Linux運維---磁碟存儲-2. RAID

来源:https://www.cnblogs.com/shiyw/archive/2020/02/27/12371956.html
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隨著單塊磁碟在數據安全、性能、容量上呈現出的局限，磁碟陣列（Redundant Arrays of Inexpensive/Independent Disks，RAID）出現了，RAID把多塊獨立的磁碟按不同的方式組合起來，形成一個磁碟組，以獲得比單塊磁碟更高的數據安全、性能、容量。 一. 常見的R ...


隨著單塊磁碟在數據安全、性能、容量上呈現出的局限，磁碟陣列（Redundant Arrays of Inexpensive/Independent Disks，RAID）出現了，RAID把多塊獨立的磁碟按不同的方式組合起來，形成一個磁碟組，以獲得比單塊磁碟更高的數據安全、性能、容量。

一. 常見的RAID 級別

RAID有RAID0~RAID7幾種級別，另外還有一些複合的RAID模式，比如：RAID10、RAID01、RAID50、RAID53。

常用的RAID模式有RAID0、RAID1、RAID5、RAID10。

  1. RAID0

RAID0也就是常說的數據條帶化(Data Stripping)，數據被分散存放在陣列中的各個物理磁碟上，需要2塊及以上的硬碟，成本低，性能和容量隨硬碟數遞增，在所有的RAID級別中，RAID 0的速度是最快的，但是RAID 0沒有提供冗餘或錯誤修複能力，如果一個磁碟（物理）損壞，則所有的數據都無法使用。

對於有容災模式的RAID陣列，某塊磁碟損壞時，只要換上新的硬碟即可，陣列系統會自動同步數據到新的硬碟。(不支持熱插拔的話，需要先關機再開機)

  1. RAID1

RAID1也就是常說的數據鏡像(Data Mirroring)，2塊及以上的硬碟(偶數個)，被分為2組，數據在每組磁碟中各有一份，若其中一組有磁碟損壞，另一組可以保證數據訪問不會中斷。RAID1同RAID0一樣，有很好的讀取速度，但是寫的速度，有所下降。

  1. RAID5

RAID 5 是一種數據安全、性能、容量、成本、可行性都相對兼顧的解決方案，正因此，類似的RAID2、RAID3、RAID4、RAID6很少得以實際應用。 RAID5需要3塊及以上的硬碟， 它不是對存儲的數據直接進行備份，而是把數據和相對應的奇偶校驗信息存儲到組成陣列的各個磁碟上，簡單來說就是：任意壞掉一塊盤時，另外的N-1塊盤可以利用奇偶校驗信息，把這塊壞掉的磁碟上的數據恢復出來。 RAID 5可以理解為是RAID 0和RAID 1的折衷方案，有和RAID 0相近似的數據讀取速度，有比RAID1低的容災能力(RAID5只允許一塊磁碟損壞)，因為多了奇偶校驗信息，寫入數據的速度比RAID1慢。

  1. RAID10

RAID10，名稱上便可以看出是RAID0與RAID1的結合體，顯然需要至少4塊磁碟。不過，先RAID0後RAID1，還是先RAID1後RAID0，是不一樣的。

RAID01，是先做RAID0，然後對2組RAID0再做RAID1，假設此時某個RAID0壞掉一塊磁碟，這個RAID0隨即不可用，所有的IO全部指向剩下的那個RAID0；

RAID10，是先做RAID1，然後對2組RAID1再做RAID0，假設此時某個RAID1壞掉一塊磁碟，當前RAID1仍然能提供服務，並且另一個RAID1也同時可以壞掉一塊磁碟。

所以，我們通常選擇RAID10，而不是RAID01。

  1. 不同RAID級別的讀寫性能

假設都用4塊磁碟，RAID0，RAID1，RAID5，RAID10在多線程/多CPU情況下，都可以同時讀取多塊磁碟，讀的性能都很不錯； 寫的性能(IOPS)依次遞減，大致是：RAID0 > RAID10 > RAID1 > RAID5。 二. RAID的空間計算

在做RAID時，通常選擇統一規格的磁碟，如果真的有不同空間大小、不同讀寫速度的磁碟，陣列系統會以空間小、速度低的為標準，空間大、速度高的磁碟向下相容。比如：100G，50G的2塊磁碟做RAID0，得到的空間為50G*2 = 100G。

RAID的空間計算公式： RAID0的空間：Disk Size * N RAID1的空間：(Disk Size * N)/2 RAID5的空間：((N-1)/N) * (Disk Size * N) = (N-1) * Disk Size RAID10的空間：(Disk Size * N/2)/2 + (Disk Size * N/2)/2 = (Disk Size * N)/2

假設都用4塊磁碟，每塊磁碟都為100G RAID0的空間：100G * 4 = 400G RAID1的空間：(100G * 4)/2 = 200G RAID5的空間：(4-1) * 100G = 300G RAID10的空間： (100G * 4)/2 = 200G 三. RAID的IOPS計算

  1. 單塊硬碟的IOPS是固定的 關於單塊磁碟IOPS的計算，中有詳細的方法，但通常這個值是相對固定的，不需要重覆計算，參考如下：

可以發現，同樣轉數，不同型號的單塊磁碟，IOPS都維持在一個類似的數量級。

  1. RAID的IOPS計算 有了單塊磁碟的IOPS，那麼多塊磁碟的IOPS計算就很簡單了，比如，對於RAID0或者單純串聯磁碟(JBOD: just a bunch of disks)的存儲來說，10塊175 IOPS的磁碟的總IOPS就是10*175 = 1750 IOPS。 但是對於其他RAID級別並不是這樣，因為RAID有多次寫IO的開銷存在，簡單來說就是：對RAID發起一次寫IO，RAID內部會有不止一次的寫IO發生，RAID內部的IO開銷如下：

從圖中得到公式：用戶讀IO+N*用戶寫IO = 總IOPS (N就是RAID內部的IO開銷次數)

假設用戶讀寫請求各一半(50%)，同樣還是以10塊175 IOPS的磁碟為例： 50% * 用戶總IO請求數 + N * (50% * 用戶總IO請求數) = 175 IOPS * 10

以RAID1為例，那麼N = 2，上式變為：1.5 *用戶總IO請求數 = 1750 IOPS 用戶總IO請求數 = 1167 IOPS 這就是10塊175 IOPS的磁碟做了RAID1，所能提供的IOPS。

可參考寫懲罰（write penalty)

  1. RAID的IOPS計算在現實中的應用 在實際使用中，我們通常不是計算現有RAID的IOPS，而是反過來：選擇好磁碟規格，RAID模式，測試出系統的讀寫比例，系統需要達到的IOPS，然後看看，需要多少塊硬碟來完成陣列，才能達到這樣的IOPS需求？

假設：選擇了175 IOPS的磁碟，做RAID1，系統讀寫比例為60%:40%，系統需要達到2000 IOPS 問：要配置多少塊這樣規格的硬碟？

把上面的公式改為通用公式： reads * WorkloadIOPS + writesimpact * (writes * Workload_IOPS) = 175 * M 60% * 2000 + 2 * (40% * 2000) = 175 * M M = 16 (也就是說，要達到指定的2000 IOPS，RAID1需要配置16塊175 IOPS的磁碟)

可能有人會覺得，系統的讀寫請求比例，系統需要達到多少IOPS，並不知道，如果沒有前期測試的話，那麼只能根據經驗來估測了。 四. RAID在資料庫存儲上的應用

以SQL Server資料庫為例，看下不同的RAID級別適用於什麼場景： RAID0，由於沒有容災機制，很少被單獨使用。

RAID1，操作系統、SQL Server實例、日誌文件； RAID5，數據文件，備份文件； RAID10，所有類型都適用，不過考慮成本，通常不會全部使用RAID10。 五、使用mdadm創建RAID 創建RAID陣列

我們可以通過 mdadm 命令來創建軟體RAID，比如下麵命令可以創建一個RAID5

sudo mdadm --create /dev/md0 -a yes -l 5 -n 3 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd -x  1 /dev/sde

其中

--create /dev/md0 創建一個新RAID，名字叫做 /dev/md0 -a yes 自動在/dev/下創建對應的RAID陣列設備 -l 5 指定RAID級別為5 -n 3 指定硬碟數量。表示用三塊硬碟來創建RAID5,分別為 /dev/sdb, /dev/sdc, /dev/sdd

我們會發現 /dev 下出現了一個名為 md0 的設備

ls -l /dev/md0

brw-rw----. 1 root disk 9, 0 Sep 11 09:40 /dev/md0

自動啟用RAID

在創建好RAID以後，可以將RAID信息保存到 /etc/mdadm.conf 文件中，這樣在下次操作系統重新啟動時，系統會自動載入這個文件來啟用RAID

sudo mdadm -D --scan >/etc/mdadm.conf
cat /etc/mdadm.conf

ARRAY /dev/md0 metadata=1.2 name=MiWiFi-R3-srv:0 UUID=ece6c656:c9999ff6:9d17c0ec:08a0e3af

查看RAID陣列信息

創建好RAID陣列後，我們可以通過 mdadm --misc 模式來查看剛創建好的RAID的詳細信息

mdadm --misc --detail /dev/md0

/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Tue Sep 11 09:40:45 2018
        Raid Level : raid5
        Array Size : 16758784 (15.98 GiB 17.16 GB)
     Used Dev Size : 8379392 (7.99 GiB 8.58 GB)
      Raid Devices : 3
     Total Devices : 3
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Tue Sep 11 10:03:35 2018
             State : clean 
    Active Devices : 3
   Working Devices : 3
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : MiWiFi-R3-srv:0  (local to host MiWiFi-R3-srv)
              UUID : ece6c656:c9999ff6:9d17c0ec:08a0e3af
            Events : 18

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8       16        0      active sync   /dev/sdb
       1       8       32        1      active sync   /dev/sdc
       3       8       48        2      active sync   /dev/sdd

或者我們也可以通過 /proc/mdstat 文件來查看RAID的簡潔信息

cat /proc/mdstat

Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] 
md0 : active raid5 sdd[3] sdc[1] sdb[0]
      16758784 blocks super 1.2 level 5, 512k chunk, algorithm 2 [3/3] [UUU]

unused devices: <none>

使用RAID陣列

在創建好RAID陣列後，我們就不能直接操作組成陣列的磁碟了，否則會損壞剛創建好的RAID陣列。 我們通過 /dev/md0 這個設備來進行文件格式化和掛載

set -x
exec 2>&1
mkfs.xfs -f /dev/md0
mount /dev/md0 /mnt
mount |grep md0

+ mkfs.xfs -f /dev/md0
meta-data=/dev/md0               isize=512    agcount=16, agsize=261760 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=0, sparse=0
data     =                       bsize=4096   blocks=4188160, imaxpct=25
         =                       sunit=128    swidth=256 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=2560, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=8 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
+ mount /dev/md0 /mnt
+ mount
+ grep md0
/dev/md0 on /mnt type xfs (rw,relatime,seclabel,attr2,inode64,sunit=1024,swidth=2048,noquota)

關閉RAID

我們可以通過 mdadm --misc 模式來關閉RAID。這會釋放所有資源

在關閉RAID之前需要先卸載RAID:

sudo umount /mnt

然後關閉RAID

sudo mdadm --misc --stop /dev/md0

關閉RAID後，我們可以通過 mdadm --misc --zero-superblock 來清空磁碟中RAID陣列的超級塊信息。 清空就能夠正常使用這些磁碟了

mdadm --misc --zero-superblock /dev/sdb
mdadm --misc --zero-superblock /dev/sdc
mdadm --misc --zero-superblock /dev/sdd

模擬RAID故障

我們可以通過 mdadm --manage /dev/md0 --fail 來將某塊磁碟設置成故障狀態

sudo mdadm /dev/md0 -f /dev/sdd 2>&1

mdadm: set /dev/sdd faulty in /dev/md0

然後我們再來查一下這個RAID的信息

sudo mdadm --misc --detail /dev/md0

/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Tue Sep 11 10:32:21 2018
        Raid Level : raid5
        Array Size : 16758784 (15.98 GiB 17.16 GB)
     Used Dev Size : 8379392 (7.99 GiB 8.58 GB)
      Raid Devices : 3
     Total Devices : 3
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Tue Sep 11 10:35:12 2018
             State : clean, degraded 
    Active Devices : 2
   Working Devices : 2
    Failed Devices : 1
     Spare Devices : 0

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : MiWiFi-R3-srv:0  (local to host MiWiFi-R3-srv)
              UUID : c031d0c9:998a4e86:5cf90e71:52b229cd
            Events : 20

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8       16        0      active sync   /dev/sdb
       1       8       32        1      active sync   /dev/sdc
       -       0        0        2      removed

       3       8       48        -      faulty   /dev/sdd

你會發現 /dev/sdd 的狀態現在變成了 faulty, 但是RAID5這個級別是允許一塊磁碟損壞而不造成數據損壞的。 移除RAID陣列中的磁碟

sudo mdadm --manage /dev/md0 --remove /dev/sdd

更換新磁碟

set -x
exec 2>&1
sudo mdadm --manage /dev/md0 --add /dev/sdd
sudo mdadm --misc --detail /dev/md0

+ sudo mdadm --manage /dev/md0 --add /dev/sdd
mdadm: added /dev/sdd
+ sudo mdadm --misc --detail /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Tue Sep 11 10:32:21 2018
        Raid Level : raid5
        Array Size : 16758784 (15.98 GiB 17.16 GB)
     Used Dev Size : 8379392 (7.99 GiB 8.58 GB)
      Raid Devices : 3
     Total Devices : 3
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Tue Sep 11 10:40:41 2018
             State : clean, degraded 
    Active Devices : 2
   Working Devices : 3
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 1

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : MiWiFi-R3-srv:0  (local to host MiWiFi-R3-srv)
              UUID : c031d0c9:998a4e86:5cf90e71:52b229cd
            Events : 22

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8       16        0      active sync   /dev/sdb
       1       8       32        1      active sync   /dev/sdc
       -       0        0        2      removed

       3       8       48        -      spare   /dev/sdd​

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