【Linuxの基礎知識】LVMとは？LVMを理解しよう！

LVMとは？

LVM（logical volume manager）とは、複数のハードディスクやパーティションにまたがった記憶領域をまとめて、単一の論理ボリューム（LV）として扱うことのできるディスク管理機能です。
※ インストール時に手動パーティションの設定で作成することが出来ます。

利用者からは、通常のパーティションと同様に見え、作成されたlvを個々に任意のフォーマットで利用できる等のメリットがあります。また、システムを停止せずに論理ボリュームサイズの増減を自由に行うことが可能です。

LVMの特徴

従来のパーティション管理は、ディスクの物理的なセクターを直接管理しますが、固定的で柔軟性に欠けます。一方、LVMはディスクを抽象化し、より柔軟な操作を可能にします。

LVMは、以下の課題を解決するために設計されています。

LVMは、ファイルシステムに対して柔軟なディスク管理を提供します。これにより、従来のパーティション管理では不可能だった操作が可能になります。

これらの特徴により、LVMは現代のシステム運用において不可欠な技術の一つとなっています。

LVMの構成要素

LVMは、ハードディスクを「PE（フィジカルエクステント）」と言う記憶領域に分割し、必要な時に必要な分だけ使用することが可能です。

PE（フィジカルエクステント）とは？

PEとは、LVMが扱う記憶領域の最小単位で、デフォルトのサイズは４MBです。PEの数は最大65,536個となっており、デフォルトの４MBでlvを作成する場合、最大で「256GB」までとなっています。それ以上のサイズをLVで作成するためには、このPEのサイズを４MB以上にする必要があります。

むやみにPEサイズを大きくとってしまうと端数が発生し無駄な領域が生じてしまいます。
※ PEのサイズは8KB~512MBの範囲で指定が可能です。

PV（フィジカルボリューム）とは？

「PV（フィジカルボリューム）」とは、物理的な記憶媒体を指しています。通常は、物理ディスクに対して1対1で作成をしますが、複数のパーティションで区切ったパーティション単位にPVを1体1で作成することも可能です。「fdisk」コマンドでパーティションID「HEXコード（16進数）」には「8e」を指定して作成します。

VG（ボリュームグループ）とは？

「VG（ボリュームグループ）」は、作成されたPV管理します。特にPEサイズの指定が無い場合、VG作成時にPV中に４MB（デフォルト）でPEが作成され、複数「PV（フィジカルボリューム）」を結合して、フィジカルディスクサイズを超える「 VG(ボリュームグループ)」 を作成する事が可能です。

ただし、前述のとおり、PEの数は最大65,536個となっており、デフォルトの４MBでlvを作成する場合、最大で「256GB」までとなっています。さらに大きなVGを作成する場合は、PEサイズを（8K~512MB）の範囲で大きな値を指定する必要があります。

LV（ロジカルボリューム）とは？

「LV（ロジカルボリューム）」は、実ファイルを格納する領域です。LVはPEの集合で作成されており、作成するLVの容量はPEの倍数で最も効率的となります。

LVは任意のファイルシステムにフォーマットすることができ、またVGの空き容量にもよりますが、動的に拡張・縮小が可能です。

ファイルシステムとは？

ハードディスクやUSB等の記憶媒体上のデータやプログラムは、フアイルと呼ばれる単位で管理されます。この管理のしくみをファイルシステムといいます。ざっくりと言ってしまえば、ファイルを取り扱う（操作だけでなくその所在を定義したり読み出したりする）際の枠組み（規格）」といえます。通常はパーティション上に作成されますが、LVM環境ではLV上に作成されます。現時点では、「ext4」がLinuxの標準ファイルシステムになります。

ファイルシステムについては、下記のリンクページを参照してください。

Beエンジニア

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【Linuxの基礎知識】ファイルシステムを極める！ディレクトリ構造とその関連性を解説

https://www.pmi-sfbac.org/linux-directory-fsystem

Linuxの運用に欠かせない「ファイルシステム」と「ディレクトリ構造」。これらは、データ管理の基盤として重要な役割を果たしています。本記事では、ファイルシステムの基本概念から、ディレクトリ構造の仕組みや関連性について詳しく解説します。これを読むことで、Linuxシステム全体の動きをより深く理解し、効率的な運用を実現するための知識を身につけることができます。初心者から経験者まで役立つ内容をお届けしますので、ぜひ最後までご覧ください！ファイルシステムの基本概念Linuxのファイルシステムは、データを効率的に管理...

システム領域

通常、linuxOSをインストールすると、ブート領域に第１バーティション「/dev/sda1」及び、システムの稼働に第２パーティション「/dev/sda2」が作成されます。

外部ディスクを追加する

データ格納領域や、バックアップ領域で巨大なディスクを外部から取り込み使用する場合もLVMは使用することが出来ます。下記のイメージはデータ格納領域を外部ディスク上へ作成して使用する場合のイメージになります。

昨今のシステムでは、腹持ちディスクの肥大化を避け、むしろ外部ディスクを積極的に使うプロジェクトが多くなっています。

LVM領域の作成

LVM領域を作成するには、下記の手順で「pv」「vg」「lv」を作成していきます。

Beエンジニア

【Linuxの基礎知識】再起動時に入れ替わるデバイス名「sdX」を固定したい

https://www.pmi-sfbac.org/linux-change-device-name

本業に忙殺され長らく本ブログの更新をサボってしいました。その間にも彼此、コメントでの質問がたまっていましたので、少しずつ回答記事を作成していこうかと思っています。かなり急いでコメントされた方もいるみたいですが、誠に恐縮ですが今更の回答になってしまうことをお許しください。さて、lvm関連での質問で、OSを再起動するたびにデバイスマップ名がコロコロ変更されてしまう件に関して回答いたします。実際に口頭でやり取りしたわけではないので、あくまでも憶測になりますが、テキスト文章から察するに回答としては、「init...

すみません、話がそれてしまいました。戻します。

ここでは「/dev/sda」へ3つ目のパーティションを作成してLVMを設定していきます。

パーティション作成

LVM領域を作成するためには、まずLinux上へLVMで使用するパーティションを作成する必要があります。例として「/dev/sda」の空き領域へテスト用のパーティション「/dev/sda3」を作成します。

下記のコマンドを入力して、新規パーティション「/dev/sda3」を作成します。

35行目：新たなパーティション「/dev/sda3」が作成されていることが分かります。

ちなみにパーティションの削除は、「対話モードの主なコマンド」で「-d」を入力し、対象パーティションを選択して削除します。

pv（フィジカルボリューム）作成

パーティションへLVMの「フィジカルボリューム」を作成します。

下記のコマンドを入力して、作成したパーティション「/dev/sda3」へpvを作成します。

# pvcreate /dev/sda3

※ 環境により、パーティションの反映に再起動が必要です。

下記のコマンドを入力して、PVが正常に作成されていることを確認します。

# pvs

パーティション「/dev/sda2」に、ほとんどの領域が取られてしまっていますが、とりあえず1.3GB分pvが確保できているのが分かります。

pvの削除を行うには「pvremove」コマンドに、対象パーティションを引数として実行することで削除することが出来ます。

vg（ボリュームグループ）作成

LVMの「PV（フィジカルボリューム）」へボリュームグループを作成します。

下記のコマンドを入力して、作成したpvへボリュームグループを作成します。

# vgcreate test_vg /dev/sda3

下記のコマンドを入力して、VGが正常に作成されていることを確認します。

# vgs

ボリュームグループ「test_vg」が作成されているのが分かります。

vgの削除を行うには、「vgremove」コマンドへ、対象ボリュームグループを引数として実行することで削除することが出来ます。

lv（ロジカルボリューム）作成

LVMの「vg（ボリュームグループ）」へロジカルボリュームを作成します。

下記のコマンドを入力して、作成したVGへ論理ボリュームを作成します。

# lvcreate -n lv_test -L 1G test_vg

下記のコマンドを入力して、LVが正常に作成されていることを確認します。

# lvs

論理ボリューム「lv_test」が作成されているのが分かります。

lvの削除を行うには、「lvremove」コマンドへ、対象ロジカルボリュームを引数として実行することで削除することが出来ます。

※ 実際に作成した「lv_test」を使用するには、システム使用されるフォーマット形式へ変換する必要があります。また、lvの「拡張・縮小」については、別記事でご紹介します。

高度なLVMの活用

LVM（Logical Volume Manager）の基本操作を理解したら、次はその高度な活用方法について学びましょう。このセクションでは、スナップショット機能とロジカルボリュームの動的管理に焦点を当て、実践的な応用例を紹介します。

スナップショットの作成と運用

LVMのスナップショット機能は、データ保護やテスト環境の作成に非常に役立ちます。ファイルシステムの状態を瞬時にコピーすることで、安全かつ効率的な運用を実現します。

実際の作成手順と応用例

• スナップショットの作成:
  

  lvcreate --size 1G --snapshot --name snapshot_name /dev/vg_name/lv_name

  • --size: スナップショットの容量を指定。
  • --snapshot: スナップショットを作成するオプション。
• スナップショットのマウント:
  

  lmount /dev/vg_name/snapshot_name /mnt

• 応用例:
  • バックアップ用ディスクにスナップショットを保存。
  • テスト環境でスナップショットをマウントし、変更の影響を確認。

 ロジカルボリュームの動的管理

LVMの大きな利点の一つは、運用中でもロジカルボリュームのサイズを動的に変更できる点です。この機能を活用すれば、ディスク容量の効率的な利用が可能になります。

1. ロジカルボリュームの拡張:
   

   lvextend -L +10G /dev/vg_name/lv_name
   resize2fs /dev/vg_name/lv_name

   • -L +10G: 現在のサイズに10GBを追加。
2. ロジカルボリュームの縮小:
   

   umount /mnt
   e2fsck -f /dev/vg_name/lv_name
   resize2fs /dev/vg_name/lv_name 5G
   lvreduce -L 5G /dev/vg_name/lv_name
   mount /mnt

3. 縮小する場合、データ損失を防ぐためにファイルシステムのチェックが必須。

LVMのスナップショットは、ファイルシステムの現在の状態を瞬時に保存できる便利な機能です。ただし、スナップショットのサイズ設定が適切でないと、期待通りに動作しない場合があります。このセクションでは、スナップショットサイズの指定とその動作について詳しく解説します。

スナップショットのサイズ指定

スナップショットを作成する際、サイズを指定します（例: --size 1G）。このサイズは、バックアップ対象全体の容量ではなく、スナップショット作成後に発生するデータ変更の量に基づいて決定します。

• 初期状態:
  • スナップショット作成直後、指定されたサイズの領域にはデータは保存されません。
  • ファイルシステム全体の状態を参照するためのメタデータが設定されます。
• 変更時の動作:
  • 元のロジカルボリューム（LV）のデータが変更されると、変更前のデータがスナップショット領域にコピーされます（Copy-on-Write方式）。
  • サイズが不足するとスナップショットが破損し、バックアップやリストアができなくなります。

スナップショットサイズの適切な決め方

1. データ変更量を把握する:
   通常の運用で、どの程度のデータが変更されるかを見積もります。例: 毎時間の変更量が5GBの場合、スナップショットサイズを10GB以上に設定。
2. 余裕を持たせる:
   予期しないデータ変更に備え、見積もった変更量の2倍以上を推奨。
3. サイズの監視:
   作成したスナップショットの利用状況を監視し、必要に応じてサイズを調整します。
   

   lvdisplay /dev/vg_name/snapshot_name

スナップショットサイズの指定例

• 少量の変更が予想される場合:
  変更量が1GB以内なら、以下のコマンドで十分です。
  

  lvcreate --size 1G --snapshot --name snapshot_name /dev/vg_name/lv_name

• 多くの変更が予想される場合:
  大規模なデータ変更が予想される場合、変更量を見積もってサイズを増やします。
  

  lvcreate --size 10G --snapshot --name snapshot_name /dev/vg_name/lv_name

スナップショットが破損する場合

スナップショットのサイズが変更量を超えた場合、次のようなエラーが発生する可能性があります：

• 「Snapshot is full」
• 「Insufficient snapshot space」

この場合、スナップショットの利用が停止し、作業内容が失われるリスクがあります。

スナップショットのサイズは、変更量に応じて適切に設定する必要があります。サイズを十分に確保することで、安定したバックアップやデータ保護が可能となります。スナップショットの運用を成功させるには、事前の計画と運用中の監視が不可欠です。

ロジカルボリューム縮小時の注意

ロジカルボリューム（LV）の縮小操作はデータ損失のリスクを伴うため、慎重に進める必要があります。以下に、適切な手順を示します。

ロジカルボリューム縮小手順

1. 対象のロジカルボリュームのバックアップ取得:
   縮小操作にはデータ損失の可能性があるため、事前にデータを完全にバックアップします。
2. 対象のロジカルボリューム縮小作業:
   1. ファイルシステムをアンマウントし、整合性を確認します。
      

      umount /mnt/lv_name e2fsck -f /dev/vg_name/lv_name

   2. ファイルシステムのサイズを縮小します（縮小後の容量を指定）。
      

      resize2fs /dev/vg_name/lv_name new_size

   3. ロジカルボリューム自体を縮小します。
      

      lvreduce -L new_size /dev/vg_name/lv_name

   4. 作業が完了したら再マウントし、正常に動作していることを確認します。
      

      mount /mnt/lv_name

スナップショットからのリストアする場合の手順

スナップショットを使用してバックアップしたデータをリストアする場合、以下の手順を実行します。この方法では、 restoreコマンドを使用して、 dump形式のバックアップファイルを復元します。

1. スナップショットをマウントする:
   スナップショットのデバイスをマウントします。
   

   mount /dev/vg_name/snapshot_name /mnt/snapshot

2. リストア元の dumpファイルを使用する :
   restoreコマンドを使用してバックアップをリストアします。
   

   restore -rf /mnt/snapshot/backup.dump -D /mnt/lv_name

3. リストア後の確認 :
   データが正しくリストアされたことを確認します。
   

   ls -l /mnt/lv_name

補足（スナップショット）

この記事に寄せられるコメントの中で、スナップショットに関する質問が特に多く寄せられていますが、その仕組みや用途について誤解されている方も少なくないようです。スナップショットについて詳しく説明しようとすると、この記事内では内容が非常に多くなってしまうため、別記事として詳しく解説をお届けする予定ですがちょっとだけ原理について記載しておきます。

スナップショットを利用することでバックアップが早くなる理由は、スナップショットが元のボリューム全体を直接操作するのではなく、参照状態を基に効率的にデータを取得するためです。そのため、元のボリュームのデータを「直接すべてコピーする」のではなく、参照を活用して必要最小限のI/O操作で済ませることが速度向上のカギとなります。

結論
スナップショットを使用したバックアップとリストアは、元のボリュームが正常であることが前提となります。元のボリュームが破損している場合、スナップショット領域だけではデータ全体を復元することはできません。

スナップショットはあくまで一時的な保護やバックアップのための補助的なツールであり、完全なデータ復元には元のボリュームまたはフルバックアップが必要です

LVM運用中のトラブルシューティング

LVM（Logical Volume Manager）は柔軟なディスク管理を可能にしますが、運用中にエラーが発生することもあります。このセクションでは、よくあるトラブルとその解決方法について解説します。

よくあるエラーの原因と解決法

VMの運用中には、ディスクが認識されない、ボリュームがマウントできないなどのエラーが発生することがあります。このセクションでは、これらのよくあるトラブルの原因を特定し、解決するための基本的な手順を解説します。

ディスク未認識時の対応

新しいディスクが認識されない場合、ハードウェア接続やシステム設定が原因となることがあります。以下の手順で問題を特定し、解決します。

1. ハードウェアの確認:

   ディスクが正しく接続されていることを確認します。

   lsblk

   fdisk -l

2. LVMのスキャンを実行:

   LVMがディスクを検出できるか確認します。

   pvscan

3. モジュールのロード:

   デバイスマッパーモジュールがロードされているか確認し、必要に応じてロードします。

   lsmod | grep dm_mod

   modprobe dm_mod

4. リブート後の再確認:

   上記の手順で解決しない場合、システムを再起動して再度確認します。

ボリュームがマウントできない場合の対処

ボリュームがマウントできない場合、ファイルシステムや設定に問題がある可能性があります。以下の手順で対応します。

1. エラーメッセージの確認:

   dmesg または journalctl を使用してエラーログを確認します。

   dmesg | tail

   journalctl -xe

2. ファイルシステムの修復:

   ファイルシステムが破損している場合、 fsck コマンドで修復を試みます。

   fsck /dev/vg_name/lv_name

3. 手動マウントの試行:

   ファイルシステムを手動でマウントし、エラーが解消されるか確認します。

   mount /dev/vg_name/lv_name /mnt

4. マウントオプションの確認:

   /etc/fstab を確認し、誤った設定がないか確認します。

この記事を読んだら、次は 「【Linuxの基礎知識】過去事例から学ぶ！システムセキュリティの基本」 を読むのがおすすめです！

Beエンジニア

【Linuxの基礎知識】過去事例から学ぶ！システムセキュリティの基本

https://www.pmi-sfbac.org/linux-security-incident

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