Linux下软件RAID的实现

Linux下软件RAID的实现

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。