Oracle ASM

（一）ASM概述

        提到Oracle ASM，相信大家都有熟悉又陌生的感觉，熟悉在于目前11g ARC数据库基本都使用ASM，陌生在于平时只是基本的使用，对ASM了解并不全面。例如数据库实例是如何与ASM交互与分工的、ASM存在哪些特性、数据库各种文件是怎样存放于ASM存储中、他的元数据是怎么存放的。

        Oracle 10g之前，存储设备的使用情况：UNIX/Linux操作系统上安装逻辑卷管理器（LVM），通过LVM将多个磁盘做成卷组，在卷组上划分逻辑卷（logical volume），然后在逻辑卷上创建文件系统，RAC环境下需要第三方共享集群软件。Oracle 10g之后引入的专用文件系统ASM，为数据库文件的管理提供了很好的支持。DBA能够完全在Oracle框架内执行许多任务，利用ASM来将一组磁盘转换成一个可伸缩的和高性能的文件系统/卷管理器。ASM磁盘组提供了直接作为原始设备来访问这个空间，并提供文件系统的便利性和灵活性。

        ASM对DBA有许多好处，使用ASM可以避免：

•  I/O性能优化
•  数据文件移动和重新组织
• 文件名管理
• 逻辑卷管理
• 文件系统管理
• 集群文件系统管理
• 裸设备管理

使用ASM可以显著减少：

• 逻辑单元号（LUN）管理，逻辑单元数量较少，大小较大
• 数据库管理员对系统管理员的依赖性
• 手动执行任务时可能发生的错误

（二）RAC环境下的ASM结构

        RAC环境下的ASM结构如图：

                                                             图1. RAC环境下的ASM结构

ASM的出现是为RDBMS管理文件存储，ASM中适合存放的文件类型包括：数据文件(data file)、控制文件(control file)、重做日志文件(redo log file)、归档日志文件(archive log file)、闪回日志文件(flashback log file)、参数文件(spfile)、RMAN备份以及block tracking file、datapump文件。

ASM不会代替RDBMS去实施I/O读写，很多人对这一点存在误解，认为RDBMS发送I/O请求给ASM，ASM去执行I/O，这样的想法是错误的。ASM只负责将存储空间地址返回给RDBMS，真正的I/O还是会由RDBMS进程去完成，和不用ASM的裸设备一样，因此ASM不是I/O的中间层，也就不存在因为ASM而出现I/O瓶颈。

（三）ASM实例

        ASM实例的主要任务之一就是管理ASM metadata元数据。ASM instance在10.2中使用与RDBMS一样的二进制软件，到11.2中分开独立实例，它类似于ORACLE RDBMS INSTANCE，有其SGA和大多数后台进程。

ASM Instance结构如下图：

  

                                                          图2.ASM Instance结构图

（1）ASM Instance中的内存结构主要包括4个部分：

• Share Pool：用于元数据信息
• Large Pool：用于并行操作ASM

       SQL> show parameter large_pool_size

       NAME                            TYPE         VALUE

       ------------------------------- -----------  ------------------------------

       large_pool_size                 big integer  12M

• ASM高速缓存：用于重新平衡操作期间读取和写入块
• Free Memory：可用的未分配内存

（2）ASM的主要进程：

• RBAL：在搜索过程中打开所有设备文件并协调重新平衡活动
• ARBn：一个或多个从属过程，用于执行重新平衡活动
• GMON：负责管理磁盘活动，例如删除或脱机以及提高ASM磁盘兼容性
• MARK：根据需要将ASM分配单元标记为过时

此外，ASM Instance还有一下进程：

• ARCn：归档进程
• CKPT：检查点进程
• DBWn：数据库写进程
• DIAG：诊断进程
• Jnnn：作业队列进程
• LGWR：日志写进程，ASM实例的SGA不包含log buffer，该实例也不使用联机重做日志文件，ASM实例的LGWR进程将事件记录信息复制到ASM磁盘组。
• PMON：进程监视进程
• SMON：系统监视进程
• PSP0：进程衍生进程
• QMNn：队列监视进程
• RECO：恢复器进程
• VKTM：虚拟计时器进程

对于ASM实例，这些进程执行的任务与数据库实例中的不同。例如，ASM实例的SGA不包含日志缓冲区，该实例也不使用联机重做日志，ASM实例中的LGWR进程将事件记录信息复制到ASM磁盘。

如果ASM是以集群方式建立的，则将在ASM实例中运行与集群管理相关的附加进程。其中一些进程如下：

• LMON：全局入队服务监视器进程
• LMDn：全局入队服务守护进程
• LMSn：全局高速缓存服务进程
• LCKn：锁定进程

（四）初始化参数

ASM由参数文件控制，通常设置的参数包括：

• instance_type：对于asm实例来说，要设置成asm，对于数据库，则设置成RDBMS
• ASM_POWER_LIMITE：默认为1，表示ASM磁盘组在进行rebalance时的并行度，值从1到11，1最慢，该参数可动态修改alter system set asm_power_limit=5；
• ASM_DISKSTRING：是一个与操作系统有关的值，ASM使用它来限制搜索时考虑的磁盘集。默认为空字符串，表示ASM查找系统中所有ASM拥有读写权限的所有设备；
• ASM_DISKGROUP：表示启动实例时，自动Mount那些磁盘组，可以写多个磁盘组
• MEMORY_TARGET：默认自动启动内存管理，即使未明确设置MEMORY_TARGET参数也是如此，该参数建议不小于1536M。

通常，这几个参数的值如下：

asm_diskgroups                                           string     

asm_diskstring                        　　　　　　string     

asm_power_limit                     　　　　　　 integer     1

asm_preferred_read_failure_groups      　  string 

memory_target                       　　　　　　 big integer  0

（五）数据库实例与ASM实例的交互

        例如，一个数据文件的创建，数据库实例与ASM实例是怎么交互分工来完成的？

 

                                                                 图3.数据库实例与ASM实例交互

文件创建过程如下：

1.用户在RDBMS发出create file命令，RDBMS会发起一个与ASM实例的连接，RDBMS端这个连接是ASMB后台进程，而ASM端则是个前台进程，接着，创建文件的指令通过这个链接提交给ASM实例；

2.ASM根据创建文件的指令，从磁盘中分配AU，ASM会根据指定的模板（template）或diskgroup默认的template来决定文件的冗余、条带策略；

3.AU分配完成后，ASM就把文件的Extent map发送给RDBMS；

4.RDBMS发起I/O操作，初始化（格式化）这个ASM文件；

5.初始化完成后，RDBMS向ASM发送commit请求，ASM把相应的allocation table、file directory、alias directory异步写回磁盘；

6.提交确认会隐式关闭该文件。将来发生I/O时，数据库实例需要重新打开该文件。

注意：用户在读写数据时，第4步不同，其它均相同

        经常有人问，数据库实例使用ASM作为存储，只需要在文件名中加上磁盘组名即可，而在数据库中没有ASM相关的静态配置，那么是怎么找到ASM磁盘组的？

其实ASM实例挂载磁盘组后，ASM会把disk group、asm instance name、oracle home path等信息注册到CSS，当数据库实例打开或创建名字以“+”开头的文件时，它会通过CSS来查看disk group和mount该DG的ASM实例的信息，再通过CSS中这些信息构造connect string连接ASM实例的。

ASM概念图如下：

 

                 图4.数据库逻辑结构与ASM物理结构的关系

（六）磁盘组、磁盘、AU、ASM文件、EXTENT MAP

（6.1）ASM磁盘组（ASM diskgroup）

一个Disk Group由多个ASM Disk组成，该Diskgroup空间使用信息的元数据均完整的包含在这个磁盘组中，通过v$asm_diskgroup视图查看磁盘组信息。

 SQL> select * from v$asm_diskgroup;

GROUP_NUMBER    NAME        SECTOR_SIZE  BLOCK_SIZE  ALLOCATION_UNIT_SIZE   STATE        TYPE      TOTAL_MB    FREE_MB     COLD_USED_MB  USABLE_FILE_MB  VOTING_FILES
------------    ---------   -----------  ----------  --------------------   ----------   ------    ----------  ----------  ------------  --------------  ------------
           1    ARC         1024         4096        1048576                CONNECTED    EXTERN    204800       178612     26188         178612           N
           2    DATA        1024         4096        1048576                CONNECTED    EXTERN    2048000      1523261    524739        1523261          N
           3    OCRVOTE     1024         4096        1048576                MOUNTED      EXTERN    6144         5716       428           5716             Y

我们可以看到一共有3个DG,名字分别为ARC、DATA、OCRVOTE，磁盘组的Block Size大小为4096b(4kb)，AU大小为1Mb，STATE状态有CONNECTED，说明数据库实例正在连接使用该DG；状态为MOUNTED，说明DG已经挂载，随时可以使用。TYPE类型显示为外部冗余，总容量和空闲容量在这也有显示。

磁盘组冗余有三种选择：

• External Redundancy：没有Fialure Group，不提供任何镜像；
• Normal Redundancy：至少要求2个Failure Group，默认支持双向镜像；
• High Redundancy：要求3个Failure Group，默认支持三向镜像。

（6.2）ASM磁盘（ASM disk）

对于ASM而言LUN Disk可以是裸设备也可以直接是块设备，可以通过v$asm_diskgroup来查看磁盘信息:

SQL> select * from v$asm_disk;
 
GROUP_NUMBER  DISK_NUMBER  MOUNT_STATUS  MODE_STATUS  LIBRARY    OS_MB      TOTAL_MB  FREE_MB  NAME           FAILGROUP      PATH                VOTING_FILE  SECTOR_SIZE   FAILGROUP_TYPE
------------  -----------  ------------  -----------  -------    --------   --------  -------  -------------- ------------   ------------------  -----------  -----------   --------------
           3  0            CACHED        ONLINE       System     6144       6144      5716     OCRVOTE_0000   OCRVOTE_0000   /dev/rdisk/disk18   Y            1024          REGULAR
           1  0            CACHED        ONLINE       System     204800     204800    186864   ARC_0000       ARC_0000       /dev/rdisk/disk19   N            1024          REGULAR
           2  0            CACHED        ONLINE       System     1024000    1024000   761637   DATA_0000      DATA_0000      /dev/rdisk/disk20   N            1024          REGULAR
           2  1            CACHED        ONLINE       System     1024000    1024000   761624   DATA_0001      DATA_0001      /dev/rdisk/disk21   N            1024          REGULAR

我们可以看到ASM Disk，其中/dev/rdisk/disk19属于diskgroup1，/dev/rdisk/disk20和/dev/rdisk/disk21属于diskgroup2，/dev/rdisk/disk18属于diskgroup3。通过ASM磁盘信息，我们也可以看到磁盘的使用情况。

        创建ASM磁盘的方法主要有：ASMLIB和UDEV。通常不建议使用ASMLIB创建ASM磁盘，缺点有：

              1.对于多路径设备，需要配置ORACLEASM_SCANORDER及ORACLEASM_SCANEXCLUDE；

              2.因为ASM Instance使用ASMLIB提供的ASM disk，所以增加了额外的层面；

　　　　3.不是每个版本的Linux Kernel都支持ASMLIB;

　　　　4.使用ASMLIB意味着要花费更多的时间去创建和维护。

(6.3)AU

        AU(allocation unit)是Disk Group的分配单元，一个ASM磁盘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，该表的一个记录代表ASM Disk的一个AU。

　　 在创建磁盘组时可以配置AU大小，AU默认大小为1MB，AU足够小，能够缓存数据库，但足够大，能够提供高效的访问。AU的大小可设置为：1，2，4，8，16，32或64MB。

(6.4)ASM文件

        ASM文件由一组分配单元（AU）组成，这些文件只属于某个磁盘组，不可跨越磁盘组，每个ASM文件都具有唯一的系统生成的名称，ASM文件的文件名以“+”号开头，如“+data/orcl/datafile/system.256.689832921”。如果在创建ASM文件时指定了文件的名称，如“+data/orcl/tbs01.dbf”，则该名称为ASM文件的别名，ASM会将该别名与实际创建的文件名称相关联。

　　 ASM中可以存放数据文件、日志文件、控制文件、归档日志文件等。

(6.5)区映射(EXTENT MAP)

区映射是ASM的Extent指针（pointer）给出了ASM Disk Number和AU号，这就描述了该Extent的物理位置。

 

                           图5.ASM区映射

文件区与分配单元(AU)之间的关系如下所示。区包含：

• 1个AU用于前20000个区（0-19999）
• 4 AUs用于接下来的20000个区（20000-39999）
• 16 Aus用于40000以上的区

将可变大小的区与大型分配单元结合使用，可满足非常大的ASM存储文件的需要。

X$KFFXP是ASM自动存储管理特性的重要内部视图，该视图反应了File Extent Map映射关系。

(七) ASM故障组

 　　 ASM怎么实现冗余，failure group采用同一份数据的多份拷贝，保证不会出现单点错误，冗余拷贝单位为Extent。多份冗余拷贝不会存在同一个failure group 的磁盘中，换句话说，一个failure group中只有一份拷贝的数据，不会有第二份。

 　　failure group又是什么概念呢？个人理解，failure group是diskgroup的一个子集，在创建diskgroup的时候，我们可以指定磁盘组的failure group的数量，如果不指定，则diskgroup中的每个磁盘都是一个failure group。对于冗余级别为external的diskgroup， 只保留一份数据，因此只需要有1个diskgroup即可，对于冗余级别为normal的diskgroup， 需要保留一份数据及其镜像，因此至少需要有2个diskgroup，对于冗余级别为high的diskgroup， 需要保留一份数据及两份镜像，因此至少需要有3个diskgroup。

以下示例，一个normal redundancy的diskgroup中存在8个disk，并使用2个failure group，可以看到每个failure group存一份数据。

 

                      图6.ASM Normal Redundancy Extents分布图示

当disk H发生故障时，这个失败要求在失败磁盘上的所有的Extent均被修复，Extent3和Extent5会从现存的磁盘中复制到failure group 2中可用的区域。在此例子中，Extent 5被从disk A中复制到disk F，Extent 3从disk拷贝到disk G，最后将失败的磁盘从diskgroup中drop出去。

 

                      图7.失效时的磁盘分配

（八）ASM磁盘数据rebalance

ASM怎么平衡组内磁盘的数据？Rebanlance将在diskgroup范围内将数据在disk上移动，以保证文件均匀分布在diskgroup上的各个磁盘中。一旦diskgroup发生了存储配置变化，如增加或删除磁盘，resize会自动出发一次rebanlance。power参数将决定有多少个slave进程参与数据移动。

以下示例Rebanlance。磁盘组diskgroup中有2个磁盘disk A和disk B，这时，我们再增加一个磁盘disk C，这时disk C并没有数据。在Rebanlance后，三个磁盘数据达到平衡。

                     图8.ASM磁盘数据rebanlance

 (九) ASM条带化

在ASM中，条带化主要有2个用途：

• 在磁盘组的所有磁盘中执行I/O负载平衡；
• 改善I/O等待时间

ASM条带化一共有2种类型，粗粒度条带化和细粒度条带化。

（9.1）粗粒度条带化（主要用于平衡I/O）

        粗粒度条带化条带大小固定为AU大小，条带宽度固定为1。因此，粗粒度条带化在分配文件时，ASM会在所有磁盘中分布分配单元，有时无法非常平均，但随着时间的流逝，会变得几乎相等。下图显示了一个具有5个分配单元的文件，这些AU在条带化之后，分布在一个冗余级别为external的磁盘组中，该磁盘组一共有8个磁盘。

                         图8.粗粒度条带化

（9.2）细粒度条带化(主要用于改善等待时间)

　　 细粒度条带化极少使用，默认都是粗粒度。细粒度条带化条带大小为128KB（默认），AU大小为1MB（默认），条带宽度为8。细粒度条带化将数据区拆分为128KB的块，然后许多磁盘分布每个区的负载，从而改善特定文件类型的等待时间，默认情况下，细粒度条带化用于控制文件和联机重做日志文件。

 例子：具有8个磁盘构成的磁盘组，采用外部冗余的模式，AU大小为1MB，细粒度条带化条带大小为128KB，AU大小为1MB。第一个1MB区在8个AU中以128KB条带形式写入。因此，1MB数据分布在8个磁盘中，而不是1个磁盘中。

               图9.第一个1MB区在8个AU中以128KB条带形式写入

当第二个1MB区数据进来后，继续分配在每个磁盘AU的第2个128KB块中，这种模式一直继续，直到第1组AU写满，然后再分配下一组AU。

                      图9.第二个1MB区继续在8个AU中以128KB条带形式写入

（十）ASM常用视图

视图名称	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$KFGRP_STAT	显示磁盘组状态
V$ASM_DISK	X$KFDSK,X$KFKID	实施磁盘发现disk discovery和列出磁盘以及磁盘的使用量
V$ASM_DISK_STAT	X$KFDSK_STAT,X$KFKID	列出磁盘及度量信息
V$ASM_FILE	X$KFFIL	列出ASM文件，也包括了元数据信息
V$ASM_ALIAS	X$KFALS	列出ASM的别名，文件和目录
V$ASM_TEMPLATE	X$KFTMTA	列出可用的模板及属性
V$ASM_CLIENT	X$KFNCL	列出连接到ASM实例的会话客户端
V$ASM_OPERATION	X$KFGMG	列出rebalance重平衡操作
V$ASM_DISK_IOSTAT	X$KFNSDSKIOST	I/O统计信息

 

 

【完】

 

 

注：本文整理自云和恩墨的线上讲座，原文：https://wenku.baidu.com/view/752e450fdc36a32d7375a417866fb84ae45cc391.html。感谢作者的分享。