Linux 内核中的 Device Mapper 机制

Posted 2020-06-25 szllq2000

http://www.68idc.cn/help/server/linux/20141127133367.html

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

 

 

简介： 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。

图1 Device Mapper的内核体系架构

 

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。

重要概念

Device mapper 在内核中作为一个块设备驱动被注册的，它包含三个重要的对象概念，，mapped device、映射表、target device。Mapped device 是一个逻辑抽象，可以理解成为内核向外提供的逻辑设备，它通过映射表描述的映射关系和 target device 建立映射。从 Mapped device 到一个 target device 的映射表由一个多元组表示，该多元组由表示 mapped device 逻辑的起始地址、范围、和表示在 target device 所在物理设备的地址偏移量以及target 类型等变量组成（这些地址和偏移量都是以磁盘的扇区为单位的，即 512 个字节大小）。Target device 表示的是 mapped device 所映射的物理空间段，对 mapped device 所表示的逻辑设备来说，就是该逻辑设备映射到的一个物理设备。Device mapper 中这三个对象和 target driver 插件一起构成了一个可迭代的设备树。在该树型结构中的顶层根节点是最终作为逻辑设备向外提供的 mapped device，叶子节点是 target device 所表示的底层物理设备。最小的设备树由单个 mapped device 和 target device 组成。每个 target device 都是被mapped device 独占的，只能被一个 mapped device 使用。一个 mapped device 可以映射到一个或者多个 target device 上，而一个 mapped device 又可以作为它上层 mapped device的 target device 被使用，该层次在理论上可以在 device mapper 架构下无限迭代下去。

图2 Device mapper 内核中各对象的层次关系

 

在图2 中我们可以看到 mapped device1 通过映射表和 a、b、c 三个 target device 建立了映射关系，而 target device a 又是通过 mapped device 2 演化过来，mapped device 2 通过映射表和 target device d 建立映射关系。

我们进一步看一下上述三个对象在代码中的具体实现，dm.c 文件定义的 mapped_device 结构用于表示 mapped device，它主要包括该 mapped device 相关的锁，注册的请求队列和一些内存池以及指向它所对应映射表的指针等域。Mapped device 对应的映射表是由 dm_table.c 文件中定义的 dm_table 结构表示的，该结构中包含一个 dm_target结构数组，dm_target 结构具体描述了 mapped_device 到它某个 target device 的映射关系。而在 dm_table 结构中将这些 dm_target 按照 B 树的方式组织起来方便 IO 请求映射时的查找操作。Dm_target 结构具体记录该结构对应 target device 所映射的 mapped device 逻辑区域的开始地址和范围，同时还包含指向具体 target device 相关操作的 target_type 结构的指针。Target_type 结构主要包含了 target device 对应的 target driver 插件的名字、定义的构建和删除该类型target device的方法、该类target device对应的IO请求重映射和结束IO的方法等。而表示具体的target device的域是dm_target中的private域，该指针指向mapped device所映射的具体target device对应的结构。表示target device的具体结构由于不同的target 类型而不同，比如最简单的线性映射target类型对应target device的结构是dm-linear.c文件中定义的linear_c结构。其定义如下：

 

struct linear_c { struct dm_dev *dev; sector_t start; };

 

该target device的定义相当简单，就只包括了表示对应物理设备的dm_dev结构指针和在该物理设备中以扇区为单位的偏移地址start。上述几个数据结构关系如图3所示：

图3 device mapper中几个重要数据结构的关系

 

内核中建立过程

在下面我们结合具体的代码简要介绍下在内核中创建一个mapped device的过程：

1、 根据内核向用户空间提供的ioctl 接口传来的参数，用dm-ioctl.c文件中的dev_create函数创建相应的mapped device结构。这个过程很简单，主要是向内核申请必要的内存资源，包括mapped device和为进行IO操作预申请的内存池，通过内核提供的blk_queue_make_request函数注册该mapped device对应的请求队列dm_request。并将该mapped device作为磁盘块设备注册到内核中。

2、 调用dm_hash_insert将创建好的mapped device插入到device mapper中的一个全局hash表中，该表中保存了内核中当前创建的所有mapped device。

3、 用户空间命令通过ioctl调用table_load函数，该函数根据用户空间传来的参数构建指定mapped device的映射表和所映射的target device。该函数先构建相应的dm_table、dm_target结构，再调用dm-table.c中的dm_table_add_target函数根据用户传入的参数初始化这些结构，并且根据参数所指定的target类型，调用相应的target类型的构建函数ctr在内存中构建target device对应的结构，然后再根据所建立的dm_target结构更新dm_table中维护的B树。上述过程完毕后，再将建立好的dm_table添加到mapped device的全局hash表对应的hash_cell结构中。

4、 最后通过ioctl调用do_resume函数建立mapped device和映射表之间的绑定关系，事实上该过程就是通过dm_swap_table函数将当前dm_table结构指针值赋予mapped_device相应的map域中，然后再修改mapped_device表示当前状态的域。

通过上述的4个主要步骤，device mapper在内核中就建立一个可以提供给用户使用的mapped device逻辑块设备。

IO流

Device mapper本质功能就是根据映射关系和target driver描述的IO处理规则，将IO请求从逻辑设备mapped device转发相应的target device上。Device mapper处理所有从内核中块一级IO子系统的generic_make_request和submit_bio接口[两个接口具体的描述可以查看参考文献[1]和[2]，这两本书对内核中的块IO层有比较详尽的讲解。] 中定向到mapped device的所有块读写IO请求。IO请求在device mapper的设备树中通过请求转发从上到下地进行处理。当一个bio请求在设备树中的mapped deivce向下层转发时，一个或者多个bio的克隆被创建并发送给下层target device。然后相同的过程在设备树的每一个层次上重复，只要设备树足够大理论上这种转发过程可以无限进行下去。在设备树上某个层次中，target driver结束某个bio请求后，将表示结束该bio请求的事件上报给它上层的mapped device，该过程在各个层次上进行直到该事件最终上传到根mapped device的为止，然后device mapper结束根mapped device上原始bio请求，结束整个IO请求过程。

Bio在device mapper的设备树进行逐层的转发时，最终转发到一个或多个叶子target节点终止。因为一个bio请求不可以跨多个target device(亦即物理空间段)， 因此在每一个层次上，device mapper根据用户预先告知的mapped device 的target映射信息克隆一个或者多个bio，将bio进行拆分后转发到对应的target device上。这些克隆的bio先交给mapped device上对应的target driver上进行处理，根据target driver中定义的IO处理规则进行IO请求的过滤等处理，然后再提交给target device完成。上述过程在dm.c文件中的dm_request函数中完成。Target driver可以对这些bio做如下处理：

１、 将这些bio在本驱动内部排队等待以后进行处理；

２、 将bio重新定向到一个或多个target device上或者每个target device上的不同扇区；

３、 向device mapper返回error 状态。

IO请求就按照上文中描述的过程在图2中所示的设备树中逐层进行处理，直到IO请求结束。

小结

Device mapper在内核中向外提供了一个从逻辑设备到物理设备的映射架构，只要用户在用户空间制定好映射策略，按照自己的需要编写处理具体IO请求的target driver插件，就可以很方便的实现一个类似LVM的逻辑卷管理器。Device mapper以ioctl的方式向外提供接口，用户通过用户空间的device mapper库，向device mapper的字符设备发送ioctl命令，完成向内的通信。它还通过ioctl提供向往的事件通知机制，允许target driver将IO相关的某些事件传送到用户空间。