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Device Mapper 机制详解

Device Mapper（简称 DM）是 Linux 内核中的一套通用块设备映射框架，为 LVM、加密磁盘、RAID 等提供底层支持。本文将详细介绍 Device Mapper 的原理、实现、内核配置、常用工具、操作测试流程，并配以详细的 mermaid 框图说明。

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一、Device Mapper 原理

Device Mapper 主要作用是将虚拟块设备（/dev/mapper/xxx）映射到一个或多个物理块设备（如 /dev/sda、/dev/sdb），并允许在中间层进行各种功能扩展，例如快照、加密、条带化等。

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二、Device Mapper 实现与架构

2.1 核心组件

• dm-mod：Device Mapper 的主内核模块
• dm-ioctl：用户空间与内核空间通信接口
• 映射表（Table）：描述虚拟设备与物理设备的映射关系
• Target：具体的功能实现，如 linear、striped、crypt、snapshot 等

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2.2 映射原理举例（线性映射，linear mapping）

sequenceDiagramparticipant Userparticipant /dev/mapper/testparticipant dm-modparticipant /dev/sdb1User->>/dev/mapper/test: 发起读写请求/dev/mapper/test->>dm-mod: 通过 ioctl 调用转发请求dm-mod->>dm-mod: 查询映射表，确定映射区域dm-mod->>/dev/sdb1: 实际操作底层块设备

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三、内核配置选项

要支持 Device Mapper，内核需打开以下选项：

配置方法（以 menuconfig 为例）：

Device Drivers  --->Multiple devices driver support (RAID and LVM)  ---><*> Device mapper support<*>   Crypt target support<*>   Snapshot target support<*>   Linear target support<*>   Striped target support

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四、常用工具

• dmsetup：Device Mapper 的通用管理工具
• lvm2：基于 DM 的逻辑卷管理工具
• cryptsetup：基于 DM-crypt 的加密工具

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五、操作与测试流程

5.1 创建线性映射设备

1. 准备测试数据：

   # 假设有两个分区 /dev/sdb1 和 /dev/sdb2，确保未挂载
   sudo dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=100
   sudo dd if=/dev/zero of=/dev/sdb2 bs=1M count=100
   

2. 创建映射表文件：

   cat > mytable.txt <<EOF
   0 204800 linear /dev/sdb1 0
   204800 204800 linear /dev/sdb2 0
   EOF
   

   解释：将前 100M（204800 = 100M ÷ 512 字节/扇区）映射到 /dev/sdb1，后 100M 映射到 /dev/sdb2

3. 加载映射表并创建映射设备：

   sudo dmsetup create mytest --table "$(cat mytable.txt)"
   # mytest 为虚拟设备名，可自定义。无输出表示成功。
   

4. 验证：

   sudo dmsetup ls
   sudo dmsetup info mytest
   sudo dmsetup table mytest
   

5. 格式化、挂载测试：

   sudo mkfs.ext4 /dev/mapper/mytest
   sudo mkdir -p /mnt/dmtest
   sudo mount /dev/mapper/mytest /mnt/dmtest
   sudo dd if=/dev/urandom of=/mnt/dmtest/testfile bs=1M count=10
   ls -lh /mnt/dmtest/testfile
   

6. 卸载与删除映射：

   sudo umount /mnt/dmtest
   sudo dmsetup remove mytest
   

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5.2 测试数据

下面以实际操作流程为主线，详细演示 Device Mapper 线性映射的创建、挂载、读写、验证和卸载的关键步骤，并给出每个命令的预期输出。

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步骤 1：准备两个测试分区

# 查看可用磁盘
$ lsblk
NAME   MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda      8:0    0  100GB  0 disk 
├─sda1   8:1    0   50GB  0 part /data1
├─sda2   8:2    0   50GB  0 part /data2
sdb      8:16   0    10G  0 disk 
├─sdb1   8:17   0     1G  0 part 
├─sdb2   8:18   0     1G  0 part 

/dev/sdb1 和 /dev/sdb2 为测试分区。

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步骤 2：清空分区内容，防止残留数据影响测试

$ sudo dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=100 status=progress
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 0.115621 s, 907 MB/s$ sudo dd if=/dev/zero of=/dev/sdb2 bs=1M count=100 status=progress
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 0.117621 s, 892 MB/s

注意：请确保 /dev/sdb1 和 /dev/sdb2 未挂载，否则会报错。

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步骤 3：创建 Device Mapper 映射表

$ cat > mytable.txt <<EOF
0 204800 linear /dev/sdb1 0
204800 204800 linear /dev/sdb2 0
EOF

（204800 = 100M ÷ 512 字节/扇区）

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步骤 4：创建映射设备

$ sudo dmsetup create mytest --table "$(cat mytable.txt)"
# 没有输出表示成功

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步骤 5：验证映射设备

$ sudo dmsetup ls
mytest    (253:0)$ sudo dmsetup info mytest
Name:              mytest
State:             ACTIVE
Read Ahead:        256
Tables present:    LIVE
Open count:        0
Event number:      0
Major, minor:      253, 0
Number of targets: 2$ sudo dmsetup table mytest
0 204800 linear 8:17 0
204800 204800 linear 8:18 0$ ls -l /dev/mapper/mytest
brw-rw---- 1 root disk 253, 0 6月   9 20:01 /dev/mapper/mytest

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步骤 6：格式化并挂载虚拟块设备

$ sudo mkfs.ext4 /dev/mapper/mytest
mke2fs 1.46.5 (30-Dec-2021)
Creating filesystem with 409600 4k blocks and 102400 inodes
...
Writing superblocks and filesystem accounting information: done$ sudo mkdir -p /mnt/dmtest$ sudo mount /dev/mapper/mytest /mnt/dmtest$ df -h | grep dmtest
/dev/mapper/mytest   1.6G   6.0M  1.5G   1% /mnt/dmtest

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步骤 7：写入测试数据并验证

$ sudo dd if=/dev/urandom of=/mnt/dmtest/testfile bs=1M count=10 status=progress
10485760 bytes (10 MB, 10 MiB) copied, 0.0218467 s, 480 MB/s$ ls -lh /mnt/dmtest/testfile
-rw-r--r-- 1 root root 10M 6月   9 20:05 /mnt/dmtest/testfile# 查看底层物理盘写入情况
$ sudo hdparm -t /dev/sdb1
Timing buffered disk reads:  234 MB in  3.01 seconds =  77.74 MB/sec$ sudo hdparm -t /dev/sdb2
Timing buffered disk reads:  240 MB in  3.03 seconds =  79.21 MB/sec

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步骤 8：卸载并删除映射

$ sudo umount /mnt/dmtest$ sudo dmsetup remove mytest$ sudo dmsetup ls
# 没有输出，映射设备已删除

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步骤 9：流程总结框图

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六、常见问题与调试

• 查看内核模块是否加载：
  lsmod | grep dm_
• 查看所有映射设备信息：
  sudo dmsetup ls --tree
• 查看映射表详情：
  sudo dmsetup table <name>

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七、总结

Device Mapper 是 Linux 块设备虚拟化的基石，具有高扩展性和灵活性。通过 dmsetup 等工具可以方便地对存储进行抽象和管理。掌握其原理和操作流程，对理解 LVM、磁盘加密等高级存储功能非常有帮助。

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参考链接：

• Device Mapper 官方文档
• dmsetup man page