Linux 中软件 RAID 的使用.doc

Linux 中软件 RAID 的使用
一.简介
在Linux系统中目前以MD (Multiple Devices)虚拟块设备的方式实现软件RAID，利用多个底层的块设备虚拟出一个新的虚拟块设备，并且利用条带化(stripping)技术将数据块均匀分布到多个磁盘上来提高虚拟设备的读写性能，利用不同的数据冗余算法来保护用户数据不会因为某个块设备的故障而完全丢失，而且还能在设备被替换后将丢失的数据恢复到新的设备上。关于不同冗余级别的定义和数据块以及校验块的分布示意图可以参考存储专业委员会给出的参考资料“Common RAID Disk Data Format Specification ”。目前MD支持linear, multipath, raid0 (stripping), raid1 (mirror), raid4, raid5, raid6, raid10等不同的冗余级别和组成方式，当然也能支持多个RAID阵列的层叠组成raid1+0, raid5+1等类型的阵列。在参考资料“Software RAID HOWTO”中介绍了早期软件RAID阵列功能特点和使用方式，但是因为软件RAID程序的功能不断增加，因此很有必要写份新的使用介绍。
本文主要先讲解用户层mdadm如何管理软件RAID以及使用中经常遇到的问题和解决方法。在流行的Linux的发布版中，如FedoraCore,Gentoo, Ubuntu,Debian,SuseLinux系统中一般已经将MD驱动模块直接编译到内核中或编译为可动态加载的驱动模块。我们可以在机器启动后通过cat /proc/mdstat看内核是否已经加载MD驱动或者cat /proc/devices是否有md块设备，并且可以使用lsmod看MD是否是以模块形式加载到系统中。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities :
unused devices: <none>
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/devices | grep md
1 ramdisk
9 md
253 mdp
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# lsmod | grep md
md_mod 73364 0

如果Linux系统既没有将MD编译到内核也没有自动加载MD模块，则没有/proc/mdstat文件，那么需要执行命令modprobe md加载驱动模块。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]#cat /proc/mdstat
cat: /proc/mdstat: No such file or directory
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# modprobe md
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# lsmod | grep md
md_mod 73364 0

如果系统中没有MD驱动模块则需要自己从Linux内核源代码网站下载源代码包，并且重新编译内核，并且需要在内核的配置文件选择。
[*]Multiple devices driver support (RAID and LVM)
<*> RAID support
<M> Linear (append) mode
<M> RAID-0 (striping) mode
<M> RAID-1 (mirroring) mode
<M> RAID-10 (mirrored striping) mode (EXPERIMENTAL)
<M> RAID-4/RAID-5/RAID-6 mode
[*] Support adding drives to a raid-5 array
<M> Multipath I/O support
<M> Faulty test module for MD

在Linux系统中用户层以前使用raidtool工具集来管理MD设备，目前广泛使用mdadm软件来管理MD设备，而且该软件都会集成在Linux的发布版中。如果系统中没有安装可以到RAID驱动程序和mdadm软件的维护者Neil Brown的个人网站来下载源码包进行编译安装，或者下载RPM包直接安装。mdadm的最新版本是2.6.3。可以使用mdadm --version查看当前系统使用的版本。本文使用的是mdadm-2.6.3, Linux内核版本是Linux-2.6.22.1。下面的测试命令是在虚拟机环境中测试运行的。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# uname -r
2.6.22.1
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm --version
mdadm - v2.6.3 - 20th August 2007

二. mdadm管理软RAID阵列
mdadm程序是一个独立的程序，能完成所有的软RAID管理功能，主要有7种使用模式：
模式名字
主要功能
Create
使用空闲的设备创建一个新的阵列，每个设备具有元数据块
Assemble
将原来属于一个阵列的每个块设备组装为阵列
Build
创建或组装不需要元数据的阵列，每个设备没有元数据块
Manage
管理已经存储阵列中的设备，比如增加热备磁盘或者设置某个磁盘失效，然后从阵列中删除这个磁盘
Misc
报告或者修改阵列中相关设备的信息，比如查询阵列或者设备的状态信息
Grow
改变阵列中每个设备被使用的容量或阵列中的设备的数目
Monitor
监控一个或多个阵列，上报指定的事件
2.1 为磁盘划分分区
如果MD驱动被编译到内核中，当内核调用执行MD驱动时会自动查找分区为FD(Linux raid autodetect)格式的磁盘。所以一般会使用fdisk工具将HD磁盘或者SD磁盘分区，再设置为FD的磁盘。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# fdisk /dev/sdk
Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel
Building a new DOS disklabel. Changes will remain in memory only,
until you decide to write them. After that, of course, the previous
content won't be recoverable.

Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite)

Command (m for help):nCommand action
e extended
p primary partition (1-4)pPartition number (1-4):1First cylinder (1-512, default 1):1Using default value 1
Last cylinder or +size or +sizeM or +sizeK (1-512, default 512):512Using default value 512

Command (m for help):tSelected partition 1
Hex code (type L to list codes):FDChanged system type of partition 1 to fd (Linux raid autodetect)

Command (m for help):wThe partition table has been altered!

Calling ioctl() to re-read partition table.
Syncing disks.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# fdisk -l /dev/sdk
Disk /dev/sdk: 1073 MB, 1073741824 bytes
128 heads, 32 sectors/track, 512 cylinders
Units = cylinders of 4096 * 512 = 2097152 bytes

Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/sdk1 1 512 1048560 fd Linux raid autodetect

软RAID阵列实际上也可以使用任何标准的块设备作为底层设备，如SCSI设备、IDE设备、RAM disk磁盘和NBD(Network Block Device)等，甚至是其他的MD设备。
如果MD驱动是模块形式加载，需要在系统运行时由用户层脚本控制RAID阵列启动运行。如在FedoraCore系统中在/etc/rc.d/rc.sysinit文件中有启动软RAID阵列的指令，若RAID的配置文件mdadm.conf存在，则调用mdadm检查配置文件里的选项，然后启动RAID阵列。
echo "raidautorun /dev/md0" | nash --quiet
if [ -f /etc/mdadm.conf ]; then
/sbin/mdadm -A -s
fi

2.2 创建新的阵列
mdadm使用--create(或其缩写-C)参数来创建新的阵列，并且将一些重要阵列的标识信息作为元数据可以写在每一个底层设备的指定区间。--level(或者其缩写-l)表示阵列的RAID级别，--chunk(或者其缩写-c)表示每个条带单元的大小，以KB为单位，默认为64KB，条带单元的大小配置对不同负载下的阵列读写性能有很大影响。--raid-devices(或者其缩写-n)表示阵列中活跃的设备个数，而--spare-devices(或者其缩写-x)表示阵列中热备盘的个数，一旦阵列中的某个磁盘失效，MD内核驱动程序自动用将热备磁盘加入到阵列，然后重构丢失磁盘上的数据到热备磁盘上。
创建一个RAID 0设备：
mdadm --create /dev/md0 --level=0 --chunk=32 --raid-devices=3 /dev/sd[i-k]1
创建一个RAID 1设备：
mdadm -C /dev/md0 -l1 -c128 -n2 -x1 /dev/sd[i-k]1
创建一个RAID 5设备：
mdadm -C /dev/md0 -l5 -n5 /dev/sd[c-g] -x1 /dev/sdb
创建一个RAID 6设备：
mdadm -C /dev/md0 -l6 -n5 /dev/sd[c-g] -x2 /dev/sdb /dev/sdh
创建一个RAID 10设备：
mdadm -C /dev/md0 -l10 -n6 /dev/sd[b-g] -x1 /dev/sdh
创建一个RAID1+0设备：
mdadm -C /dev/md0 -l1 -n2 /dev/sdb /dev/sdc
mdadm -C /dev/md1 -l1 -n2 /dev/sdd /dev/sde
mdadm -C /dev/md2 -l1 -n2 /dev/sdf /dev/sdg
mdadm -C /dev/md3 -l0 -n3 /dev/md0 /dev/md1 /dev/md2

当RAID1/4/5/6/10等创建成功后，需要计算每个条带的校验和信息并写入到相应磁盘上，所以RAID阵列有一个冗余组数据同步的初始化过程(resync)。但是MD设备只要创建成功后即可对外被上层应用读写使用，当然由于上层数据读写降低数据同步的性能。初始化的时间长短和磁盘阵列自身性能以及读写的应用负载相关，使用cat /proc/mdstat信息查询RAID阵列当前重构的速度和预期的完成时间。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10]
md0 : active raid10 sdh[6](S) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1] sdb[0]
3145536 blocks 64K chunks 2 near-copies [6/6] [UUUUUU]
[===>...........] resync = 15.3% (483072/3145536) finish=0.3min speed=120768K/sec

unused devices: <none>
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10]
md0 : active raid10 sdh[6](S) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1] sdb[0]
3145536 blocks 64K chunks 2 near-copies [6/6] [UUUUUU]

unused devices: <none>

如果一个块设备已经正在被其他的MD设备或者文件系统使用，则不能用来创建新的MD设备。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -C /dev/md1 -l0 -n2 /dev/sdh /dev/sdi
mdadm: Cannot open /dev/sdh: Device or resource busy
mdadm: create aborted

Build模式可以用来创建没有元数据的RAID0/1设备，不能创建RAID4/5/6/10等带有冗余级别的MD设备。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -BR /dev/md0 -l0 -n6 /dev/sd[b-g]
mdadm: array /dev/md0 built and started.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -BR /dev/md0 -l1 -n2 /dev/sd[b-c]
mdadm: array /dev/md0 built and started.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -BR /dev/md0 -l5 -n6 /dev/sd[b-g]
mdadm: Raid level 5 not permitted with --build.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -BR /dev/md0 –l6 -n6 /dev/sd[b-g]
mdadm: Raid level 5 not permitted with --build.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -BR /dev/md0 –l10 -n6 /dev/sd[b-g]
mdadm: Raid level 10 not permitted with --build.

使用阵列：
MD设备可以像普通块设备那样直接读写，也可以做文件系统格式化。
#mkfs.ext3 /dev/md0
#mkdir -p /mnt/md-test
#mount /dev/md0 /mnt/md-test

停止正在运行的阵列：
当阵列没有文件系统或者其他存储应用以及高级设备使用的话，可以使用--stop(或者其缩写-S)停止阵列；如果命令返回设备或者资源忙类型的错误，说明/dev/md0正在被上层应用使用，暂时不能停止，必须要首先停止上层的应用，这样也能保证阵列上数据的一致性。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm --stop /dev/md0
mdadm: fail to stop array /dev/md0: Device or resource busy
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# umount /dev/md0
[root@fc5 mdadm-2.6.3]#./mdadm --stop /dev/md0
mdadm: stopped /dev/md0

2.3 组装曾创建过的阵列
模式--assemble或者其缩写(-A)主要是检查底层设备的元数据信息，然后再组装为活跃的阵列。如果我们已经知道阵列由那些设备组成，可以指定使用那些设备来启动阵列。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -A /dev/md0 /dev/sd[b-h]
mdadm: /dev/md0 has been started with 6 drives and 1 spare.

如果有配置文件(/etc/mdadm.conf)可使用命令mdadm -As /dev/md0。mdadm先检查mdadm.conf中的DEVICE信息，然后从每个设备上读取元数据信息，并检查是否和ARRAY信息一致，如果信息一致则启动阵列。如果没有配置/etc/mdadm.conf文件，而且又不知道阵列由那些磁盘组成，则可以使用命令--examine(或者其缩写-E)来检测当前的块设备上是否有阵列的元数据信息。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -E /dev/sdi
mdadm: No md superblock detected on /dev/sdi.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -E /dev/sdb
/dev/sdb:
Magic : a92b4efc
Version : 00.90.00
UUID : 0cabc5e5:842d4baa:e3f6261b:a17a477a
Creation Time : Sun Aug 22 17:49:53 1999
Raid Level : raid10
Used Dev Size : 1048512 (1024.11 MiB 1073.68 MB)
Array Size : 3145536 (3.00 GiB 3.22 GB)
Raid Devices : 6
Total Devices : 7
Preferred Minor : 0

Update Time : Sun Aug 22 18:05:56 1999
State : clean
Active Devices : 6
Working Devices : 7
Failed Devices : 0
Spare Devices : 1
Checksum : 2f056516 - correct
Events : 0.4

Layout : near=2, far=1
Chunk Size : 64K

Number Major Minor RaidDevice State
this 0 8 16 0 active sync /dev/sdb

0 0 8 16 0 active sync /dev/sdb
1 1 8 32 1 active sync /dev/sdc
2 2 8 48 2 active sync /dev/sdd
3 3 8 64 3 active sync /dev/sde
4 4 8 80 4 active sync /dev/sdf
5 5 8 96 5 active sync /dev/sdg
6 6 8 112 6 spare /dev/sdh

从上面命令结果可以找到阵列的唯一标识UUID和阵列包含的设备名字，然后再使用上面的命令来组装阵列，也可以使用UUID标识来组装阵列。没有一致的元数据的信息设备(例如/dev/sda和/dev/sda1等)mdadm程序会自动跳过。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -Av --uuid=0cabc5e5:842d4baa:e3f6261b:a17a477a
/dev/md0 /dev/sd*
mdadm: looking for devices for /dev/md0
mdadm: no recogniseable superblock on /dev/sda
mdadm: /dev/sda has wrong uuid.
mdadm: no recogniseable superblock on /dev/sda1
mdadm: /dev/sda1 has wrong uuid.
mdadm: no RAID superblock on /dev/sdi
mdadm: /dev/sdi has wrong uuid.
mdadm: /dev/sdi1 has wrong uuid.
mdadm: no RAID superblock on /dev/sdj
mdadm: /dev/sdj has wrong uuid.
mdadm: /dev/sdj1 has wrong uuid.
mdadm: no RAID superblock on /dev/sdk
mdadm: /dev/sdk has wrong uuid.
mdadm: /dev/sdk1 has wrong uuid.
mdadm: /dev/sdb is identified as a member of /dev/md0, slot 0.
mdadm: /dev/sdc is identified as a member of /dev/md0, slot 1.
mdadm: /dev/sdd is identified as a member of /dev/md0, slot 2.
mdadm: /dev/sde is identified as a member of /dev/md0, slot 3.
mdadm: /dev/sdf is identified as a member of /dev/md0, slot 4.
mdadm: /dev/sdg is identified as a member of /dev/md0, slot 5.
mdadm: /dev/sdh is identified as a member of /dev/md0, slot 6.
mdadm: added /dev/sdc to /dev/md0 as 1
mdadm: added /dev/sdd to /dev/md0 as 2
mdadm: added /dev/sde to /dev/md0 as 3
mdadm: added /dev/sdf to /dev/md0 as 4
mdadm: added /dev/sdg to /dev/md0 as 5
mdadm: added /dev/sdh to /dev/md0 as 6
mdadm: added /dev/sdb to /dev/md0 as 0
mdadm: /dev/md0 has been started with 6 drives and 1 spare.

配置文件：
/etc/mdadm.conf作为默认的配置文件，主要作用是方便跟踪软RAID的配置，尤其是可以配置监视和事件上报选项。Assemble命令也可以使用--config(或者其缩写-c)来指定配置文件。我们通常可以如下命令来建立配置文件。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]#echo DEVICE /dev/sd[b-h] /dev/sd[i-k]1 > /etc/mdadm.conf
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -Ds >>/etc/mdadm.conf
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /etc/mdadm.conf
DEVICE /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd /dev/sde /dev/sdf /dev/sdg /dev/sdh
/dev/sdi1 /dev/sdj1 /dev/sdk1
ARRAY /dev/md1 level=raid0 num-devices=3
UUID=dcff6ec9:53c4c668:58b81af9:ef71989d
ARRAY /dev/md0 level=raid10 num-devices=6 spares=1
UUID=0cabc5e5:842d4baa:e3f6261b:a17a477a

使用配置文件启动阵列时，mdadm会查询配置文件中的设备和阵列内容，然后启动运行所有能运行RAID阵列。如果指定阵列的设备名字，则只启动对应的阵列。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -As
mdadm: /dev/md1 has been started with 3 drives.
mdadm: /dev/md0 has been started with 6 drives and 1 spare.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid0] [raid10]
md0 : active raid10 sdb[0] sdh[6](S) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1]
3145536 blocks 64K chunks 2 near-copies [6/6] [UUUUUU]

md1 : active raid0 sdi1[0] sdk1[2] sdj1[1]
7337664 blocks 32k chunks

unused devices: <none>
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -S /dev/md0 /dev/md1
mdadm: stopped /dev/md0
mdadm: stopped /dev/md1
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm -As /dev/md0
mdadm: /dev/md0 has been started with 6 drives and 1 spare.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid0] [raid10]
md0 : active raid10 sdb[0] sdh[6](S) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1]
3145536 blocks 64K chunks 2 near-copies [6/6] [UUUUUU]

unused devices: <none>

2.4 查询阵列的状态
我们可以通过cat /proc/mdstat信息查看所有运行的RAID阵列的状态，在第一行中首先是MD的设备名，active和inactive选项表示阵列是否能读写，接着是阵列的RAID级别，后面是属于阵列的块设备，方括号[]里的数字表示设备在阵列中的序号，(S)表示其是热备盘，(F)表示这个磁盘是faulty状态。在第二行中首先是阵列的大小，单位是KB，接着是chunk-size的大小，然后是layout类型，不同RAID级别的layout类型不同，[6/6]和[UUUUUU]表示阵列有6个磁盘并且6个磁盘都是正常运行的，而[5/6]和[_UUUUU] 表示阵列有6个磁盘中5个都是正常运行的，下划线对应的那个位置的磁盘是faulty状态的。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] [raid1]
md0 : active raid5 sdh[6](S) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1] sdb[0]
5242560 blocks level 5, 64k chunk, algorithm 2 [6/6] [UUUUUU]

unused devices: <none>
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm /dev/md0 -f /dev/sdh /dev/sdb
mdadm: set /dev/sdh faulty in /dev/md0
mdadm: set /dev/sdb faulty in /dev/md0
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# cat /proc/mdstat
Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] [raid1]
md0 : active raid5 sdh[6](F) sdg[5] sdf[4] sde[3] sdd[2] sdc[1] sdb[7](F)
5242560 blocks level 5, 64k chunk, algorithm 2 [6/5] [_UUUUU]

unused devices: <none>

如果Linux系统目前支持sysfs也可以访问/sys/block/md0目录查询阵列信息。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ls -l /sys/block/md0/
capability holders range size stat uevent
dev md removable slaves subsystem
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ls /sys/block/md0/md/
array_state dev-sdg rd1 suspend_lo
bitmap_set_bits dev-sdh rd2 sync_action
chunk_size layout rd3 sync_completed
component_size level rd4 sync_speed
dev-sdb metadata_version rd5 sync_speed_max
dev-sdc mismatch_cnt reshape_position sync_speed_min
dev-sdd new_dev resync_start
dev-sde raid_disks safe_mode_delay
dev-sdf rd0 suspend_hi
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ls /sys/block/md0/slaves/
sdb sdc sdd sde sdf sdg sdh

我们也可以通过mdadm命令查看指定阵列的简要信息(使用--query或者其缩写-Q)和详细信息(使用--detail或者其缩写-D) 详细信息包括RAID的版本、创建的时间、RAID级别、阵列容量、可用空间、设备数量、超级块状态、更新时间、UUID信息、各个设备的状态、RAID算法级别类型和布局方式以及块大小等信息。设备状态信息分为active, sync, spare, faulty, rebuilding, removing等等。
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm --query /dev/md0
/dev/md0: 2.100GiB raid10 6 devices, 1 spare. Use mdadm --detail for more detail.
[root@fc5 mdadm-2.6.3]# ./mdadm --detail /dev/md0
/dev/md0:
Version : 00.90.03
Creation Time : Sun Aug 22 17:49:53 1999
Raid Level : raid10
Array Size : 3145536 (3.00 GiB 3.22 GB)
Used Dev Size : 1048512 (1024.11 MiB 1073.68 MB)
Raid Devices : 6
Total Devices : 7
Preferred Minor : 0
Persistence : Superblock is persistent

Update Time : Sun Aug 22 21:55:02 1999
State : clean
Active Devices : 6
Working Devices : 7
Failed Devices : 0
Spare Devices : 1

Layout : near=2, far=1
Chunk Size : 64K

UUID : 0cabc5e5:842d4baa:e3f6261b:a17a477a