RAID磁盘阵列的原理与搭建

本节所讲内容：

RAID概念-企业级RAID 0, 1,5,10的工作原理

RAID-0-1-5-10搭建及使用-删除RAID及注意事项

RAID概念

磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），有“独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列”之意。 磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，以硬件（RAID卡）或软件（MDADM）形式组合成一个容量巨大的磁盘组，利用多个磁盘组合在一起，提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。 磁盘阵列还能利用同位检查（Parity Check）的观念，在数组中任意一个硬盘故障时，仍可读出数据，在数据。

注：RAID可以预防数据丢失，但是它并不能完全保证你的数据不会丢失，所以大家使用RAID的同时还是注意备份重要的数据

RAID的创建有两种方式：

软RAID（通过操作系统软件来实现）和硬RAID（使用硬件阵列卡）；了解raid1、raid5和raid10。不过随着云的高速发展，供应商一般可以把硬件问题解决掉。

RAID几种常见的类型

RAID0        条带卷              2+                    100%                  读写速度快，不容错

RAID1        镜像卷              2                      50%                    读写速度一般，容错

RAID5        带奇偶校验的条带卷      3+      (n-1)/n                 读写速度快，容错，允许坏一块盘

RAID10      RAID1的安全+RAID0的高速     4       50%          读写速度快，容错

 RAID基本思想：把好几块硬盘通过一定组合方式把它组合起来，成为一个新的硬盘阵列组，从而使它能够达到高性能硬盘的要求

RAID有三个关键技术：

镜像：提供了数据的安全性；

条带（块大小也可以说是条带的粒度），它的存在的就是提供了数据并发性

数据的校验：提供了数据的安全

Raid相对于单个磁盘优点：

RAID-0的工作原理

条带 （strping），也是我们最早出现的RAID模式

需磁盘数量:2块以上(大小最好相同)，是组建磁盘阵列中最简单的一种形式，只需要2块以上的硬盘即可.

特点:成本低，可以提高整个磁盘的性能。RAID 0没有提供冗余或错误修复能力，速度快.

任何一个磁盘的损坏将损坏全部数据；磁盘利用率为100%。

RAID-1

mirroring（镜像卷），需要磁盘两块以上

 原理:是把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，也就是说数据在写入一块磁盘的同时，会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件，(同步)

RAID 1 mirroring（镜像卷），至少需要两块硬盘

磁盘利用率为50%，即2块100G的磁盘构成RAID1只能提供100G的可用空间。如下图

RAID-5

需要三块或以上硬盘，可以提供热备盘实现故障的恢复；只损坏一块，没有问题。但如果同时损坏两块磁盘，则数据将都会损坏。 空间利用率： (n-1)/n 2/3 如下图所示

奇偶校验信息的作用:

当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。

扩展：异或运算

是用相对简单的异或逻辑运算（相同为0，相异为1）

嵌套RAID级别

RAID-10镜像+条带

RAID 10是将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID1镜像对，第二级为RAID 0。比如我们有8块盘，它是先两两做镜像，形成了新的4块盘，然后对这4块盘做RAID0；当RAID10有一个硬盘受损其余硬盘会继续工作，这个时候受影响的硬盘只有2块

 RAID硬盘失效处理

一般两种处理方法：热备和热插拔

热备：HotSpare

定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性

全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享

专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用

如下图所示：是一个全局热备的示例，该热备盘由系统中两个RAID组共享，可自动顶替任何一个RAID中的一个失效硬盘

热插拔：HotSwap

定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的物理硬盘替换RAID系统中失效硬盘。

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RAID的实现方式

 面试题：我们做硬件RAID，是在装系统前还是之后？

 答：先做阵列才装系统 ，一般服务器启动时，有显示进入配置Riad的提示。 硬RAID：需要RAID卡，我们的磁盘是接在RAID卡的，由它统一管理和控制。数据也由它来进行分配和维护；它有自己的cpu，处理速度快 软RAID：通过操作系统实现

Linux内核中有一个md(multiple devices)模块在底层管理RAID设备，它会在应用层给我们提供一个应用程序的工具mdadm ，mdadm是linux下用于创建和管理软件RAID的命令。

-C或--creat             建立一个新阵列               

-r                         移除设备

-A                             激活磁盘阵列                    

-l 或--level=              设定磁盘阵列的级别 

-D或--detail              打印阵列设备的详细信息  

-n或--raid-devices=           指定阵列成员（分区/磁盘）的数量

-s或--scan               扫描配置文件或/proc/mdstat得到阵列缺失信息

-x或--spare-devicds=        指定阵列中备用盘的数量             

-f                              将设备状态定为故障

-c或--chunk=          设定阵列的块chunk块大小 ，单位为KB    

-a或--add                添加设备到阵列

-G或--grow             改变阵列大小或形态

-v --verbose             显示详细信息

-S                            停止阵列 mdadm命令常见参数解释：

互动： raid5需要3块硬盘。 那么使用4块硬盘，可以做raid5吗？

可以的

互动：磁盘达到sdz以后，名字应该如何排？ sdaa 、 sdab 。。。

实验环境：

 raid0                  sdb、sdc

raid1                   sdd、sde、                  sdf 

raid5                  sdg、sdh、sdi                sdj

raid10               分区：sdk1,sdk2,sdk3.sdk4

注：工作中正常做raid全部是使用独立的磁盘来做的。为了节约资源，raid10以一块磁盘上多个分区来代替多个独立的磁盘做raid，但是这样做出来的raid没有备份数据的作用，因为一块磁盘坏了，这个磁盘上所做的raid也就都坏了。

实战创建RAID0 实验环境：

raid0            sdb、sdc

查看磁盘：

[root@localhost ~]# ls/dev/sd*

1、创建raid0

[root@localhost ~]# mdadm -C -v /dev/md0 -l 0 -n 2 /dev/sdb /dev/sdc

2、 查看阵列信息

[root@localhost ~]# mdadm -Ds

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md0

注意：Chunk Size : 512K #chunk是raid中最小的存储单位

 [root@localhost ~]# mdadm -Dsv > /etc/mdadm.conf              #生成配置文件

3、 对创建的RAID0进行文件系统创建并挂载

[root@localhost ~]# mkfs.xfs /dev/md0                        # 格式化

[root@localhost ~]# mkdir /raid0

[root@localhost ~]# mount  /dev/md0  /raid0/

[root@localhost ~]# df -Th /raid0/

[root@localhost ~]#echo 324 > /raid0/a.txt

4、 开机自动挂载

[root@localhost ~]# blkid /dev/md0

[root@localhost ~]# echo "UUID=60a382fc-d08a-46c6-b2e1-c78fbe71f230 /raid0 xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab

查看：

 [root@localhost ~]# umount /raid0/

[root@localhost ~]# df -h

[root@localhost ~]# mount -a

[root@localhost ~]# df -h

创建RAID1

实验内容如下：

 raid1                  sdd、sde、              sdf

1）创建RAID1         2）添加1个热备盘    

3）模拟磁盘故障，自动顶替故障盘                4）从raid1中移出故障盘

[root@localhost ~]# mdadm -C -v /dev/md1 -l 1 -n 2 -x 1 /dev/sd[d,e,f]

查看 RAID 阵列信息：

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md1

将RADI信息保存到配置文件

[root@localhost ~]# mdadm -Dsv > /etc/mdadm.conf

在RAID设备上创建文件系统

[root@localhost ~]# mkfs.xfs /dev/md1

[root@localhost ~]# mkdir /raid1

[root@localhost ~]# mount /dev/md1 /raid1/

准备测试文件

[root@localhost ~]# cp /etc/passwd /raid1/

模拟损坏

下面模拟RAID1中数据盘/dev/sde出现故障，观察/dev/sdf备用盘能否自动顶替故障盘 [root@localhost ~]# mdadm /dev/md1 -f /dev/sde

查看一下阵列状态信息

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md1

 2   8     128   1             spare rebuilding /dev/sdi           #热备盘已经在同步数据

1    8     112    -       faulty /dev/sdh

更新配置文件

[root@localhost ~]# mdadm -Dsv > /etc/mdadm.conf

查看数据是否丢失

[root@xuegod63 ~]# ls /raid1/                 #数据正常，没有丢失 

重要的数据如：数据库 ； 系统盘 （把系统安装到raid1的md1设备上，可以对md1做分区）

移除损坏的设备：

[root@localhost ~]# mdadm -r /dev/md1 /dev/sde

查看信息：

[root@xuegod63 ~]# mdadm -D /dev/md1

添加一块新热备盘

[root@localhost ~]# mdadm -a /dev/md1 /dev/sde

查看一下阵列状态信息

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md1

创建RAID5

实验环境： 

raid5         sdg、sdh、sdi        sdj

1）创建RAID5, 添加1个热备盘，指定chunk大小为32K

-x或--spare-devicds=                      指定阵列中备用盘的数量

-c或--chunk=                                   设定阵列的块chunk块大小 ，单位为KB

2）停止阵列，重新激活阵列

3）使用热备盘，扩展阵列容量，从3个磁盘扩展到4个

创建RAID-5

[root@localhost ~]# mdadm -C -v /dev/md5 -l 5 -n 3 -x 1 -c32 /dev/sd{g,h,i,j}

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md5

 #热备盘

停止MD5阵列

[root@localhost ~]# mdadm -Dsv > /etc/mdadm.conf        #停止前，一定要先保存配置文件 [root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md5       ##停止前，请确认数据已经同步完

Consistency Policy : resync                     #数据已经同步完

[root@localhost ~]# mdadm -S /dev/md5                    #停止

激活MD5阵列

[root@localhost ~]# mdadm -As

扩展RAID5磁盘阵列

将热备盘增加到md5中，使用md5中可以使用的磁盘数量为4块

[root@localhost ~]# mdadm -G /dev/md5 -n 4 -c 32     #-G或--grow 改变阵列大小或形态

查看：

[root@localhost ~]# mdadm -Dsv > /etc/mdadm.conf                #保存配置文件

备注：阵列只有在正常状态下，才能扩容，降级及重构时不允许扩容。对于raid5来说，只能增加成员盘，不能减少。而对于raid1来说，可以增加成员盘，也可以减少。

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md5                  #查看状态 。。。

Array Size : 41910272 (39.97 GiB 42.92 GB)     #发现新增加硬盘后空间没有变大，为什么？ Used Dev Size : 20955136 (19.98 GiB 21.46 GB) 。。。

Reshape Status : 3% complete             #重塑状态：3%完成 ，等到100%， 数据才同步完，同步完后会变成成：Consistency Policy : resync        #一致性策略：再同步，表示已经同步完  

 等一会，等所有数据同步完成后，查看md5空间大小：

Array Size : 62865408 (59.95 GiB 64.37 GB)      

#空间已经变大 Used Dev Size : 20955136 (19.98 GiB 21.46 GB) 

创建RAID10

实验环境： raid10             分区：sdk1,sdk2,sdk3.sdk4

[root@xuegod63 ~]# fdisk /dev/sdk        #分4个主分区，每个分区1G大小

分区完毕：

查看分区：

[root@localhost ~]# ls /dev/sdk*

[root@xuegod63 ~]# mdadm -C -v /dev/md10 -l 10 -n 4 /dev/sdk[1-4]

查看：

[root@localhost ~]# cat /proc/mdstat

删除RAID所有信息及注意事项

[root@localhost ~]# df -h

[root@localhost ~]# umount /dev/md0 /raid0        #如果你已经挂载raid，就先卸载。

[root@localhost ~]# mdadm -Ss                           #停止raid设备

[root@localhost ~]# rm -rf /etc/mdadm.conf         #删除raid配置文件

[root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/sdb      #清除物理磁盘中的raid标识 [root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/sdc      #清除物理磁盘中的raid标识

参数：--zero-superblock : erase the MD superblock from a device. #擦除设备中的MD超级块

扩展： 如果更换的RAID卡，与原卡规格型号相同，则不会有什么问题。若两卡规格型号不同，需要重新安装新卡驱动程序。这时就会有不确定的可能性，如驱动程序差别不大时，RAID盘组合顺序正常，硬盘原数据可正确读写；若驱动程序结构差别较大，则可能发生读写错误。 因此，要尽量选购与原卡规格相同的产品，以确保数据安全。