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【linux相识相知】独立硬盘冗余阵列-RAID【时时

2019-12-06 12:29

常用RAID介绍

常用的RAID有:RAID0,RAID-1,RAID-5,RAID6,RAID-10,RAID50。

 

RAID0

RAID0,也称条带卷(striping)。在RAID0中,数据会被切成片,按一定顺序会被写到所有的磁盘里面,如下图:

若一片数据被切割成了A1-A8,将存储在一个由2块Disk组成的RAID0,那么第一段数据块A1会被存储在Disk0中,第二段数据块A2会被存储在Disk1中,第三段数据块会被存储在Disk0中,以此类推,这一片数据会被均分到2块磁盘上。

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RAID0的优缺点:

1)速度快,写和读的能力得到了提高;

2)RAID0没有冗余的能力,一旦一块磁盘出现了故障,则所有的数据都将不会恢复;

3)RAID0需要N块磁盘才能实现(N>=2);

4)能够存储数据的大小为N*min(S1,S2,S3,S4....)

在RAID0中有两个重要的参数:

条带宽度:stripe width,它指的是可以被并行写入的数据块的个数,也就是实现RAID0中磁盘的个数;

条带大小:stripe size,它指的是每次写入磁盘的数据块的大小,大小一般为2KB或者512KB甚至更大,size越小,数据被分割的次数就越多。stripe size对性能是有一定的影响的,在生产环境中,需要调整好。

 

 RAID1

RAID1,镜像化,在RAID1中,数据会被复制成多份,存储在多个磁盘上,如下图:

若一片数据将要被存储,数据会被复制成多份(取决RAID1的磁盘个数),然后存储到每一个磁盘上。

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 RAID1的优缺点:

1)冗余性和数据的可靠性最高,只要不是磁盘同时损坏了,一般都不会带来数据丢失的问题;

2)RAID1的容量取决容量最小的那个磁盘,写入速度也是取决于最小的那个磁盘,较大的磁盘的剩余空间可       以分区使用,不会造成浪费;

3)RAID1的读取速度理论上来说是磁盘个数的倍数;

4)RAID1需要N块磁盘才能实现(N>=2)

5)能够存储数据的大小为min(S1,S2,S3...)

 

 RAID3

RAID3,数据类似于RAID0,被条带化的存储在多个磁盘中,数据以字节为单位,与RAID0不同的是,RAID3单独使用了一块独立的磁盘用来存储数据的奇偶校验值,如下图所示:

数据被切片存储在Disk0-2上,同时计算处奇偶校验值存储在Disk3上,这样即使Disk0-2中损坏一块磁盘,也能根据奇偶校验值得到损坏磁盘的数据。

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RAID3的优缺点:
1.较高的容错能力;

2.不适合写入操作较多的情景,会给校验盘带来一定的负载,适合读取操作较多的应用环境;

3.RAID3需要N块磁盘(N>=3);

4.能够存储数据的大小为(N-1)*min(S1,S2,S3,S4....)。

 

 RAID4

和RAID3类似,RAID4不是以字节为存取单位,RAID4的数据以块(一般为512字节)为单位,如下图:

以块为单位带来的好处就是,减少了奇偶检验的次数,比如,如果一段数据的大小为10个字节,在RAID3上可能需要计算2次奇偶检验值了,但是在RAID4上,10个字节都会被放在第一个磁盘上,并不需要计算。

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 RAID4的优缺点:

1.较高的容错能力;

2.提高了小量数据的I/O能力;

3.RAID4需要N块磁盘(N>=3);

4.能够存储数据的大小为(N-1)*min(S1,S2,S3,S4....)。

 

RAID5

RAID5可以理解成是RAID0和RAID1的折中方案,把数据条带化后存储,并且将数据奇偶检验值存储在所有的硬盘上,如下图:

数据被条带化存储到了磁盘上,并且每个磁盘上都能够存储奇偶检验值,其读写速度和RAID0差不多,可能写的时候要慢一点,比较要计算奇偶检验,这样,即使坏掉一块磁盘,只需要更换上好的磁盘,RAID会利用剩下奇偶检验去重建磁盘上的数据。

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 RAID5的优缺点:

1)较高的容错能力;

2)读写速度快;

3)RAID4需要N块磁盘(N>=3);

4)能够存储数据的大小为(N-1)*min(S1,S2,S3,S4....)。

 

 RAID6

与RAID5类似,只是增加了第二个独立的奇偶检验信息块,使用了两种不同的奇偶检验算法,如下图所示:

数据仍然是被条带化得存储在磁盘上,但是会计算出两个独立的奇偶检验值,相对于RAID5来说有更多的I/O操作和计算量,所以RAID6通常不会以软件来实现,一般会使用硬件实现,RAID6也是最常见的磁盘阵列。

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 RAID6的优缺点:

1)较高的容错能力

2)同一RAID6中最多运行同时损坏2块磁盘,更换磁盘后,数据将被重新计算写入;

3)RAID6需要N个磁盘(N>=4);

4)RAID容量为(N-2)*min(s1,s2,s3,...)

 

 RAID 01

RAID 01是一种混合的磁盘阵列,即是RAID0和RAID1的混合,先做条带,再做镜像:

RAID01中,同组RAID0只要出现一个磁盘损坏,那么这个RAID 0就不能你使用了,值剩下其他组的磁盘运作,可靠性较低。

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 RAID01的优缺点:

1)数据可靠性低

2)RAID01需要N个磁盘(N>=4)

 

 RAID 10

和RAID 01相反,RAID10是先做RAID1,再做RAID0,如下图所示:

RAID10和RAID01在读写速度上没有什么太大的差别,但是RAID10的数据安全性比较高,若下图左边那组RAID1中磁盘损坏了一个,另外一个也能用,右边那组RAID1再损坏一个数据也是恢复的,除非一组RAID1中的磁盘都坏掉了。

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 RAID 10的优缺点:

1)较高的容错能力

2)RAID10需要N个磁盘(N>=4)

 

 RAID 50

RAID 50是RAID5和RAID0的组合,先做RAID5,再做RAID0,RAID 5至少需要3颗硬盘,因此要以多组RAID 5构成RAID 50,至少需要6颗硬盘,如下图。

在底层的任意一组或者多组的RAID5中出现了一个磁盘的损坏是可以接受的,但是若出现了2个或者以上的磁盘损坏,整个RAID50就会损坏。

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RAID50的优缺点:

1)较高的容错能力

2)RAID10需要N个磁盘(N>=6)

 

JBOD

Just a Bunch of Disks,能够将多块磁盘的空间合并起来的一个连续的空间,可靠性较低。

 

RAID的硬盘组合方式有:RAID-0,RAID-1,RAID-2,RAID-3,RAID-4,RAID-5,RAID-6,RAID-7,RAID10,RAID-01,RAID-50,RAID-53,RAID-60,JBOD。

RAID的实现模式

Software RAID:

软件磁盘阵列,由CPU处理和协调一个RAID里面各个硬盘的作业,这样就会给CPU带来较多的运算压力,分为3种:

1)基于主板的的磁盘阵列:通常上是由主板上的芯片组提供RAID功能。

2)硬件辅助磁盘阵列:需要RAID卡和相关厂商提供的驱动程序,RAID功能是由驱动程序和CPU运算来提供

3)操作系统的RAID功能:Linux、windows Server等操作系统内置的RAID功能

虽然软RAID实现的有多种,但是在生产环境还是不建议使用的。

Hardware RAID:
硬件磁盘阵列,在RAID卡上内置了CPU处理器,这样就不占用服务器的CPU了。一般硬件磁盘阵列都会有备份的电源模块和NVRAM(非易失性内存),当系统断掉后,备份电源开始供电,将硬盘读写的日志保存在内存中,当系统恢复,备份电源关闭供电,再在NVRAM读取日志数据,继续完成上次断电前没有完成的作业。

 

独立硬盘冗余阵列(RAID,Redundant Array of Independant Disks),旧称为廉价磁盘冗余阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks)。1987年美国加州伯克利分校的一篇名为《A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disk(RAID)》论文诞生,这标志着RAID技术的开始。

在Linux系统上实现Software RAID

 在centos中,使用模块化得工具mdadm,如果没有可以使用:

yum -y install mdadm

 基本用法如下:

命令的语法格式:mdadm [mode] <raiddevice> [options] <component-devices>
-C:创建模式
    -n #: 使用#个块设备来创建此RAID;
    -l #:指明要创建的RAID的级别;
    -a {yes|no}:自动创建目标RAID设备的设备文件;
    -c CHUNK_SIZE: 指明块大小;
    -x #: 指明空闲盘的个数;
-D:显示raid的详细信息
    mdadm -D  /dev/md#
管理模式:
    -f:标记指定磁盘为损坏
    -a:添加磁盘
    -r:移除磁盘
停止md设备:
    mdadm -S /dev/md#

举例:创建一个可用空间为10G的RAID1设备,文件系统为ext4,有一个空闲盘,开机可自动挂载至/backup目录。

先来分析一下:RAID1为镜像磁盘阵列,最少需要2个磁盘,可用空间为10G,即磁盘最小大小为10G即可,我们这里就使用1块硬盘的不同分区来模拟各个磁盘,每个10G:

[root@localhost ~]# fdisk -l /dev/sdb
Disk /dev/sdb: 128.8 GB, 128849018880 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 15665 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0xf9b59c0f
   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1               1        1306    10490413   83  Linux
/dev/sdb2            1307        2612    10490445   83  Linux
/dev/sdb3            2613        3918    10490445   83  Linux

 使用以下命令创建RAID1系统,-C为创建模式,/dev/md0设备文件名,-n 2:使用2个块设备创建此RAID,-x 1:指定1个空闲盘的,-l:指定硬盘RAID等级,-a yes:自动创建RAID的设备文件,/dev/adb{1,2,3}:指定磁盘位置

[root@localhost ~]# mdadm -C /dev/md0 -n 2 -x 1 -l 1 -c 128 -a yes /dev/sdb{1,2,3}
mdadm: Note: this array has metadata at the start and
    may not be suitable as a boot device.  If you plan to
    store '/boot' on this device please ensure that
    your boot-loader understands md/v1.x metadata, or use
    --metadata=0.90
Continue creating array? y
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md0 started.

 使用 cat /proc/mdstat 查看RAID构建的进度和预期完成的时间:

unused devices: <none>
[root@localhost ~]# cat /proc/mdstat 
Personalities : [raid1] 
md0 : active raid1 sdb3[2](S) sdb2[1] sdb1[0]
      10482176 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
      [=============>.......]  resync = 68.6% (7200128/10482176) finish=0.2min speed=200001K/sec

unused devices: <none>
[root@localhost ~]# cat /proc/mdstat 
Personalities : [raid1] 
md0 : active raid1 sdb3[2](S) sdb2[1] sdb1[0]
      10482176 blocks super 1.2 [2/2] [UU]

unused devices: <none>

 查看RAID1的详情:

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md0 
/dev/md0:
        Version : 1.2
  Creation Time : Sun Jul 30 05:16:32 2017
     Raid Level : raid1
     Array Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
  Used Dev Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
   Raid Devices : 2
  Total Devices : 3
    Persistence : Superblock is persistent
    Update Time : Sun Jul 30 05:17:25 2017
          State : clean 
 Active Devices : 2
Working Devices : 3
 Failed Devices : 0
  Spare Devices : 1
           Name : localhost.localdomain:0  (local to host localhost.localdomain)
           UUID : a46c7642:a46e274a:05923aeb:4c1ae0e9
         Events : 17
    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8       17        0      active sync   /dev/sdb1
       1       8       18        1      active sync   /dev/sdb2
       2       8       19        -      spare   /dev/sdb3

 格式化RAID1为ext4文件系统:

[root@localhost ~]# mkfs.ext4 /dev/md0 
mke2fs 1.41.12 (17-May-2010)
文件系统标签=
操作系统:Linux
块大小=4096 (log=2)
分块大小=4096 (log=2)
Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks
655360 inodes, 2620544 blocks
131027 blocks (5.00%) reserved for the super user
第一个数据块=0
Maximum filesystem blocks=2684354560
80 block groups
32768 blocks per group, 32768 fragments per group
8192 inodes per group
Superblock backups stored on blocks: 
    32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632
正在写入inode表: 完成                            
Creating journal (32768 blocks): 完成
Writing superblocks and filesystem accounting information: 完成
This filesystem will be automatically checked every 35 mounts or
180 days, whichever comes first.  Use tune2fs -c or -i to override.

 将/dev/md0挂载到/backup目录下:

[root@localhost ~]# mount /dev/md0 /backup/
[root@localhost ~]# 
[root@localhost ~]# df
Filesystem                   1K-blocks    Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root  51606140 1122252  47862448   3% /
tmpfs                           953276       0    953276   0% /dev/shm
/dev/sda1                       495844   33466    436778   8% /boot
/dev/mapper/VolGroup-lv_home  67708512  184084  64085020   1% /home
/dev/md0                      10317624  154100   9639416   2% /backup

 可以使用 -f 将其中的某个磁盘模拟为坏的故障硬盘

[root@localhost backup]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdb1
mdadm: set /dev/sdb1 faulty in /dev/md0

 再来看一下RAID1的详细信息,/dev/sdb3状态变为active

[root@localhost backup]# mdadm -D /dev/md0 
/dev/md0:
        Version : 1.2
  Creation Time : Sun Jul 30 05:16:32 2017
     Raid Level : raid1
     Array Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
  Used Dev Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
   Raid Devices : 2
  Total Devices : 3
    Persistence : Superblock is persistent
    Update Time : Sun Jul 30 05:37:02 2017
          State : clean 
 Active Devices : 2
Working Devices : 2
 Failed Devices : 1
  Spare Devices : 0
           Name : localhost.localdomain:0  (local to host localhost.localdomain)
           UUID : a46c7642:a46e274a:05923aeb:4c1ae0e9
         Events : 38
    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       2       8       19        0      active sync   /dev/sdb3
       1       8       18        1      active sync   /dev/sdb2
       0       8       17        -      faulty   /dev/sdb1

 使用 -r 选项能够移除坏的硬盘

[root@localhost backup]# mdadm /dev/md0 -r /dev/sdb1
mdadm: hot removed /dev/sdb1 from /dev/md0

 好的,我们再来添加一块分区当做磁盘

[root@localhost backup]# fdisk /dev/sdb
WARNING: DOS-compatible mode is deprecated. It's strongly recommended to
         switch off the mode (command 'c') and change display units to
         sectors (command 'u').
Command (m for help): n
Command action
   e   extended
   p   primary partition (1-4)
p
Selected partition 4
First cylinder (3919-15665, default 3919): 
Using default value 3919
Last cylinder,  cylinders or  size{K,M,G} (3919-15665, default 15665):  10G
Command (m for help): w
The partition table has been altered!
Calling ioctl() to re-read partition table.
WARNING: Re-reading the partition table failed with error 16: 设备或资源忙.
The kernel still uses the old table. The new table will be used at
the next reboot or after you run partprobe(8) or kpartx(8)

 咦,有告警!因为当前的磁盘已经有分区被挂载当根文件系统的目录上了,内核没有识别,我们来查看/proc/parttions,果真没有识别

[root@localhost backup]# cat /proc/partitions 
major minor  #blocks  name
   8       16  125829120 sdb
   8       17   10490413 sdb1
   8       18   10490445 sdb2
   8       19   10490445 sdb3
   8        0  125829120 sda
   8        1     512000 sda1
   8        2  125316096 sda2
 253        0   52428800 dm-0
 253        1    4096000 dm-1
 253        2   68788224 dm-2
   9        0   10482176 md0

 使用以下命令通知内核强制重读以下磁盘分区表

[root@localhost backup]# partx -a  /dev/sdb

 添加/dev/sdb4到RAID1

[root@localhost backup]# mdadm /dev/md0 -a /dev/sdb4
mdadm: added /dev/sdb4

 查看RAID1的详细信息,/dev/sdb4成功被加入

[root@localhost backup]# mdadm -D /dev/md0
/dev/md0:
        Version : 1.2
  Creation Time : Sun Jul 30 05:16:32 2017
     Raid Level : raid1
     Array Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
  Used Dev Size : 10482176 (10.00 GiB 10.73 GB)
   Raid Devices : 2
  Total Devices : 3
    Persistence : Superblock is persistent
    Update Time : Sun Jul 30 05:51:52 2017
          State : clean 
 Active Devices : 2
Working Devices : 3
 Failed Devices : 0
  Spare Devices : 1
           Name : localhost.localdomain:0  (local to host localhost.localdomain)
           UUID : a46c7642:a46e274a:05923aeb:4c1ae0e9
         Events : 40
    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       2       8       19        0      active sync   /dev/sdb3
       1       8       18        1      active sync   /dev/sdb2
       3       8       20        -      spare   /dev/sdb4

 设置开机可以自动挂载只/backup目录下,修改配置文件/etc/fstab即可

#
# /etc/fstab
# Created by anaconda on Fri Jul 28 06:34:35 2017
#
# Accessible filesystems, by reference, are maintained under '/dev/disk'
# See man pages fstab(5), findfs(8), mount(8) and/or blkid(8) for more info
#
/dev/mapper/VolGroup-lv_root /                       ext4    defaults        1 1
UUID=bc67ad74-46b3-4abc-b8a7-c4fb7cd6552a /boot                   ext4    defaults        1 2
/dev/mapper/VolGroup-lv_home /home                   ext4    defaults        1 2
/dev/mapper/VolGroup-lv_swap swap                    swap    defaults        0 0
tmpfs                   /dev/shm                tmpfs   defaults        0 0
devpts                  /dev/pts                devpts  gid=5,mode=620  0 0
sysfs                   /sys                    sysfs   defaults        0 0
proc                    /proc                   proc    defaults        0 0
/dev/md0                /backup                 ext4    defaults        0 0

 

小知识点:

在查看RAID创建过程的进度时候,可加上watch命令动态查看创建RAID的进度

watch  [options]  'COMMAND'

选项 

-n# :指定刷新间隔,单位秒

watch -n1 'cat /proc/mdstat'

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那么什么是RAID呢?简单的来讲就是把多个硬盘组合起来,成为一个硬盘阵列组,操作系统会把它当做是一个硬盘,其性能能够达到甚至超过单个昂贵容量大的硬盘。RAID提供了多种硬盘组合的方式,相比单个硬盘来说,提高了硬盘得I/O能力。多个磁盘之间相互冗余,提高了耐用性。

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