Ubuntu上的LVM活用指南：高效存儲管理的實踐方法

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

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1. 前言

LVM（Logical Volume Manager，邏輯卷管理器）是一種工具，可實現 Linux 系統中的靈活存儲管理。在 Ubuntu 環境下，當需要高效管理磁碟空間或執行動態分區操作時，LVM 能發揮極大的優勢。

傳統的分區管理方式中，一旦設定了磁碟空間，變更容量會相當麻煩，甚至有可能導致數據遺失。而透過 LVM，能夠將多個物理磁碟組合成一個存儲池，並根據需求動態擴展或縮小存儲空間，提供更靈活的管理方式。

使用 LVM 的優勢

使用 LVM 主要具備以下幾點優勢：

• 磁碟擴展性： 可動態管理存儲空間，輕鬆解決磁碟容量不足的問題。
• 快照功能： 可建立數據快照，快速進行備份與恢復，確保數據安全。
• 靈活性： 能突破單一物理磁碟的限制，輕鬆構建大規模存儲環境。

為何在 Ubuntu 上 LVM 很重要？

Ubuntu 是一款廣泛應用於伺服器和開發環境的 Linux 發行版，透過 LVM，可以更靈活且高效地管理 Ubuntu 系統。特別適用於以下情境：

• 伺服器存儲需求快速增長的場景。
• 需要頻繁進行數據備份的專案。
• 未來可能需要調整存儲結構的系統。

由於這些優勢，LVM 是 Ubuntu 使用者值得學習和掌握的強大工具。本文將詳細介紹 LVM 的基本概念、實際的設置方法與管理技巧。

2. LVM 的基本概念

LVM（Logical Volume Manager，邏輯卷管理器）是一種存儲管理工具，可高效且靈活地管理物理磁碟。本節將解釋 LVM 的基礎概念，並透過簡單易懂的方式介紹關鍵術語，以便初學者也能理解。

LVM 的基本組成

LVM 主要由以下三個核心元素組成：

1. 物理卷（Physical Volume，PV）
   物理卷是 LVM 管理的基本存儲單位，通常對應於整個硬碟或硬碟中的某個分區。

• 範例：/dev/sda1、/dev/sdb1 等。
• 物理卷是 LVM 結構中的最底層組件，其上可建立「卷組」。

1. 卷組（Volume Group，VG）
   卷組是由多個物理卷組成的存儲池，允許在其中創建邏輯卷。

• 優勢： 可將多個物理磁碟整合為一個統一的存儲空間，實現更大容量的磁碟管理。
• 範例： 可將不同大小的磁碟合併為一個卷組，以更靈活地分配存儲資源。

1. 邏輯卷（Logical Volume，LV）
   邏輯卷類似於傳統的分區，主要用於存儲操作系統、用戶數據等。

• 優勢： 可輕鬆進行容量擴展或縮小，提供高度靈活的存儲管理。
• 範例： 可將 /home、/var 這類目錄對應到不同的邏輯卷，提高系統管理效率。

LVM 的運作方式

LVM 由以下結構組成：

1. 物理卷（PV） → 卷組（VG） → 邏輯卷（LV）
2. 每個層級均可獨立擴展或縮減，靈活調整存儲空間。

這種層級化架構使得 LVM 在管理存儲時更加靈活與高效。

LVM 與傳統分區管理的區別

以下是傳統磁碟管理與 LVM 之間的主要區別：

LVM 帶來的便利性

LVM 不僅是一種磁碟管理工具，還帶來以下好處：

• 可在系統運行中動態調整磁碟空間。
• 支持快照功能，可快速備份和恢復數據。
• 能根據需求自由變更存儲結構。

透過掌握 LVM 的基本概念，您可以讓 Ubuntu 環境的存儲管理變得更高效。

3. 在 Ubuntu 上設定 LVM

本節將介紹如何在 Ubuntu 上設定 LVM，並透過命令行來進行實際的設置步驟。本指南適合初學者，提供清楚易懂的操作步驟。

準備工作

1. 確認 LVM 是否已安裝
   在 Ubuntu 中，LVM 通常會預設安裝。您可以使用以下命令來檢查：

sudo apt list --installed | grep lvm2

如果結果中未顯示 lvm2，則需執行以下命令進行安裝：

sudo apt update
sudo apt install lvm2

2. 確認可用的磁碟
   若要使用新磁碟進行 LVM 設置，可透過以下命令查看磁碟狀態：

sudo fdisk -l

根據結果，找到要用於 LVM 的磁碟（例如：/dev/sdb）。

LVM 設定步驟

1. 創建物理卷（PV）

使用以下命令，將指定磁碟或分區轉換為物理卷：

sudo pvcreate /dev/sdb

• 成功執行後，將顯示類似以下的訊息：

Physical volume "/dev/sdb" successfully created

2. 創建卷組（VG）

將物理卷組合為一個卷組，以提供更大的存儲池。

sudo vgcreate vg_data /dev/sdb

• vg_data 是卷組的名稱，您可以自訂名稱。
• 成功執行後，將顯示：

Volume group "vg_data" successfully created

3. 創建邏輯卷（LV）

在卷組內創建邏輯卷，例如建立 20GB 的邏輯卷：

sudo lvcreate -L 20G -n lv_data vg_data

4. 格式化邏輯卷

將新建的邏輯卷格式化為 ext4 檔案系統：

sudo mkfs.ext4 /dev/vg_data/lv_data

5. 掛載邏輯卷

創建掛載點並將邏輯卷掛載：

sudo mkdir /mnt/data
sudo mount /dev/vg_data/lv_data /mnt/data

• 若希望開機時自動掛載，需編輯 /etc/fstab，加入以下內容：

/dev/vg_data/lv_data /mnt/data ext4 defaults 0 0

驗證設置

確認 LVM 設置是否正確，可使用以下命令：

• 檢查物理卷：

sudo pvs

• 檢查卷組：

sudo vgs

• 檢查邏輯卷：

sudo lvs

注意事項

• 請確保重要數據已備份，以防誤操作導致資料遺失。
• 在使用新磁碟時，請確認其未包含關鍵數據，否則可能會造成不可逆的數據刪除。

4. LVM 的管理與操作

成功設置 LVM 後，您可能需要進行日常管理，例如擴展存儲空間、縮小磁碟大小，或建立快照來備份數據。本節將介紹常見的 LVM 操作方式。

擴展邏輯卷（LV）

當存儲空間不足時，可以使用以下步驟來擴展邏輯卷：

1. 向卷組（VG）添加新的物理卷
   先將新磁碟轉換為 LVM 物理卷：

sudo pvcreate /dev/sdc

然後，將該物理卷加入到現有的卷組中：

sudo vgextend vg_data /dev/sdc

2. 擴展邏輯卷大小
   例如，增加 10GB 的存儲空間：

sudo lvextend -L+10G /dev/vg_data/lv_data

3. 擴展檔案系統
   讓檔案系統反映新的存儲容量（適用於 ext4）：

sudo resize2fs /dev/vg_data/lv_data

縮小邏輯卷（LV）

縮小邏輯卷前需謹慎，避免數據丟失。

1. 先縮小檔案系統（假設縮小至 20GB）：

sudo resize2fs /dev/vg_data/lv_data 20G

2. 縮小邏輯卷大小：

sudo lvreduce -L 20G /dev/vg_data/lv_data

創建與恢復快照

1. 創建快照（例如快照名稱為 snap_backup）：

sudo lvcreate -L 5G -s -n snap_backup /dev/vg_data/lv_data

2. 恢復快照：

sudo lvconvert --merge /dev/vg_data/snap_backup

5. LVM 的應用案例

LVM（邏輯卷管理器）是一種靈活的存儲管理工具，適用於各種場景。本節將介紹 LVM 在不同環境下的實際應用，以幫助您更好地理解其優勢。

伺服器環境中的靈活磁碟管理

在伺服器環境中，存儲需求通常會快速變化。透過 LVM，可在不中斷服務的情況下動態擴展或重新配置存儲空間。

範例：

1. 當 Web 伺服器的日誌檔案佔滿磁碟時，可立即擴展邏輯卷：

sudo lvextend -L+10G /dev/vg_data/lv_logs
sudo resize2fs /dev/vg_data/lv_logs

2. 新增磁碟並整合至卷組，提高存儲效率：

sudo pvcreate /dev/sdc
sudo vgextend vg_data /dev/sdc

數據備份與保護

LVM 的快照功能可用於快速備份數據，特別適用於資料庫和關鍵設定檔案的保護。

範例：

• 創建數據庫備份快照：

sudo lvcreate -L 5G -s -n snap_db_backup /dev/vg_data/lv_database

• 使用快照來恢復數據或創建測試環境。

大數據與分析環境的存儲管理

在數據分析專案中，經常需要臨時存儲大量數據。LVM 可讓您根據需求快速分配和釋放存儲空間。

範例：

• 臨時創建 50GB 的存儲區：

sudo lvcreate -L 50G -n lv_temp vg_data
sudo mkfs.ext4 /dev/vg_data/lv_temp
sudo mount /dev/vg_data/lv_temp /mnt/temp

• 專案完成後刪除該邏輯卷：

sudo umount /mnt/temp
sudo lvremove /dev/vg_data/lv_temp

開發與測試環境的快速部署

在開發環境中，可以利用 LVM 快速創建與恢復測試環境，而不影響主系統。

範例：

• 從主系統創建測試環境的快照：

sudo lvcreate -L 10G -s -n test_env /dev/vg_data/lv_main
sudo mount /dev/vg_data/test_env /mnt/test

磁碟效能優化

透過 LVM，可將高頻存取的數據移動至更快的 SSD，提高系統效能。

範例：

• 將重要數據從 HDD 移至 SSD：

sudo pvmove /dev/sda /dev/ssd1

降低存儲成本

使用 LVM 可將多個小容量磁碟組合為一個存儲池，提高存儲利用率，減少閒置空間。

使用 LVM 時的注意事項

• 確保快照有足夠的存儲空間，避免快照損壞。
• 任何存儲操作前，請先備份重要數據。

6. LVM 故障排除

使用 LVM 時可能會遇到各種問題。本節將介紹常見的 LVM 問題及其解決方法，幫助您迅速診斷與修復錯誤。

常見問題與解決方案

問題 1：邏輯卷空間不足

症狀： 無法寫入新數據，顯示存儲空間不足。
可能原因： 邏輯卷空間過小，或卷組已達最大容量。
解決方案：

1. 擴展邏輯卷：

sudo lvextend -L+10G /dev/vg_data/lv_data
sudo resize2fs /dev/vg_data/lv_data

2. 添加新的物理卷：

sudo pvcreate /dev/sdc
sudo vgextend vg_data /dev/sdc

問題 2：快照損壞

症狀： 無法使用快照，或顯示錯誤訊息。
可能原因： 分配的快照空間不足。
解決方案：

1. 增加快照容量：

sudo lvextend -L+5G /dev/vg_data/snap_backup

2. 刪除並重新創建快照：

sudo lvremove /dev/vg_data/snap_backup

問題 3：物理卷無法識別

症狀： pvs 命令無法顯示物理卷，或出現錯誤訊息。
可能原因： 磁碟損壞或 PV 設定錯誤。
解決方案：

1. 檢查磁碟狀態：

sudo fdisk -l

2. 重新掃描物理卷：

sudo pvscan

問題 4：卷組無法啟動

症狀： vgscan 無法找到卷組，或顯示非活動狀態。
可能原因： 系統重啟後卷組未自動啟用。
解決方案：

1. 手動啟用卷組：

sudo vgchange -ay vg_data

2. 手動啟用邏輯卷：

sudo lvchange -ay /dev/vg_data/lv_data

7. 常見問題（FAQ）

本節將回答讀者可能遇到的常見問題，特別針對初學者容易困惑的部分，提供清晰易懂的解釋。

LVM 與傳統分區管理的差異是什麼？

回答：
傳統的分區管理需要預先分配磁碟空間，變更容量時較為困難，且可能導致數據遺失。而 LVM 則允許動態調整存儲空間，提供更靈活的管理方式。

使用 LVM 會影響系統效能嗎？

回答：
在大多數情況下，LVM 對系統效能的影響極小。然而，在使用大量快照或高負載 I/O 操作時，可能會出現輕微的效能下降。

建立 LVM 快照時，應該預留多少空間？

回答：
快照的大小應該根據變更的數據量來決定。一般建議預留原始邏輯卷大小的 10% 至 20% 作為快照空間，以確保快照運行穩定。

使用 LVM 會有風險嗎？

回答：
LVM 本身是一種安全的存儲管理機制，但使用時仍需注意以下事項：

• 不當操作（如錯誤刪除卷組）可能導致數據遺失。
• 快照空間不足時，快照可能無法使用。
• 建議在進行重大存儲變更前，先備份數據。

可以在現有系統上新增 LVM 嗎？

回答：
可以，但前提是系統有未使用的磁碟或分區。如果要將現有的非 LVM 分區轉換為 LVM，需要備份數據並重新配置存儲。

sudo pvcreate /dev/sdX
sudo vgcreate vg_name /dev/sdX

LVM 適用於哪些場景？

回答：
LVM 適用於以下場景：

• 伺服器存儲需求變化頻繁的環境。
• 需定期備份與恢復的資料庫管理。
• 需要快速擴展磁碟空間的開發環境。
• 數據分析和臨時存儲管理。

LVM 的數據可以復原嗎？

回答：
雖然 LVM 提供了一些數據恢復工具（如 vgcfgrestore），但並不保證能夠完整恢復所有數據。因此，建議定期進行數據備份，以防止因操作錯誤導致的數據遺失。

LVM 的最佳實踐是什麼？

回答：

• 在初始設置時，預留一定的存儲空間，以便未來擴展。
• 根據應用需求，合理規劃邏輯卷的大小。
• 定期使用 pvs, vgs, lvs 檢查 LVM 狀態。
• 利用快照功能來加強數據保護。

8. 總結

LVM（邏輯卷管理器）是一種強大的存儲管理工具，可為 Ubuntu 及其他 Linux 系統提供靈活、高效的磁碟管理方式。本教程涵蓋了 LVM 的基本概念、設置步驟、管理操作及常見問題，幫助您更好地理解和應用 LVM。

LVM 的優勢與重要性

使用 LVM 可帶來以下優勢：

• 動態存儲管理： 可根據需求擴展或縮小存儲空間，提升存儲利用率。
• 數據備份與恢復： 快照功能可快速備份與還原數據，確保數據安全。
• 提高存儲效率： 可將多個物理磁碟整合為存儲池，減少存儲空間浪費。

文章回顧

本教程介紹了以下內容：

1. LVM 的基本概念： 物理卷（PV）、卷組（VG）、邏輯卷（LV）的架構與功能。
2. 在 Ubuntu 上設置 LVM： 透過簡單易懂的命令行操作，學習如何配置 LVM。
3. LVM 的管理與操作： 包括擴展、縮小、快照管理等常見操作。
4. 應用案例： 如何在伺服器、數據分析、開發環境等場景中活用 LVM。
5. 故障排除： 解決常見的 LVM 問題，提高系統穩定性。
6. 常見問題解答： 針對 LVM 使用上的疑問，提供詳細的解釋。

下一步行動

要更熟悉 LVM，建議您執行以下操作：

• 實際在測試環境中安裝並使用 LVM。
• 定期檢查存儲狀態，確保磁碟資源的最佳利用。
• 學習並善用 LVM 的快照功能，以提高數據保護能力。

注意事項

使用 LVM 時，請務必定期備份重要數據，並在進行存儲操作前仔細檢查命令，避免誤刪資料。若遇到問題，可參考本教程的故障排除部分，或尋求社群支援。

透過學習 LVM，您將能夠更靈活、高效地管理 Ubuntu 系統的存儲空間。本教程希望能幫助您提升存儲管理技能，讓您的 Linux 環境更加穩定與強大。