深入了解Oracle ASM(一):基础概念

Automatic Storage Management是Oracle 在版本10g中率先(对比其他RDBMS)提出的数据库存储自动解决方案,在版本11g中得到进一步升华。ASM提供了数据库管理所需要的一个简单、有效的存储管理接口,该接口实现了跨服务器和存储平台。 ASM是文件系统filesystem和volume manager卷管理软件的一体化,专门为Oracle的数据库文件锁设计的; ASM在保证如文件系统般管理简单的基础上提供高性能的异步Async IO。ASM的引入提高了数据库的可扩展容量,同时节约了DBA的时间,使其能够更敏捷、更高效地管理一个流动性较大的数据库环境。

ASM的出现是为RDBMS管理文件存储

  • 注意ASM不会替代RDBMS去实施IO读写,很多对这一点存在误解,认为RDBMS发送IO request给ASM,ASM去做真正的IO操作,这是错误的。
  • 真正的IO还是由RDBMS进程去实施,和不用ASM的裸设备一样
  • 因此ASM不是IO的中间层,也就不存在因为ASM而出现所谓的IO瓶颈
  • 对于ASM而言LUN DISK可以是裸设备也可以直接是块设备(10.2.0.2以后)
  • 适合存放在ASM中的文件类型包括:数据文件datafile、控制文件controlfile、重做日志redolog、归档日志archivelog、闪回日志flashback log、spfile、RMAN备份以及block tracking file、datapump文件
  • 从11gR2开始,ASM引入了ACFS特性可以存放任何类型的文件; 但是ACFS不支持存放数据文件

ASM基础概念:

  • ASM的最小存储单位是一个”allocation unit”(AU),通常为1MB,在Exadata上推荐为4MB
  • ASM的核心是存储文件
  • 文件被划分为多个文件片,称之为”extent”
  • 11g之前extent的大小总是为一个AU,11g之后一个extent可以是1 or 8 or 64个AU
  • ASM使用file extent map维护文件extent的位置
  • ASM在LUN DISK的头部header维护其元数据,而非数据字典
  • 同时RDBMS DB会在shared pool中缓存file extent map,当server process处理IO时使用
  • 因为ASM instance使用类似于普通RDBMS的原理的instance/crash recovery,所以ASM instance奔溃后总是能复原的。

ASM存储以diskgroups的概念呈现:

  • Diskgroup DG对RDBMS实例可见,例如一个DATA DG,对于RDBMS来说就是以’+DATA’表示的一个存储点, 可以在该DG上创建一个tablespace,例如: create tablespace ONASM datafile ‘+DATA’ size 10M。
  • Diskgroup下面是一个或者多个failure group (FG)
  • FG被定义为一组Disk
  • Disk在这里可以是裸的物理卷、磁盘分区、代表某个磁盘阵列的LUN,亦或者是LVM或者NAS设备
  • 多个FG中的disk不应当具备相同的单点故障,否则ASM的冗余无效

ASM所提供的高可用性:

  • ASM提供数据镜像以便从磁盘失败中恢复
  • 用户可以选择EXTERNAL、NORMAL、HIGH三种冗余镜像
  • EXTERNAL即ASM本身不做镜像,而依赖于底层存储阵列资深实现镜像;在External下任何的写错误都会导致Disk Group被强制dismount。在此模式下所有的ASM DISK必须都存在健康,否则Disk Group将无法MOUNT
  • NORMAL 即ASM将为每一个extent创建一个额外的拷贝以便实现冗余;默认情况下所有的文件都会被镜像,这样每一个file extent都有2份拷贝。若写错误发生在2个Disk上且这2个Disk是partners时将导致disk Disk Group被强制dismount。若发生失败的磁盘不是partners则不会引起数据丢失和不可用。
  • HIGH 即ASM为每一个extent创建两个额外的拷贝以便实现更高的冗余。2个互为partners的Disk的失败不会引起数据丢失,当然不能有更多的partners Disk失败了。
  • 数据镜像依赖于failure group和extent partnering实现。ASM在NORMAL 或 HIGH 冗余度下可以容许丢失一个failure group中所有的磁盘。

Failure Group镜像的使用

  • ASM的镜像并不像RAID 1那样
  • ASM的镜像基于文件extent的粒度,extent分布在多个磁盘之间,称为partner
  • Partner disk会存放在一个或者多个分离的failure group上
  • ASM自动选择partner并限制其数量小于10个
  • 若磁盘失败,则ASM更新其extent map使今后的读取操作指向剩余的健康partner
  • 在11g中,若某个disk处于offline状态,则对于文件的变更会被追踪记录这样当disk被重现online时则这些变化得以重新应用,前提是offline的时间不超过DISK_REPAIR_TIME所指定的时间(默认为3.6个小时). 这种情况常发生在存储控制器故障或者类似的短期磁盘故障:
  • 这种对于文件变更的追踪基于一个发生变化的file extent的位图,该位图告诉ASM哪些extents需要从健康的partner哪里拷贝至需要修复的disk,该特性称之为fast mirror resync
  • 在10g中没有fast mirror resync特性,若disk出现offline则直接自动被drop掉,不存在允许修复的周期
  • 对于无法再online的disk,则必须被drop掉; 一个新的disk会被ASM选择并通过rebalancing 操作拷贝数据,这些工作是后台自动完成的。

重新平衡Rebalancing

  • Rebalancing是在磁盘之间移动文件extent以实现diskgroup上的IO负载均衡的过程
  • Rebalancing在后台异步发生,是可监控的
  • 在集群环境中,一个diskgroup的重平衡只能在一个ASM instance上发生,不能通过集群多节点同时处理以加速
  • 当disk被加入或移除时,ASM会自动在后台开始数据重新平衡工作
  • 重平衡的速度和力度可以通过asm_power_limit参数控制
  • asm_power_limit参数默认为1,其范围为0~11(从11.2.0.2开始是0-1024),该参数控制实施重平衡后台进程的数量;Level 0表示不实施重新平衡
  • 在重新平衡过程中IO性能(主要是吞吐量和响应时间)可能受到影响,其影响程度取决于存储本身的能力和重新平衡的力度,默认的asm_powner_limit=1不会造成过度的影响

性能方面

  • ASM会通过在DG中条带化文件extent分布以最大化可用的IO带宽
  • 有2种可用条带化宽度:coarse粗糙条带化大小为1个AU,fine精细条带化为128K
  • 即便是fine精细条带化仍采用普通大小的file extent,但是条带化以更小的片形式循环式地分布在多个extent上
  • ASM默认不让RDBMS去读备用的镜像拷贝extent,即使这样请放心IO还是均衡的
  • 默认情况下RDBMS总是去读取主primary extent,从11.1开始可以通过PREFERRED_READ_FAILURE_GROUP参数设置让本地节点优先读取某个failure group中的extent; 该特性主要为extended distance RAC设计,不建议在常规ASM中使用

 其他知识

  • 并非RAC才能使用ASM,单节点同样可以从ASM哪里获得好处
  • 节点上的一个ASM instance实例可以为多个RDBMS DB实例服务
  • RAC环境中的ASM必须也是集群化的,以便能够协调更新元数据
  • 从11.2开始,ASM从RDBMS HOME分离出来,而和clusterware一起安装在GRID HOME下。

Disk Group:

Disk Group”磁盘组” 是ASM管理的逻辑概念对象,一个Disk Group由多个ASM disk组成。每一个Disk Group都是子描述的,如同一个标准的文件系统一样。所有关于该Diskgroup 空间使用信息的元数据均完整地包含在这个磁盘组中。 若ASM可以找到所有属于该ASM diskgroup的DISK则他不需要任何其他额外的元数据。

文件空间从Disk Group中分配。任何一个ASM文件总是完整地包含在一个单独的Disk Group中。但是,一个Disk Group可能包含了属于多个数据库的文件,一个单独的数据库的文件也可以存放在多个不同的Disk Group中。 在大多数实际的部署中,不会创建太多数量的Disk Groups,一般在3~4个。

Disk Group提供三种不同的redundancy冗余度,详见上文。

ASM Disk

一个ASM Disk是组成Disk Group的基本的持久的存储。 当一个ASM Disk加入到Disk Group中时,它要么采用管理员指定的ASM Disk Name要么采用系统自动分配的Disk Name。 这不同于OS 给用于访问该设备的”艺名”。  在一个Cluster集群中, 同一个Disk 可能在不同的节点上显示不同的Device Name设备名,例如在 Node1上的 /dev/sdc ,对应于Node2上的/dev/sdd。 ASM Disk必须在所有使用该Disk Group的实例上可用直接磁盘I/O访问。

实际上对于RDBMS Oracle而言访问ASM disk和访问普通的文件并没有什么不同,除非使用了ASMLIB(ASMLIB不是ASM必须的,再次强调!)。常规情况下ASM Disk是OS上可见的LUN的partition,该分区覆盖了所有不被操作系统所保留的磁盘的空间。 大多数操作系统需要保留LUN的第一个block作为分区表(partition table); 由于ASM总是会写ASM Disk的第一个块,所以要保证ASM不会去覆盖前几个block上的分区表(partition table),例如在Solaris上分区时不要把前几个柱面划给partition。LUN可以是简单的物理JBOD,或者是由高级存储阵列管理的虚拟LUN。既可以是直连的设备也可以是SAN。ASM Disk可以是任何被开发系统调用所访问的东西,除了本地文件系统。 甚至于NFS上的文件都可以被当做一个ASM Disk来用,这样便于喜欢NAS的用户使用ASM,当然比起NFS来我更建议干脆用ISCSI。

注意虽然可以使用普通logical Volume Manager LVM管理的logical volume作为ASM Disk,但是这并不是推荐组合,除非你想不到其他更好的办法。 即便你一定要这样用,但是注意也不要在LVM级别做镜像和条带化。

ASM将任何文件以AU大小均匀分布在Disk Group的所有Disk上。每一个ASM Disk均被维护以保持同样的使用比率。这保证同一个Disk Group中的所有Disk的IO负载基本一致。由于ASM在一个Disk Group中的磁盘上的负载均衡,所以为同一个物理磁盘的不同区域划分为2个ASM Disk不会对性能有所影响;而同一个物理磁盘上划分2个不同分区置于不同的2个Disk Group则有效。

当ASM Disk Group启用冗余时单个ASM Disk仅是一个失败单元。对于该ASM Disk的写失败在10g会自动从该Disk Group drop掉该Disk,前提是该Disk的丢失被容许。

Allocation Unit

每一个ASM Disk都被划分为许多个AU allocation units(单个AU 的大小在 1MB ~64MB,注意总是2的次方MB)。而且AU allocation unit也是Disk Group的基本分配单元。一个ASM Disk上的可用空间总是整数倍个AU。在每一个ASM Disk的头部均有一个表,该表的每一条记录代表该ASM Disk上的一个AU。文件的extent指针(pointer)给出了ASM Disk Number磁盘号和AU号,这就描述了该extent的物理位置。由于所有的空间操作都以AU为单位,所以不存在所谓ASM碎片这样的概念和问题。

一个AU(1M~64M)足够小,以便一个文件总是要包含很多个AU,这样就可以分布在很多磁盘上,也不会造成热点。一个AU又足够大以便能够在一个IO操作中访问它,以获得更加的吞吐量,也能提供高效的顺序访问。访问一个AU的时间将更多的消耗在磁盘传输速率上而非花在寻找AU头上。对于Disk Group的重新平衡也是对每一个AU逐次做的。

了解ASM后台进程的作用:

GMON: ASM Diskgroup监控进程

ASMB: ASM后台网络进程

RBAL: ASM reblance master process 重新平衡主进程

ARBx:   reblance slave process实际实施reblance的后台进程

MARK: AU resync AU重新同步的指挥家进程

了解ASM前台进程的作用:

ASM的client(主要是RDBMS DB和CRSD))在连接ASM实例时会产生前台进程,前天进程的名字一般为oracle+ASM_<process>_<product> (例如: oracle+ASM_DBW0_DB1)。

OCR 特有的前台进程foreground: oracle+ASM1_ocr

 ASM相关的V$和X$视图

视图名 X$基表名 描述
V$ASM_DISKGROUP X$KFGRP 实施磁盘发现disk discovery和列出磁盘组
V$ASM_DISKGROUP_STAT X$KFGRP_STAT 显示disk group状态
V$ASM_DISK X$KFDSK, X$KFKID 实施磁盘发现disk discovery和列出磁盘以及这些磁盘的使用度量信息
V$ASM_DISK_STAT X$KFDSK_STAT,X$KFKID 列出磁盘和其使用度量信息
V$ASM_FILE X$KFFIL 列出ASM文件也包括了元数据信息
V$ASM_ALIAS X$KFALS 列出了ASM的别名,文件和目录
V$ASM_TEMPLATE X$KFTMTA 列出可用的模板和其属性
V$ASM_CLIENT X$KFNCL 列出链接到ASM的DB实例
V$ASM_OPERATION X$KFGMG 列出rebalancing重平衡操作
N/A X$KFKLIB 可用的ASMLIB路径
N/A X$KFDPARTNER 列出Disk-partners关系
N/A X$KFFXP 所有ASM文件的extent map
N/A X$KFDAT 所有ASM Disk的extent列表
N/A X$KFBH 描述ASM cache
N/A X$KFCCE ASM block的链表
V$ASM_ATTRIBUTE(new in 11g) X$KFENV(new in 11g) Asm属性,该X$基表还显示一些隐藏属性
V$ASM_DISK_IOSTAT(new in 11g) X$KFNSDSKIOST(new in 11g) I/O统计信息
N/A X$KFDFS(new in 11g)
N/A X$KFDDD(new in 11g)
N/A X$KFGBRB(new in 11g)
N/A X$KFMDGRP(new in 11g)
N/A X$KFCLLE(new in 11g)
N/A X$KFVOL(new in 11g)
N/A X$KFVOLSTAT(new in 11g)
N/A X$KFVOFS(new in 11g)
N/A X$KFVOFSV(new in 11g)

X$KFFXP包含了文件、extent和AU之间的映射关系。 从该X$视图可以追踪给定文件的extent的条带化和镜像情况。注意对于primary au和mirror au读操作的负载是均衡的, 而写操作要求同时写2者到磁盘。以下是X$KFFXP视图列的含义

X$KFFXP Column Name Description
ADDR x$ table address/identifier
INDX row unique identifier
INST_ID instance number (RAC)
NUMBER_KFFXP ASM file number. Join with v$asm_file and v$asm_alias
COMPOUND_KFFXP File identifier. Join with compound_index in v$asm_file
INCARN_KFFXP File incarnation id. Join with incarnation in v$asm_file
PXN_KFFXP Progressive file extent number
XNUM_KFFXP ASM file extent number (mirrored extent pairs have the same extent value)
GROUP_KFFXP ASM disk group number. Join with v$asm_disk and v$asm_diskgroup
DISK_KFFXP Disk number where the extent is allocated. Join with v$asm_disk
AU_KFFXP Relative position of the allocation unit from the beginning of the disk. The allocation unit size
(1 MB) in v$asm_diskgroup
LXN_KFFXP 0->primary extent, ->mirror extent, 2->2nd mirror copy (high redundancy and metadata)
FLAGS_KFFXP N.K.
CHK_KFFXP N.K.

X$KFDAT该X$视图包含了所有allocation unit AU的细节,不管是FREE的还是USED。

X$KFDAT Column Name Description
ADDR x$ table address/identifier
INDX row unique identifier
INST_ID instance number (RAC)
GROUP_KFDAT diskgroup number, join with v$asm_diskgroup
NUMBER_KFDAT disk number, join with v$asm_disk
COMPOUND_KFDAT disk compund_index, join with v$asm_disk
AUNUM_KFDAT Disk allocation unit (relative position from the beginning of the disk), join with
x$kffxp.au_kffxp
V_KFDAT V=this Allocation Unit is used; F=AU is free
FNUM_KFDAT file number, join with v$asm_file
I_KFDAT N/K
XNUM_KFDAT Progressive file extent number join with x$kffxp.pxn_kffxp
RAW_KFDAT raw format encoding of the disk,and file extent information

X$KFDPARTNER 这个X$视图包含了 disk-partner(1-N)的映射关系,在一个给定ASM Diskgroup,若2个Disk存有同一个extent的镜像拷贝,则将2个disk视作partners。因此partners必须属于同一个diskgroup下的不同的failgroup。

X$KFDPARTNER Column Name Description
ADDR x$ table address/identifier
INDX row unique identifier
INST_ID instance number (RAC)
GRP diskgroup number, join with v$asm_diskgroup
DISK disk number, join with v$asm_disk
COMPOUND disk identifier. Join with compound_index in v$asm_disk
NUMBER_KFDPARTNER partner disk number, i.e. disk-to-partner (1-N) relationship
MIRROR_KFDPARNER if=1 in a healthy normal redundancy config
PARITY_KFDPARNER if=1 in a healthy normal redundancy config
ACTIVE_KFDPARNER if=1 in a healthy normal redundancy config

研究ASM必要的技巧

1)找出ASM的镜像mirror extent,在例子中是ASM的spfile

[grid@localhost ~]$ sqlplus  / as sysasm

SQL*Plus: Release 11.2.0.3.0 Production on Wed Feb 13 11:13:39 2013

Copyright (c) 1982, 2011, Oracle.  All rights reserved.

Connected to:
Oracle Database 11g Enterprise Edition Release 11.2.0.3.0 - 64bit Production
With the Automatic Storage Management option

INSTANCE_NAME
----------------
+ASM

SQL> 
SQL> show parameter spfile

NAME                                 TYPE        VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
spfile                               string      +SYSTEMDG/asm/asmparameterfile
                                                 /registry.253.805993079

select GROUP_KFFXP, DISK_KFFXP, AU_KFFXP
  from x$kffxp
 where number_kffxp =
       (select file_number
          from v$asm_alias
         where name = 'REGISTRY.253.805993079');

GROUP_KFFXP DISK_KFFXP   AU_KFFXP
----------- ---------- ----------
          3          2         38
          3          1         39
          3          0         44

也可以这样定位

select GROUP_KFDAT, NUMBER_KFDAT, AUNUM_KFDAT
  from x$kfdat
 where fnum_kfdat = (select file_number
                       from v$asm_alias
                      where name = 'REGISTRY.253.805993079')

GROUP_KFDAT NUMBER_KFDAT AUNUM_KFDAT
----------- ------------ -----------
          3            0          44
          3            1          39
          3            2          38

==> 找到该 DISK对应的路径
SQL> select path,DISK_NUMBER from v$asm_disk where GROUP_NUMBER=3 and disk_number in (0,1,2);

PATH                 DISK_NUMBER
-------------------- -----------
/dev/asm-diski                 2
/dev/asm-diskh                 1
/dev/asm-diskg                 0

SQL> create pfile='/home/grid/pfile' from spfile;

File created.

SQL> Disconnected from Oracle Database 11g Enterprise Edition Release 11.2.0.3.0 - 64bit Production
With the Automatic Storage Management option

[grid@localhost ~]$ cat pfile 
+ASM.asm_diskgroups='EXTDG','NORDG'#Manual Mount
*.asm_diskstring='/dev/asm*'
*.asm_power_limit=1
*.diagnostic_dest='/g01/app/grid'
*.instance_type='asm'
*.large_pool_size=12M
*.local_listener='LISTENER_+ASM'
*.remote_login_passwordfile='EXCLUSIVE'

通过dd读取该AU		  

[grid@localhost ~]$ dd if=/dev/asm-diski of=/tmp/spfile.dmp skip=38 bs=1024k count=1
1+0 records in
1+0 records out
1048576 bytes (1.0 MB) copied, 0.00328614 seconds, 319 MB/s

[grid@localhost ~]$ strings /tmp/spfile.dmp 
+ASM.asm_diskgroups='EXTDG','NORDG'#Manual Mount
*.asm_diskstring='/dev/asm*'
*.asm_power_limit=1
*.diagnostic_dest='/g01/app/grid'
*.instance_type='asm'
*.large_pool_size=12M
*.local_listener='LISTENER_+ASM'
*.remote_login_passwordfile='EXCLUSIVE'

[grid@localhost ~]$ dd if=/dev/asm-diskh of=/tmp/spfile1.dmp skip=39 bs=1024k count=1  
1+0 records in
1+0 records out
1048576 bytes (1.0 MB) copied, 0.0325114 seconds, 32.3 MB/s

[grid@localhost ~]$ strings /tmp/spfile1.dmp                                          
+ASM.asm_diskgroups='EXTDG','NORDG'#Manual Mount
*.asm_diskstring='/dev/asm*'
*.asm_power_limit=1
*.diagnostic_dest='/g01/app/grid'
*.instance_type='asm'
*.large_pool_size=12M
*.local_listener='LISTENER_+ASM'
*.remote_login_passwordfile='EXCLUSIVE'		

[grid@localhost ~]$ dd if=/dev/asm-diskg of=/tmp/spfile2.dmp skip=44 bs=1024k count=1
1+0 records in
1+0 records out
1048576 bytes (1.0 MB) copied, 0.0298287 seconds, 35.2 MB/s

[grid@localhost ~]$ strings /tmp/spfile2.dmp                                          
+ASM.asm_diskgroups='EXTDG','NORDG'#Manual Mount
*.asm_diskstring='/dev/asm*'
*.asm_power_limit=1
*.diagnostic_dest='/g01/app/grid'
*.instance_type='asm'
*.large_pool_size=12M
*.local_listener='LISTENER_+ASM'
*.remote_login_passwordfile='EXCLUSIVE'

2) 显示asm disk failure group和 disk partners的映射关系:

  1* select DISK_NUMBER,FAILGROUP,path from v$asm_disk where group_number=3
SQL> /

DISK_NUMBER FAILGROUP                      PATH
----------- ------------------------------ --------------------
          3 SYSTEMDG_0003                  /dev/asm-diskj
          2 SYSTEMDG_0002                  /dev/asm-diski
          1 SYSTEMDG_0001                  /dev/asm-diskh
          0 SYSTEMDG_0000                  /dev/asm-diskg

SQL> select disk,NUMBER_KFDPARTNER,DISKFGNUM from X$KFDPARTNER where grp=3;

      DISK NUMBER_KFDPARTNER  DISKFGNUM
---------- ----------------- ----------
         0                 1          1
         0                 2          1
         0                 3          1
         1                 0          2
         1                 2          2
         1                 3          2
         2                 0          3
         2                 1          3
         2                 3          3
         3                 0          4
         3                 1          4
         3                 2          4

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ASM常见问题, FAQ:

Q:ASM做 rebalance和 mirror 的基本颗粒是什么?

A: ASM做mirror 镜像的基本颗粒是file的extent,默认情况下一个extent等于一个AU,11g之后一个extent可以是1 or 8 or 64个AU

ASM做rebalance重新平衡的基本颗粒也是extent,虽然重新平衡是对每一个AU逐次做的。

Q:ASMLIB和ASM的关系是什么?

A:ASMLIB是一种种基于Linux module,专门为Oracle Automatic Storage Management特性设计的内核支持库(kernel support library)。

简单来说ASMLIB是一种Linux下的程序包,它不属于Oracle ASM kernel。 通过ASMLIb可以做到设备名绑定,便于ASM使用的目的; 但是Linux上能实现设备名绑定并便于ASM使用的服务有很多,例如udev、mpath等;

所以ASMLIB并不是ASM必须的组件; 国内的中文文章对于该概念的描述大多不清晰,造成了ASMLIB=ASM或者ASM必须用ASMLIB的误解,这是以讹传讹。

ASMLIB的缺点见拙作《Why ASMLIB and why not?》一文

Q: ASM是否是raid 10或者raid 01?

A:ASM的mirror是基于file extent的,而不是像raid那样基于disk或者block。 所以ASM既不同于Raid 10,也不是Raid 01。 如果硬要说相似点的话,因为ASM是先mirror镜像后stripe条带化,所以在这个特征上更像Raid 10。 但是注意,再次强调,ASM既不是RAID 10也不是RAID 01, 重复一千遍。。。。。。。。。。。。。

http://www.askmaclean.com/archives/know-oracle-asm.html

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