Oracle 存储架构

Oracle数据库的存储架构是数据库性能和可用性的关键基础。随着企业数据量呈爆炸式增长，如何选择合适的存储架构、优化存储设计以及高效管理存储资源，已成为DBA日常工作中的核心挑战。本文将从实际运维角度，深入解析Oracle存储架构，重点聚焦ASM（Automatic Storage Management）的实战应用，对比传统存储与ASM的优劣，并结合Oracle 19c和21c的最新特性，提供可落地的存储设计最佳实践和故障处理方案。

存储架构概述

Oracle数据库支持多种存储架构，不同架构在管理复杂度、性能表现和可用性保障方面存在显著差异。DBA需要根据业务场景、数据规模和SLA要求，选择最适合的存储解决方案。

传统存储架构

传统存储架构依赖操作系统文件系统或裸设备来管理Oracle数据库文件，是早期Oracle数据库最常用的存储方式。

核心组件：

文件系统：如EXT4、EXT4、XFS、NTFS等
裸设备：绕过文件系统直接访问的磁盘设备
卷管理器：如LVM（Linux）、Veritas Volume Manager等

典型部署场景：

小型数据库环境（< 1TB）
开发和测试环境
对存储管理成本敏感的场景

ASM存储架构

ASM（Automatic Storage Management）是Oracle 10g引入的专用存储管理解决方案，集成了文件系统和卷管理器的核心功能，专为Oracle数据库优化设计。

核心组件：

ASM实例：管理ASM磁盘组的轻量级Oracle实例
ASM磁盘组：由多个ASM磁盘组成的存储池
ASM磁盘：物理或逻辑磁盘设备
ASM文件：存储在ASM磁盘组中的Oracle数据库文件

典型部署场景：

中大型数据库环境（> 1TB）
RAC（Real Application Clusters）环境
对可用性和性能要求较高的生产系统
需要简化存储管理的场景

ASM核心概念与实战

ASM实例

ASM实例是独立于数据库实例的轻量级实例，负责管理ASM磁盘组的元数据和I/O操作协调。

关键特性：

资源消耗低，通常仅需1-8GB内存
无需启动数据库，独立运行
RAC环境中每个节点需要一个ASM实例
自动随系统启动和关闭

实战操作：

sql

-- 切换到ASM实例
SQLPLUS / AS SYSASM

-- 查看ASM实例状态
SELECT instance_name, status, version FROM v$instance;

-- 查看ASM实例参数
SHOW PARAMETERS ASM;

ASM磁盘组

ASM磁盘组是ASM存储的核心管理单元，所有Oracle数据库文件都存储在磁盘组中。

镜像类型与应用场景：

外部冗余：依赖存储阵列的RAID保护，ASM不提供额外镜像
- 适用场景：已有可靠RAID保护的存储系统，追求成本效益
- 配置要求：至少1个磁盘，无故障组要求
正常冗余：ASM提供双向镜像，数据同时存储在2个故障组
- 适用场景：对可用性要求较高的生产系统
- 配置要求：至少2个故障组，每个故障组至少1个磁盘
高冗余：ASM提供三向镜像，数据同时存储在3个故障组
- 适用场景：关键业务系统，容灾要求极高
- 配置要求：至少3个故障组，每个故障组至少1个磁盘

条带化策略：

细粒度条带化：128KB条带大小，适合随机I/O（如数据文件）
粗粒度条带化：1MB条带大小，适合顺序I/O（如归档日志、备份文件）

ASM磁盘组管理实战

1. 创建ASM磁盘组

sql

-- 创建外部冗余磁盘组（适用于已有RAID的存储）
CREATE DISKGROUP data_dg EXTERNAL REDUNDANCY 
  DISK '/dev/asm/asm_disk1', '/dev/asm/asm_disk2' 
  ATTRIBUTE 'compatible.asm' = '19.0.0', 'compatible.rdbms' = '19.0.0', 'au_size' = '4M';

-- 创建正常冗余磁盘组（生产系统常用配置）
CREATE DISKGROUP fra_dg NORMAL REDUNDANCY 
  FAILGROUP fg1 DISK '/dev/asm/fra_disk1', '/dev/asm/fra_disk2' 
  FAILGROUP fg2 DISK '/dev/asm/fra_disk3', '/dev/asm/fra_disk4' 
  ATTRIBUTE 'compatible.asm' = '19.0.0', 'compatible.rdbms' = '19.0.0';

-- 创建高冗余磁盘组（关键业务系统）
CREATE DISKGROUP redo_dg HIGH REDUNDANCY 
  FAILGROUP fg1 DISK '/dev/asm/redo_disk1' 
  FAILGROUP fg2 DISK '/dev/asm/redo_disk2' 
  FAILGROUP fg3 DISK '/dev/asm/redo_disk3' 
  ATTRIBUTE 'compatible.asm' = '19.0.0', 'compatible.rdbms' = '19.0.0';

2. 磁盘组扩展与收缩

sql

-- 向磁盘组添加磁盘
ALTER DISKGROUP data_dg ADD DISK '/dev/asm/asm_disk3';

-- 向指定故障组添加磁盘
ALTER DISKGROUP fra_dg ADD FAILGROUP fg1 DISK '/dev/asm/fra_disk5';

-- 批量添加磁盘（使用通配符）
ALTER DISKGROUP data_dg ADD DISK '/dev/asm/asm_disk*' 
  EXCEPT '/dev/asm/asm_disk1', '/dev/asm/asm_disk2';

-- 安全移除磁盘（先标记为脱机，24小时后自动删除）
ALTER DISKGROUP data_dg OFFLINE DISK asm_disk3 DROP AFTER 24H;

-- 立即移除磁盘（生产环境谨慎使用）
ALTER DISKGROUP data_dg DROP DISK asm_disk3 FORCE;

3. 磁盘组重新平衡

sql

-- 手动触发重新平衡，设置平衡功率（1-11，默认1）
ALTER DISKGROUP data_dg REBALANCE POWER 8;

-- 查看重新平衡进度
SELECT group_number, operation, state, power, actual, sofar, 
       est_work, est_rate, est_minutes 
FROM v$asm_operation;

-- 调整正在进行的重新平衡功率
ALTER DISKGROUP data_dg REBALANCE POWER 4;

ASM文件管理

ASM自动管理所有Oracle数据库文件，包括数据文件、重做日志、控制文件、归档日志和备份文件等。

常用操作：

sql

-- 使用ASMCMD创建目录
ASMCMD> mkdir +data_dg/orcl/test_dir

-- 使用ASMCMD查看文件
ASMCMD> ls -l +data_dg/orcl

-- 使用ASMCMD查看磁盘组空间使用情况
ASMCMD> lsdg

-- 使用SQL查看ASM文件信息
SELECT af.group_number, af.file_number, af.type, af.name, 
       af.bytes/1024/1024/1024 GB, adg.name dg_name
FROM v$asm_file af 
JOIN v$asm_diskgroup adg ON af.group_number = adg.group_number;

传统存储与ASM的对比分析

评估维度	传统存储	ASM存储	推荐场景
管理复杂度	高（需手动管理文件和空间）	低（自动化管理）	优先选择ASM
性能表现	受限于文件系统I/O	优化的I/O路径，支持智能条带化	优先选择ASM
可用性保障	依赖外部存储冗余	内置镜像和故障恢复机制	优先选择ASM
扩展性	手动扩展，停机时间长	在线自动扩展，几乎无停机	优先选择ASM
故障恢复	手动恢复，恢复时间长	自动故障检测和恢复	优先选择ASM
适用数据库类型	所有数据库	仅Oracle数据库	非Oracle数据库选择传统存储
学习曲线	低	中等（需掌握ASM特有概念）	小型团队可考虑传统存储
硬件成本	低（可使用廉价存储）	中等（推荐使用同构存储）	成本敏感场景选择传统存储

存储设计最佳实践

1. 存储架构选型

小型数据库（< 1TB）：可选择传统存储（如XFS文件系统），降低管理复杂度
中型数据库（1-10TB）：推荐ASM外部冗余或正常冗余，平衡成本和可用性
大型数据库（> 10TB）：推荐ASM正常冗余或高冗余，确保数据安全
RAC环境：强制使用ASM，确保存储层的高可用性

2. 磁盘组规划

分离不同类型的文件：
- 数据文件：存储在高性能磁盘组（如SSD）
- 重做日志：单独存储在低延迟磁盘组（如NVMe）
- 归档日志和备份：存储在大容量磁盘组（如SATA）
合理设置AU（Allocation Unit）大小：
- 小型数据库：4MB AU大小
- 大型数据库：8MB或16MB AU大小（减少元数据开销）
- 超大数据库（> 100TB）：32MB AU大小
使用统一规格的磁盘：
- 同一磁盘组内使用相同容量和性能的磁盘
- 避免混合使用不同转速或接口类型的磁盘

3. I/O优化

启用异步I/O：

sql

-- 在Oracle数据库中启用异步I/O
ALTER SYSTEM SET disk_asynch_io = TRUE SCOPE=SPFILE;

使用直接I/O：

sql

-- 在ASM中启用直接I/O
ALTER DISKGROUP data_dg SET ATTRIBUTE 'compatible.asm' = '19.0.0';

优化条带化策略：
- 随机I/O为主的应用：使用细粒度条带化（128KB）
- 顺序I/O为主的应用：使用粗粒度条带化（1MB）

4. 监控与维护

建立存储监控体系：

sql

-- 监控ASM磁盘组空间使用情况
SELECT name, state, type, total_mb/1024 total_gb, 
       free_mb/1024 free_gb, 
       ROUND((free_mb/total_mb)*100, 2) free_pct
FROM v$asm_diskgroup;

-- 监控ASM磁盘状态
SELECT group_number, disk_number, name, path, state, 
       total_mb/1024 total_gb, free_mb/1024 free_gb
FROM v$asm_disk;

定期备份ASM元数据：

bash

# 使用ASMCMD备份ASM元数据
ASMCMD> md_backup /backup/asm_metadata_backup_$(date +%Y%m%d).txt

# 恢复ASM元数据（示例）
ASMCMD> md_restore /backup/asm_metadata_backup_20230101.txt -G data_dg,fra_dg -i

定期检查存储硬件：
- 监控磁盘坏块和错误率
- 定期更换老化磁盘
- 确保存储阵列固件为最新版本

Oracle 19c和21c存储架构新特性

Oracle 19c关键特性

ASM Flex磁盘组：
- 支持灵活的冗余级别配置
- 允许在同一磁盘组中混合使用不同大小的磁盘
- 支持在线调整冗余级别
- 适合动态变化的存储需求
ASM快速重新平衡：
- 优化了重新平衡算法，减少重新平衡时间达50%
- 支持智能跳过已平衡的Extent
- 提高了系统可用性
ASM磁盘组兼容性增强：
- 支持向后兼容多个Oracle版本
- 允许在不同版本的Oracle数据库间共享ASM磁盘组

Oracle 21c关键特性

ASM智能数据放置：
- 根据数据访问模式自动调整数据放置位置
- 热点数据自动迁移到高性能存储区域
- 冷数据自动迁移到大容量存储区域
- 提高了整体存储利用率和性能
ASM压缩：
- 支持ASM文件级压缩
- 压缩率可达2:1至4:1
- 减少存储空间使用，降低存储成本
- 对性能影响极小（< 5%）
ASM加密增强：
- 支持透明数据加密（TDE）
- 增强了密钥管理功能
- 支持与Oracle Key Vault集成
- 提高了数据安全性
ASM云集成：
- 支持直接访问云存储（如OCI Object Storage）
- 简化了云迁移和混合云部署
- 支持备份直接存储到云

常见问题与故障处理

1. ASM磁盘组无法挂载

问题现象：

ORA-15032: not all alterations performed
ORA-15017: diskgroup "DATA_DG" cannot be mounted
ORA-15063: ASM discovered an insufficient number of disks for diskgroup "DATA_DG"

故障原因：

磁盘组中的磁盘数量不足
磁盘访问权限问题
磁盘硬件故障
ASM磁盘头损坏

解决方案：

sql

-- 检查磁盘可见性
SELECT path, header_status, mode_status, state FROM v$asm_disk;

-- 检查磁盘权限（Linux）
# ls -la /dev/asm/*

-- 尝试强制挂载磁盘组（生产环境谨慎使用）
ALTER DISKGROUP data_dg MOUNT FORCE;

2. ASM磁盘故障

问题现象：

ORA-15080: synchronous I/O operation failed to a disk
ORA-15081: failed to submit an I/O operation to a disk

故障处理流程：

确认故障磁盘：

sql

SELECT name, path, state, failures FROM v$asm_disk WHERE group_number = 1;

标记磁盘为脱机：

sql

ALTER DISKGROUP data_dg OFFLINE DISK asm_disk3;

更换故障磁盘（硬件操作）

将新磁盘添加到磁盘组：

sql

ALTER DISKGROUP data_dg ADD DISK '/dev/asm/asm_disk3' 
DROPPING DISK asm_disk3;

3. ASM实例无法启动

问题现象：

ORA-01078: failure in processing system parameters
ORA-15014: location '+DATA_DG' is not available
ORA-15077: could not locate ASM instance serving a required diskgroup

解决方案：

检查ASM实例参数文件：

bash

# 查看ASM实例参数文件位置
$ORACLE_HOME/bin/asmcmd spget

使用pfile启动ASM实例：
sql
```
STARTUP PFILE='/path/to/init+ASM.ora';
```

重建ASM实例参数文件：

sql

CREATE SPFILE='+DATA_DG/asm/parameterfile/spfile+ASM.ora' 
FROM PFILE='/path/to/init+ASM.ora';

总结

Oracle存储架构的选择和优化是数据库运维的核心工作之一。ASM作为Oracle专用的存储管理解决方案，凭借其自动化管理、优化的性能表现和高可用性，已成为中大型Oracle数据库的首选存储架构。

在实际运维中，DBA需要：

根据业务需求选择合适的存储架构
合理规划ASM磁盘组和文件布局
持续监控和优化存储性能
掌握常见存储故障的处理方法
跟进Oracle新版本的存储特性，及时升级和优化

通过科学的存储设计和高效的存储管理，可以显著提高Oracle数据库的性能、可用性和可扩展性，为业务系统提供坚实的存储基础。

Oracle 存储架构 ​

存储架构概述 ​

传统存储架构 ​

ASM存储架构 ​

ASM核心概念与实战 ​

ASM实例 ​

ASM磁盘组 ​

ASM磁盘组管理实战 ​

ASM文件管理 ​

传统存储与ASM的对比分析 ​

存储设计最佳实践 ​

1. 存储架构选型 ​

2. 磁盘组规划 ​

3. I/O优化 ​

4. 监控与维护 ​

Oracle 19c和21c存储架构新特性 ​

Oracle 19c关键特性 ​

Oracle 21c关键特性 ​

常见问题与故障处理 ​

1. ASM磁盘组无法挂载 ​

2. ASM磁盘故障 ​

3. ASM实例无法启动 ​

总结 ​

Oracle 存储架构

存储架构概述

传统存储架构

ASM存储架构

ASM核心概念与实战

ASM实例

ASM磁盘组

ASM磁盘组管理实战

ASM文件管理

传统存储与ASM的对比分析

存储设计最佳实践

1. 存储架构选型

2. 磁盘组规划

3. I/O优化

4. 监控与维护

Oracle 19c和21c存储架构新特性

Oracle 19c关键特性

Oracle 21c关键特性

常见问题与故障处理

1. ASM磁盘组无法挂载

2. ASM磁盘故障

3. ASM实例无法启动

总结