Linux下软件RAID的实现

作为网络操作系统, 冗余磁盘阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks,简称RAID)功能是必备的功能之一。从Linux 2.4内核开始,Linux就提供软件RAID,不必购买昂贵的硬件RAID控制器和附件(一般中、高挡服务器都提供这样的设备和热插拔硬盘),就能极大 地增强Linux磁盘的I/O性能和可靠性。同时,它还具有将多个较小的磁盘空间组合成一个较大磁盘空间的功能。这里的软件RAID不是指在单个物理硬盘 上实现RAID功能。为提高RAID的性能,最好还是使用多个硬盘,使用SCSI接口的硬盘效果会更好。

RAID作用及主要使用类型

RAID 将普通硬盘组成一个磁盘阵列,在主机写入数据时,RAID控制器把主机要写入的数据分解为多个数据块,然后并行写入磁盘阵列;主机读取数据时,RAID控 制器并行读取分散在磁盘阵列中各个硬盘上的数据,把它们重新组合后提供给主机。由于采用并行读写操作,从而提高了存储系统的存取程度。此外,RAID磁盘 阵列更主要的作用是,可以采用镜像、奇偶校验等措施来提高系统的容错能力,保证数据的可靠性。一般在安装Linux操作系统时可以根据需要进行RAID的 安装配置。

在使用Linux操作系统的过程中,也可以根据应用的需要,用手工方法进行RAID的配置。配置前提是必须已经安装 raidtools工具包。该包可以从http://people.redhat.com/mingo/raidtools处下载最新版 raidtools-1.00.3.tar.gz ,然后用root用户解压缩包然后输入以下命令:

# cd raidtools-1.00.3
# ./configure
# make
# make install

这样raidtools-1.00.3就安装好了,从而可以随时安装使用RAID。

在Linux 系统中,主要提供RAID 0、RAID 1、RAID 5三种级别的RAID方法。RAID 0又称为Stripe或Striping,中文译为集带工作方式。它是将要存取的数据以条带状形式尽量平均分配到多个硬盘上,读写时多个硬盘同时进行读 写,从而提高数据的读写速度。RAID 0另一目的是获得更大的“单个”磁盘容量。

RAID 1又称为Mirror或Mirroring,中文译为镜像方式。这种工作方式的出现完全是为了数据安全考虑的,它是把用户写入硬盘的数据百分之百地自动复 制到另外一个硬盘上或硬盘的不同地方(镜像)。当读取数据时,系统先从RAID 1的源盘读取数据,如果读取数据成功,则系统不去管备份盘上的数据;如果读取源盘数据失败,则系统自动转而读取备份盘上的数据,不会造成用户工作任务的中 断。由于对存储的数据进行百分之百的备份,在所有RAID级别中,RAID 1提供最高的数据安全保障。同样,由于数据的百分之百备份,备份数据占了总存储空间的一半,因而,Mirror的磁盘空间利用率低,存储成本高。

RAID 5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案,也是目前应用最广泛的RAID技术。各块独立硬盘进行条带化分割,相同的条带区进行奇偶校验 (异或运算),校验数据平均分布在每块硬盘上。以n块硬盘构建的RAID 5阵列可以有n-1块硬盘的容量,存储空间利用率非常高。RAID 5不对存储的数据进行备份,而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上,并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘 上。当RAID 5的任何一块硬盘上的数据丢失,均可以通过校验数据推算出来。RAID 5具有数据安全、读写速度快,空间利用率高等优点,应用非常广泛。其不足之处是如果1块硬盘出现故障以后,整个系统的性能将大大降低。RAID 5可以为系统提供数据安全保障,但保障程度要比Mirror低,而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID 5具有和RAID 0相近似的数据读取速度,只是多了一个奇偶校验信息,写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息,RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高,存储成本相对较低。

RAID在Linux下的创建过程

在实际使用过程中,一般都是使用多个单独的磁盘建立RAID,当然也可以使用单个磁盘建立RAID,具体步骤类似。在此,我以使用单个磁盘建立RAID为例进行介绍。

1.以root用户登录

2.使用fdisk工具创建RAID分区

(1)fdisk /dev/hda,这里假定IDE1主接口上的硬盘有剩余空间。

(2)使用命令n创建多个大小相同的新分区,若建立RAID 0或RAID 1分区数至少要大于等于2, RAID 5分区数至少大于等于3。n—起始柱面(可直接按回车)—分区大小;重复以上过程到想创建的RAID分区数为止。结果如下所示:

disk /dev/hda: 240 heads, 63 sectors, 3876 cylinders
Units = cylinders of 15120 * 512 bytes

Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/hda1 * 1 1221 9230728+ c Win95 FAT32 (LBA)
/dev/hda2 1222 1229 60480 83 Linux
/dev/hda3 1230 1906 5118120 83 Linux
/dev/hda4 1907 3876 14893200 f Win95 Ext’d (LBA)
/dev/hda5 1907 1960 408208+ 82 Linux swap
/dev/hda6 1961 2231 2048728+ b Win95 FAT32
/dev/hda7 2709 3386 5125648+ b Win95 FAT32
/dev/hda8 3387 3876 3704368+ 7 HPFS/NTFS
/dev/hda9 2232 2245 105808+ 83 Linux
/dev/hda10 2246 2259 105808+ 83 Linux
/dev/hda11 2260 2273 105808+ 83 Linux
/dev/hda12 2274 2287 105808+ 83 Linux

使用n命令创建4个Linux分区后,用命令p显示分区情况。这里/dev/hda9、/dev/hda10、/dev/hda11、/dev/hda12为创建的4个Linux分区。

(3)使用命令t改变分区类型为software raid类型。t—分区号—fd(分区类型);重复以上过程。修改分区类型后如下所示:

/dev/hda9 2232 2245 105808+ fd Linux raid autodetect
/dev/hda10 2246 2259 105808+ fd Linux raid autodetect
/dev/hda11 2260 2273 105808+ fd Linux raid autodetect
/dev/hda12 2274 2287 105808+ fd Linux raid autodetect

(4)使用命令w保存分区表。

3.重新启动使分区表生效

4.使用man raidtab查看配置文件结构

5.使用编辑命令将配置文件内容写入 /etc/raidtab

如下所示:

raiddev /dev/md0
raid-level 5
nr-raid-disks 3
nr-spare-disks 1
persistent-superblock 1
parity-algorithm left-symmetric
chunk-size 8

device /dev/hda9
raid-disk 0
device /dev/hda10
raid-disk 1
device /dev/hda11
raid-disk 2
device /dev/hda12
spare-disk 0

这 里创建RAID-5,使用3个RAID磁盘,1个备用磁盘。注意“chunk-size 8”一句不能少,指定RAID-5使用的块大小为8KB。RAID-5卷会以8KB的块写入其组成分区,即RAID卷的第一个8KB在hda9上,第二个 8KB在hda10上,依此类推。设备名可为md0或md1等。“spare-disk”磁盘主要起备用作用,一旦某一磁盘损坏可以立即顶上,这里也可以 不要。

6.使用mkraid /dev/md0创建RAID阵列

这里md表示创建的是RAID磁盘类型。结果如下所示:

[root@localhost root]# mkraid /dev/md0
handling MD device /dev/md0
analyzing super-block
disk 0: /dev/hda9, 105808kB, raid superblock at 105728kB
disk 1: /dev/hda10, 105808kB, raid superblock at 105728kB
disk 2: /dev/hda11, 105808kB, raid superblock at 105728kB
disk 3: /dev/hda12, 105808kB, raid superblock at 105728kB
md0: WARNING: hda10 appears to be on the same physical disk as hda9. True
protection against single-disk failure might be compromised.
md0: WARNING: hda11 appears to be on the same physical disk as hda10. True
protection against single-disk failure might be compromised.
md0: WARNING: hda12 appears to be on the same physical disk as hda11. True
protection against single-disk failure might be compromised.
md: md0: RAID array is not clean — starting background reconstruction
8regs : 2206.800 MB/sec
32regs : 1025.200 MB/sec
pII_mmx : 2658.400 MB/sec
p5_mmx : 2818.400 MB/sec
raid5: using function: p5_mmx (2818.400 MB/sec)
raid5: raid level 5 set md0 active with 3 out of 3 devices, algorithm 2

7.使用 lsraid -a /dev/md0 查看RAID分区状况

结果如下所示:

[root@localhost root]# lsraid -a /dev/md0
[dev 9, 0] /dev/md0 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA online
[dev 3, 9] /dev/hda9 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA good
[dev 3, 10] /dev/hda10 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA good
[dev 3, 11] /dev/hda11 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA good
[dev 3, 12] /dev/hda12 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA spare

8.mkfs.ext3/dev/md0将RAID分区格式化为ext3格式

结果如下所示:

[root@localhost root]# mkfs.ext3 /dev/md0
mke2fs 1.27 (8-Mar-2002)
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=1024 (log=0)
Fragment size=1024 (log=0)
53040 inodes, 211456 blocks
10572 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=1
26 block groups
8192 blocks per group, 8192 fragments per group
2040 inodes per group
Superblock backups stored on blocks:
8193, 24577, 40961, 57345, 73729, 204801

raid5: switching cache buffer size, 4096 –> 1024
Writing inode tables: done
Creating journal (4096 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information:
done

This filesystem will be automatically checked every 22 mounts or
180 days, whichever comes first. Use tune2fs -c or -i to override.

9.mount /dev/md0 /mnt/md0

这里应首先在mnt目录下创建md0子目录。

至此,所有创建工作完成,md0目录就成为具有RAID作用的一个目录。

检验RAID的效果

我们可以使用以下步骤检验RAID的效果。

1.dd if=/dev/zero of=/dev/hda9 bs=100000000 count=10

将RAID的第一个磁盘分区hda9全部置0;bs表示一次写多少位,count表示写多少次。这里一定要使写入的数据大于磁盘分区的容量,否则由于RAID的作用,数据会自动恢复原有值。如下所示:

[root@localhost root]
# dd if=/dev/zero of=/dev/hda9 bs=100000000 count=10
dd: writing `/dev/hda9′: No space left on device
2+0 records in
1+0 records out

2.用lsraid -a /dev/md0查看到/dev/hda9数据全为0

如下所示:

[root@localhost root]# lsraid -a /dev/md0
lsraid: Device "/dev/hda9" does not have a valid raid superblock
lsraid: Device "/dev/hda9" does not have a valid raid superblock
lsraid: Device "/dev/hda9" does not have a valid raid superblock
lsraid: Device "/dev/hda9" does not have a valid raid superblock
[dev 9, 0] /dev/md0 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA online
[dev ?, ?] (unknown) 00000000.00000000.00000000.00000000 missing
[dev 3, 10] /dev/hda10 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA good
[dev 3, 11] /dev/hda11 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA good
[dev 3, 12] /dev/hda12 86391738.19BEDD09.8F02C37B.51584DBA spare

3.raidstop /dev/md0

4.raidstart /dev/md0

则/dev/hda9的数据恢复正常,说明RAID的数据校验功能已起作用。

在使用Linux的过程中,可以随时创建RAID来提高数据的可靠性和I/O性能,甚至可以将多个硬盘剩余的较小空间组合成一个较大空间。


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