周期数据连续写入需要保留的扩展空间大小。

3、自动扩展时机的说明

要保证N个周期内数据的连续访问，在每个周期的空间扩展量比较稳定的情况下，只需要在N个周期过后开始保留新的扩展空间即可。因为预留的连续扩展空间，可以保证这N个周期的连续扩展。保留新的扩展空间时，需要计算新的扩展空间位置与大小。因为其后的连续地址可能已经被其他的逻辑卷占用，因此需要计算新的扩展空间位置，而新的扩展空间大小，则可根据前面的空间扩展量情况通过上述计算方法产生。上次保留的但是未用尽的扩展空间，可以由系统管理员指定策略，以决定是继续供此逻辑卷使用，还是返还给逻辑卷管理器。

为了避免偶然的数据量激增以致用尽预留的扩展空间的极端情况发生，本发明的逻辑卷存储空间的扩展方法还需要增加一个保护机制，即：当所预留的扩展空间的剩余空间量低于一定比例值，但N个周期尚未结束的时候，提前开始保留新的扩展空间。

4、数据读写连续性的说明

逻辑卷存储空间对用户而言，是一段连续的存储空间。这段连续的存储空间，在逻辑卷管理器的管理层可能连续，也可能不连续。逻辑卷管理器的管理层，一般是对连续的物理地址依次赋予逻辑地址，因此逻辑卷管理器的管理层的空间连续基本上可以保证物理地址上的连续性。

采用本发明的逻辑卷存储空间的扩展方法后，虽然整个逻辑卷空间地址在逻辑卷管理器的管理层不再连续，但是可以保证每个数据访问周期内的空间地址在逻辑卷管理器的管理层连续。在实际应用中，对整个逻辑卷从头到尾一次性连续访问的应用场合很少，一般都是针对某个周期或者某几个周期内数据的连续访问。这样，本发明的逻辑卷存储空间的扩展方法就基本保证了每次数据访问的连续性。

Claims (7)

1.一种逻辑卷存储空间的扩展方法，包含以下步骤：

使用逻辑卷管理器创建一逻辑卷，并按照分配用户指定空间的比例为该逻辑卷分配一存储空间；

在已分配的该存储空间后面预留一段连续的扩展空间；

在数据写入过程中，即时判断该逻辑卷的存储空间是否需要扩展，直至数据写入完成，其中当扩展空间的剩余空间量低于一预定比例值，但数据写入尚未完成之时，可判断该逻辑卷的存储空间需要扩展；

如果需要扩展，则根据对先前预留扩展空间的使用情况，通过计算空间扩展递增系数得出新的需要保留的扩展空间的大小，用以在逻辑卷管理器管理的空间范围内再保留出一段连续的扩展空间；以及

如果不需要扩展，则直接写入数据。

2.如权利要求1所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中计算空间扩展递增系数包含如下步骤：

记录一段时间范围内每个数据写入周期内的空间扩展量；

判断在该时间范围内每个数据写入周期内的空间扩展量的波动性大小；以及

如果该空间扩展量的波动性小，则对空间扩展量进行累加，再用累加值除以周期总数，用以得出空间扩展递增系数。

3.如权利要求2所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中计算空间扩展递增系数还包含如下步骤：

如果该空间扩展量的波动性大，则以m个数据写入周期为一个计量单位，依次对之前的n个数据写入周期进行分组；

统计每个计量单位内的空间扩展量，并按照时间的先后顺序，对计量单位内的数据赋予从低到高的权值；

对n/m个计量单位按照空间扩展量进行分组，将空间扩展量接近的计量单位分在同一个组，并且相应地赋予较高的权值；以及

根据权值高低计算空间扩展量总和后，求出平均值，再加上一个计算偏差系数，用以得出空间扩展递增系数。

4.如权利要求3所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中m为用户要求保证未来数据连续写入的数据写入周期的个数，n和m的值可由用户或系统管理员根据计算需要自行设定，但n应当可被m整除。

5.如权利要求1所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中分配用户指定空间的比例系由用户或系统管理员自由设定。

6.如权利要求1所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中分配用户指定空间的比例为一系统预设值。

7.如权利要求1所述的逻辑卷存储空间的扩展方法，其中初次预留的扩展空间的大小，可由系统管理员设定。

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