LVM ใน Linux: physical volume, volume group และ logical volume ในทางปฏิบัติ

LVM (Logical Volume Manager) คือตัวจัดการโวลุ่มตรรกะบน Linux ที่แยกระบบไฟล์ออกจากดิสก์ทางกายภาพ แทนที่จะผูก /var ไว้กับพาร์ติชัน /dev/sdb1 ตายตัว คุณนำดิสก์มารวมในพูลกลาง แล้วตัดโวลุ่มขนาดที่ต้องการออกจากพูลนั้น เมื่อพื้นที่ไม่พอ โวลุ่มขยายได้ด้วยคำสั่งเดียว โดยไม่ต้องรีบูตและไม่ต้องหยุดบริการ ด้านล่างจะอธิบายว่า LVM บน Linux ทำงานอย่างไร วิธีสร้างโวลุ่มตั้งแต่ต้น วิธีขยาย วิธีสร้างสแนปชอต และวิธีหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ทำไมต้องใช้ LVM ในเมื่อมีพาร์ติชันธรรมดาอยู่แล้ว

พาร์ติชันธรรมดาคือช่วงต่อเนื่องของดิสก์เพียงลูกเดียว ขนาดถูกกำหนดตอนแบ่งพาร์ติชัน และจะขยายได้ก็ต่อเมื่อมีพื้นที่ว่างต่อจากมันทันที เมื่อดิสก์เต็ม ต้องซื้อดิสก์ใหม่ ย้ายข้อมูล และแก้ /etc/fstab ในขณะที่บริการต้องหยุดทำงานไปด้วย

LVM แก้ปัญหาสามอย่าง:

• ขนาดยืดหยุ่น. โวลุ่มตรรกะขยายได้ (และสำหรับ ext4 ลดได้) ได้ทุกเมื่อ
• รวมดิสก์. ดิสก์ทางกายภาพหลายลูกกลายเป็นพูลเดียว และโวลุ่มหนึ่งอาจอยู่บนสองดิสก์ได้พร้อมกัน
• สแนปชอต. ภาพถ่ายโวลุ่ม ณ ขณะหนึ่งก่อนการอัปเดต การย้ายฐานข้อมูล หรือการดำเนินการที่มีความเสี่ยง

ด้วยเหตุนี้ตัวติดตั้งของ Ubuntu Server, RHEL, Rocky และ AlmaLinux จึงเสนอ LVM เป็นค่าเริ่มต้น และบนเซิร์ฟเวอร์ที่เก็บข้อมูลแทบทุกเครื่องก็ใช้ LVM

สามระดับของ LVM: PV, VG และ LV

ตรรกะทั้งหมดของ LVM สรุปได้เป็นสามแนวคิด ตัวอย่างเปรียบเทียบที่เข้าใจง่าย: ดิสก์คือถุงแป้ง กลุ่มคือคลังกลาง และโวลุ่มตรรกะคือแป้งที่ตักออกจากคลังตามปริมาณที่ต้องการ

ภายใน VG พื้นที่ถูกแบ่งเป็นเอกซ์เทนต์ (PE, physical extents) ซึ่งเป็นบล็อกขนาดคงที่ ค่าเริ่มต้นคือ 4 MiB โวลุ่มตรรกะเป็นเพียงชุดของเอกซ์เทนต์ที่ไม่จำเป็นต้องเรียงติดกัน และอาจอยู่บนดิสก์ต่างลูกกัน นี่คือเหตุผลที่ขยายโวลุ่มได้ง่าย LVM เพียงแค่เพิ่มเอกซ์เทนต์ว่างให้โวลุ่มจากที่ใดก็ได้

โวลุ่มตรรกะเข้าถึงได้ด้วยพาธสองแบบที่เทียบเท่ากัน: /dev/data_vg/app และ /dev/mapper/data_vg-app เบื้องหลังเป็นอุปกรณ์ device-mapper ของเคอร์เนล

ตรวจสอบสิ่งที่มีอยู่

ตรวจก่อนว่าติดตั้งแพ็กเกจแล้ว: บน Debian และ Ubuntu คือ lvm2 (sudo apt install lvm2) ส่วนในตระกูล RHEL ติดตั้งมาพร้อมระบบ มีคำสั่งแบบสั้นและแบบละเอียดสำหรับดูภาพรวม:

$ sudo pvs
  PV         VG      Fmt  Attr PSize   PFree
  /dev/sdb   data_vg lvm2 a--  <20.00g      0
  /dev/sdc   data_vg lvm2 a--  <20.00g  <10.00g

$ sudo vgs
  VG      #PV #LV #SN Attr   VSize  VFree
  data_vg   2   1   0 wz--n- 39.99g <10.00g

$ sudo lvs
  LV   VG      Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%
  app  data_vg -wi-ao---- 30.00g

รายละเอียดเพิ่มเติมแสดงด้วย pvdisplay, vgdisplay และ lvdisplay ภาพรวมพร้อมพาร์ติชันธรรมดาดูได้ด้วย lsblk โวลุ่มตรรกะจะปรากฏเป็นชนิด lvm

$ lsblk /dev/sdb /dev/sdc
NAME             MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sdb                8:16   0  20G  0 disk
└─data_vg-app    253:0    0  30G  0 lvm  /srv/app
sdc                8:32   0  20G  0 disk
└─data_vg-app    253:0    0  30G  0 lvm  /srv/app

ที่นี่โวลุ่ม app ขนาด 30 GB วางอยู่บนดิสก์สองลูกขนาด 20 GB ทั้งคู่ ซึ่งทำไม่ได้กับพาร์ติชันธรรมดา

LVM ตั้งแต่ต้น: จากดิสก์เปล่าถึงโวลุ่มที่เมานต์แล้ว

สมมติว่าเพิ่มดิสก์เปล่า /dev/sdb เข้าเซิร์ฟเวอร์ และต้องการโวลุ่มขนาด 15 GB สำหรับข้อมูลของแอปพลิเคชัน ตรวจชื่อดิสก์ด้วย lsblk สองครั้ง เพราะทุกคำสั่งด้านล่างจะลบข้อมูลบนอุปกรณ์ที่ระบุ

ขั้นที่ 1. สร้างฟิสิคัลโวลุ่ม

$ sudo pvcreate /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" successfully created.

สามารถมอบดิสก์ทั้งลูกให้ LVM ได้ หรือสร้างพาร์ติชันก่อนด้วย fdisk หรือ parted โดยตั้งประเภทเป็น "Linux LVM" แล้วระบุพาร์ติชันนั้น (/dev/sdb1) พาร์ติชันทำให้ผู้ดูแลคนอื่นเข้าใจได้ชัดเจนขึ้น และป้องกันการแบ่งพาร์ติชันทับ LVM โดยไม่ตั้งใจ ส่วนการขยายดิสก์ทั้งลูกในคลาวด์ทำได้ง่ายกว่า

ขั้นที่ 2. สร้างกลุ่มโวลุ่ม

$ sudo vgcreate data_vg /dev/sdb
  Volume group "data_vg" successfully created

ขั้นที่ 3. ตัดโวลุ่มตรรกะ

$ sudo lvcreate -n app -L 15G data_vg
  Logical volume "app" created.

แฟล็ก -L กำหนดขนาดแบบสัมบูรณ์ ส่วน -l กำหนดเป็นจำนวนเอกซ์เทนต์หรือเปอร์เซ็นต์: -l 100%FREE ใช้พื้นที่ว่างทั้งหมดของกลุ่ม และ -l 50%VG ใช้ครึ่งหนึ่งของกลุ่ม การเก็บพื้นที่ว่างไว้ใน VG เป็นแนวปฏิบัติที่ดี เพราะสามารถมอบให้โวลุ่มใดก็ได้ภายหลัง หรือใช้เป็นพื้นที่ของสแนปชอต

ขั้นที่ 4. ระบบไฟล์และการเมานต์

$ sudo mkfs.ext4 /dev/data_vg/app
$ sudo mkdir -p /srv/app
$ sudo mount /dev/data_vg/app /srv/app
$ df -h /srv/app
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/data_vg-app   15G   24K   14G   1% /srv/app

หากต้องการให้โวลุ่มเมานต์หลังรีบูต เพิ่มบรรทัดลงใน /etc/fstab สำหรับโวลุ่มตรรกะพาธ /dev/mapper/... คงที่ จึงใช้พาธนั้นได้ หรือจะใช้ UUID จาก blkid ก็ได้:

/dev/mapper/data_vg-app  /srv/app  ext4  defaults  0 2

ตรวจรายการด้วย sudo mount -a ก่อนรีบูต เพราะข้อผิดพลาดใน fstab อาจทำให้เซิร์ฟเวอร์เข้าสู่โหมดฉุกเฉิน

ขยาย LVM โวลุ่มโดยไม่หยุดบริการ

นี่คือเหตุผลหลักที่ควรใช้ LVM โวลุ่มขยายได้ขณะที่ระบบไฟล์เมานต์อยู่ และแอปพลิเคชันยังเขียนข้อมูลต่อได้ วิธีการขึ้นอยู่กับว่ากลุ่มยังมีพื้นที่ว่างหรือไม่

หากใน VG ยังมีพื้นที่ว่าง

$ sudo vgs data_vg
  VG      #PV #LV #SN Attr   VSize   VFree
  data_vg   1   1   0 wz--n- <20.00g <5.00g

$ sudo lvextend -r -L +4G /dev/data_vg/app
  Size of logical volume data_vg/app changed from 15.00 GiB to 19.00 GiB.
  Logical volume data_vg/app successfully resized.
resize2fs 1.47.0
Filesystem at /dev/mapper/data_vg-app is mounted on /srv/app; on-line resizing required

แฟล็กสำคัญคือ -r (--resizefs) ซึ่งขยายระบบไฟล์ทันทีหลังขยายโวลุ่ม หากไม่ใส่ โวลุ่มจะใหญ่ขึ้น แต่ df -h ยังแสดงขนาดเดิม เพราะระบบไฟล์ไม่รู้ว่ามีพื้นที่เพิ่ม นี่คือข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุด หากเกิดขึ้น ให้รัน resize2fs สำหรับ ext4 หรือ xfs_growfs สำหรับ XFS ด้วยตนเอง

$ sudo resize2fs /dev/data_vg/app      # ext4 ระบุอุปกรณ์
$ sudo xfs_growfs /srv/app             # XFS ระบุจุดเมานต์

ข้อสังเกต: -L +4G เพิ่มขึ้น 4 GB ส่วน -L 4G ตั้งขนาดรวมเป็น 4 GB หากต้องการให้โวลุ่มใช้พื้นที่ที่เหลือทั้งหมด ใช้ -l +100%FREE

หากพื้นที่ใน VG หมดแล้ว: เพิ่มดิสก์

เชื่อมต่อดิสก์ใหม่ (ในคลาวด์คือแนบโวลุ่มเพิ่ม) ค้นหาด้วย lsblk แล้วเพิ่มเข้ากลุ่ม:

$ sudo pvcreate /dev/sdc
$ sudo vgextend data_vg /dev/sdc
  Volume group "data_vg" successfully extended
$ sudo lvextend -r -l +100%FREE /dev/data_vg/app

สามคำสั่ง ไม่มีเวลาหยุดทำงาน ระบบไฟล์อยู่บนดิสก์สองลูกแล้ว และแอปพลิเคชันไม่รู้สึกถึงการเปลี่ยนแปลงนี้

หากขยายดิสก์ในคลาวด์

ในคลาวด์มักง่ายกว่าที่จะไม่เพิ่มดิสก์ แต่ขยายดิสก์ที่มีอยู่แล้ว เมื่อนั้นเคอร์เนลจะเห็นขนาดใหม่ของอุปกรณ์ และต้องขยายฟิสิคัลโวลุ่มด้วย pvresize:

$ sudo pvresize /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" changed
$ sudo lvextend -r -l +100%FREE /dev/data_vg/app

หาก PV สร้างบนพาร์ติชัน (/dev/sdb1) ให้ขยายพาร์ติชันก่อน เช่น ด้วย growpart /dev/sdb 1 จากแพ็กเกจ cloud-guest-utils แล้วจึงรัน pvresize /dev/sdb1

ลด LVM โวลุ่มได้หรือไม่

ทำได้ แต่ไม่ใช่กับระบบไฟล์ทุกชนิด และไม่สามารถทำขณะที่ระบบทำงานได้ XFS ลดขนาดไม่ได้เลย ต้องสร้างใหม่และย้ายข้อมูล ส่วน ext4 ลดได้ แต่ต้องเลิกเมานต์ก่อน:

$ sudo umount /srv/app
$ sudo lvreduce -r -L 10G /dev/data_vg/app

เมื่อใช้แฟล็ก -r LVM จะตรวจระบบไฟล์ (e2fsck) และย่อระบบไฟล์ก่อนลดโวลุ่ม หากไม่ใส่ -r คุณอาจตัดโวลุ่มให้เล็กกว่าระบบไฟล์ และทำให้ข้อมูลเสียหาย ก่อนลดขนาดต้องสำรองข้อมูลเสมอ

สแนปชอต LVM: ภาพถ่ายโวลุ่มก่อนการเปลี่ยนแปลงที่มีความเสี่ยง

สแนปชอตคือภาพถ่ายของโวลุ่มตรรกะ ณ ขณะหนึ่ง สร้างเสร็จในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีและไม่คัดลอกข้อมูลทั้งหมด LVM ทำงานด้วยหลัก copy-on-write คือเก็บลงสแนปชอตเฉพาะบล็อกที่เปลี่ยนบนโวลุ่มต้นฉบับหลังจากสร้างสแนปชอต ดังนั้นสแนปชอตต้องการพื้นที่ใน VG เพียงเท่าจำนวนการเปลี่ยนแปลง ไม่ใช่ขนาดเต็มของโวลุ่ม

$ sudo lvcreate -s -n app_before_upgrade -L 2G /dev/data_vg/app
  Logical volume "app_before_upgrade" created.

$ sudo lvs data_vg
  LV                 VG      Attr       LSize  Origin Data%
  app                data_vg owi-aos--- 19.00g
  app_before_upgrade data_vg swi-a-s---  2.00g app    0.01

คอลัมน์ Data% แสดงว่าพื้นที่เก็บการเปลี่ยนแปลงของสแนปชอตเต็มไปแล้วเท่าไร หากเต็ม 100% สแนปชอตแบบคลาสสิกจะใช้ไม่ได้ และทำได้เพียงลบทิ้ง เลือกขนาดให้เผื่อปริมาณการเปลี่ยนแปลงที่คาดไว้ และติดตามสแนปชอตที่มีอายุนานด้วย lvs หรือขยายด้วย lvextend

วิธีย้อนกลับไปยังสแนปชอต

หากการอัปเดตผิดพลาด ให้คืนโวลุ่มสู่สถานะตอนที่สร้างสแนปชอต:

$ sudo umount /srv/app
$ sudo lvconvert --merge /dev/data_vg/app_before_upgrade
  Merging of volume data_vg/app_before_upgrade started.
$ sudo mount /srv/app

หลังการรวม (merge) สแนปชอตจะหายไป หากเลิกเมานต์โวลุ่มไม่ได้ (เช่น รูตของระบบ) การรวมจะรอจนกว่าโวลุ่มจะถูกเปิดใช้อีกครั้ง คือหลังรีบูต

หากทุกอย่างเรียบร้อยดี

ลบสแนปชอตทิ้งเพื่อไม่ให้ทำให้การเขียนช้าลงและไม่กินพื้นที่:

$ sudo lvremove /dev/data_vg/app_before_upgrade

สแนปชอตมีประโยชน์เมื่อเมานต์แบบอ่านอย่างเดียวเพื่อสำรองข้อมูลระบบที่กำลังทำงาน ด้วย mount -o ro และคัดลอกด้วย rsync หรือ tar สำหรับ XFS ให้เพิ่มตัวเลือก nouuid ไม่เช่นนั้นการเมานต์จะถูกปฏิเสธเพราะ UUID ซ้ำกับต้นฉบับ

LVM และ RAID: อย่าสับสนหน้าที่

LVM ไม่ได้ป้องกันความเสียหายของดิสก์ หากโวลุ่มกระจายอยู่บนดิสก์สองลูกและลูกหนึ่งเสีย โวลุ่มทั้งหมดจะเสียไป ไม่ใช่แค่ครึ่งหนึ่ง เพื่อความทนทานต่อความเสียหาย ให้วาง RAID (mdadm) ไว้ใต้ LVM หรือใช้โหมดมิเรอร์ที่มาพร้อมกับ LVM (lvcreate --type raid1 -m 1)

ทั้ง RAID และสแนปชอตไม่ได้มาแทนการสำรองข้อมูล สแนปชอตอยู่บนดิสก์เดียวกับต้นฉบับ ส่วน RAID จะทำมิเรอร์คำสั่ง rm -rf ที่พลาดไปด้วย จึงต้องมีสำเนาแยกไว้บนสื่ออื่น

ตารางคำสั่ง LVM

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

• ขยายโวลุ่มแล้ว แต่ df ยังแสดงขนาดเดิม. ลืมใส่ -r ให้รัน resize2fs หรือ xfs_growfs
• Insufficient free space. ไม่มีเอกซ์เทนต์ว่างในกลุ่ม ตรวจด้วย vgs แล้วเพิ่มดิสก์ด้วย vgextend หรือขยาย PV
• Device /dev/sdc excluded by a filter. ดิสก์ยังมีการแบ่งพาร์ติชันหรือลายเซ็นระบบไฟล์เก่าอยู่ หากแน่ใจว่าไม่ต้องการข้อมูลบนนั้น ล้างด้วย wipefs -a /dev/sdc
• สแนปชอตกลายเป็น Invalid. พื้นที่เก็บการเปลี่ยนแปลงเต็ม 100% กู้คืนไม่ได้ ทำได้เพียงลบทิ้ง และครั้งหน้าควรจัดสรรพื้นที่ให้มากขึ้น

สรุป

LVM บน Linux มีสามชั้น: ฟิสิคัลโวลุ่ม (PV) รวมเป็นกลุ่ม (VG) และตัดออกเป็นโวลุ่มตรรกะ (LV) ซึ่งให้สิ่งที่พาร์ติชันธรรมดาไม่มี ได้แก่ การขยายโวลุ่มขณะทำงานด้วย lvextend -r การเพิ่มดิสก์โดยไม่หยุดบริการ และสแนปชอตก่อนการเปลี่ยนแปลงที่มีความเสี่ยง จำไว้ว่า LVM ไม่ได้มาแทน RAID หรือการสำรองข้อมูล การแบ่งดิสก์ LVM RAID และโควตาถูกฝึกใช้จริงในบทเรียนหลักสูตร Linux