Linux RAID 存储技术

最新推荐文章于 2025-12-11 08:56:39 发布

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#linux #网络 #运维

各级RAID概念

RAID（独立磁盘冗余阵列）是一种将多个‌物理磁盘驱动器‌组合成一个或多个‌逻辑单元‌的技术；可以理解为将多块普通磁盘组合起来，在特定的逻辑下合作存储数据，以达到提升性能、增加容量、提高存储安全性等目的。

从实现角度看， RAID 主要分为：

软 RAID：所有功能均有操作系统和 CPU 来完成，没有独立的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片，效率最低。
硬 RAID ：配备了专门的 RAID 控制 / 处理芯片和 I/O 处理芯片以及阵列缓冲，不占用 CPU 资源，成本很高。
软硬混合 RAID：具备 RAID 控制 / 处理芯片，但缺乏 I/O 处理芯片，需要 CPU 和驱动程序来完成，性能和成本在软 RAID 和硬 RAID 之间。

不同的RAID级别代表了不同的磁盘组合方式和存储逻辑：

RAID级别	最小磁盘数	数据拆分说明
RAID 0	2	将数据分成两部分，分别存入两块磁盘；每块磁盘储存着完整数据的一部分
RAID 1	2	将数据复制一次后，分别存入两块磁盘；每块磁盘储存着完整的数据
RAID 5	3	将数据分为两部分和一份奇偶校验信息，分别存入三块磁盘；任一数据部分丢失时可根据奇偶校验信息还原为原始数据
RAID 6	4	将数据分为两部分和两份奇偶校验信息，分别存入四块磁盘；任一数据部分丢失时可根据奇偶校验信息还原为原始数据
RAID 10	4	将磁盘分为两两一组，每组获得一份完整数据；再对每组磁盘进行RAID 0相同储存方式；即先复制再拆分存储

RAID 技术中有一个概念叫冗余；其本质可以理解为备份，在RAID中表示通过创建数据的额外副本来提高系统的可靠性和容错能力；简单来说，当RAID中的磁盘发生故障时，系统可以利用冗余备份数据恢复原始信息，从而避免数据丢失。

冗余度是衡量数据备份程度的量化指标，表示数据被额外备份的比例；冗余度越高，意味着备份的副本越多，系统的容错能力越强，但存储空间的利用率也越低。
例如在RAID 1中，数据被复制了一份后分别存入不同的磁盘，相当于同一数据占用了两倍的空间，冗余度即为50%。

RAID级别	冗余机制	冗余度
RAID 0	无	0%
RAID 1	镜像	50%
RAID 5	奇偶校验	25%
RAID 6	双重奇偶校验	33.3%
RAID 10	镜像	50%

冗余度越高，可容忍的故障磁盘越多；
但需要注意RAID不是备份，RAID的主要目的是‌提高可用性‌和‌性能‌，不能代替备份。

RHEL 提供多磁盘和设备管理 (mdadm) 程序实用程序来创建和管理软件RAID；mdadm (Multiple Devices Admin) 是 Linux 下‌创建、管理和监控软件 RAID‌ 的核心工具，用于实现RAID阵列。

语法：mdadm [模式] [参数] [磁盘列表]
mdadm命令的组成是选择一个模式加若干参数；

mdadm拥有以下命令模式：

创建模式：–create；用于初始化新 RAID 阵列；
组装模式：–assemble；激活已存在的 RAID 阵列；
管理模式：直接在mdadm后连接选项；用于调整 RAID 状态；
监控模式：–monitor；用于监控 RAID 状态；
增长模式：–grow；扩容或修改阵列属性；
杂项模式：包含以下命令
–detail：查看阵列详细信息；
–examine：检查磁盘 RAID 元数据；
–query：快速查看阵列基础信息；
–zero-superblock：销毁阵列，清除磁盘 RAID 元数据；

mdadm选项	作用
-l，–level	设置 RAID 级别
-n，–raid-devices	设定磁盘数量
-x，–spare-devices	热备盘数量
-c，–chunk	设置条带大小
–bitmap=internal	启用内存位图
–scan	自动扫描 /etc/mdadm.conf 或 /proc/partitions 配置
–add	添加热备盘
–fail	触发重建（需热备盘）
–remove	安全卸载故障盘
–stop	umount 文件系统，用于卸载前

[root@server ~]# mdadm --detail --scan >>/etc/mdadm.conf
# 扫描系统中所有活动的RAID阵列，将输出追加到/etc/mdadm.conf文件中；可以持久化保存当前RAID阵列的配置信息‌，确保系统重启后能自动识别并重组RAID阵列
[root@server ~]# madam --assemble --scan
# 自动扫描并组装所有RAID

RAID 0

RAID 0 的数据分布方式被称为条带化（Stripe）；原因是RAID 0使数据被分割成条带，依次循环写入所有磁盘。

RAID 0的总容量是成员磁盘容量的总和，因为没有冗余数据；如果任何一块磁盘故障，整个阵列的数据将丢失，且无法恢复。

创建RAID 0至少需要两块磁盘：

[root@server ~]# mdadm --create /dev/md0 --level 0 --raid-devices 2 /dev/sd{b,c}
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md0 started.
[root@server ~]# mdadm --detail /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Sun Nov 16 21:09:06 2025
        Raid Level : raid0
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
      Raid Devices : 2
     Total Devices : 2
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Sun Nov 16 21:09:06 2025
             State : clean 
    Active Devices : 2
   Working Devices : 2
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : none

              Name : server.gc.cloud:0  (local to host server.gc.cloud)
              UUID : 527aabcc:40c60758:7fc96289:d3ed627a
            Events : 0

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

raid0阵列不能增加新成员盘，也不能强制使成员盘故障。

接下来格式化raid0阵列，然后就可以进行存储数据了：

[root@server ~]# mkfs.xfs /dev/md0
meta-data=/dev/md0               isize=512    agcount=16, agsize=654720 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=0, sparse=0
data     =                       bsize=4096   blocks=10475520, imaxpct=25
         =                       sunit=128    swidth=256 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=5120, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=8 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
[root@server ~]# mount /dev/md0 /data/raid0

卸载raid0阵列：

[root@server ~]# umount /dev/md0
[root@server ~]# mdadm --stop /dev/md0
mdadm: stopped /dev/md0
[root@server ~]# mdadm --zero-superblock /dev/sd{b,c}

RAID 1

RAID 1指数据被同时写入两块（或更多）磁盘，形成镜像；

[root@server ~]# mdadm --create /dev/md1 --level 1 --raid-devices 2 /dev/sd{b,c}
mdadm: partition table exists on /dev/sdb
mdadm: partition table exists on /dev/sdb but will be lost or
       meaningless after creating array
mdadm: Note: this array has metadata at the start and
    may not be suitable as a boot device.  If you plan to
    store '/boot' on this device please ensure that
    your boot-loader understands md/v1.x metadata, or use
    --metadata=0.90
Continue creating array? y
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md1 started.
# 警告信息代表 /dev/sdb 上存在分区表，创建 RAID 后原有分区表将失效；两个磁盘上的所有现有数据都将被清除
[root@server ~]# mdadm --detail /dev/md1
/dev/md1:
           Version : 1.2
     Creation Time : Mon Nov 17 17:18:56 2025
        Raid Level : raid1
        Array Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 2
     Total Devices : 2
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Mon Nov 17 17:20:42 2025
             State : clean 
    Active Devices : 2
   Working Devices : 2
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

Consistency Policy : resync

              Name : server.gc.cloud:1  (local to host server.gc.cloud)
              UUID : 0cfed40e:fe8e204a:3ca4ec36:9da2a510
            Events : 17

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

格式化与raid0相同，raid1不限于两块磁盘，可以随时添加热备盘；但添加的热备盘初始状态为备用，需要使用–grow扩容才能进入工作状态。

[root@server ~]# mkfs.xfs /dev/md1
mkfs.xfs: /dev/md1 appears to contain an existing filesystem (xfs).
mkfs.xfs: Use the -f option to force overwrite.
# 表示已有xfs文件系统，可以使用-f选项强制执行
[root@server ~]# mount /dev/md1 /data/raid1
[root@server ~]# mdadm /dev/md1 --add /dev/sdd
mdadm: added /dev/sdd

raid1阵列可以容忍任一磁盘损坏，可以使用fail命令模拟故障：

[root@server ~]# mdadm /dev/md1 --fail /dev/sdb
mdadm: set /dev/sdb faulty in /dev/md1
[root@server ~]# mdadm --detail /dev/md1
/dev/md1:
           Version : 1.2
     Creation Time : Mon Nov 17 17:18:56 2025
        Raid Level : raid1
        Array Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 2
     Total Devices : 2
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Mon Nov 17 19:32:01 2025
             State : clean, degraded 
    Active Devices : 1
   Working Devices : 1
    Failed Devices : 1
     Spare Devices : 0

Consistency Policy : resync

              Name : server.gc.cloud:1  (local to host server.gc.cloud)
              UUID : 0cfed40e:fe8e204a:3ca4ec36:9da2a510
            Events : 19

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       -       0        0        0      removed
       1       8       32        1      active sync   /dev/sdc
       2       8       48        1      spare rebuilding   /dev/sdd

       0       8       16        -      faulty   /dev/sdb

当raid1阵列中的任一磁盘发生损坏时，备用磁盘会立刻顶替损坏磁盘以保证阵列正常运转。

RAID 5

数据被条带化分布在所有磁盘上，同时每个条带集计算出一个奇偶校验块；奇偶校验块均匀地分布在不同磁盘上，而不是固定在一个盘，这是为了防止单一磁盘被反复擦写而降低使用寿命。

RAID 5阵列至少需要4块磁盘：

[root@server ~]# lsblk
NAME            MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda               8:0    0   20G  0 disk 
├─sda1            8:1    0    1G  0 part /boot
└─sda2            8:2    0   19G  0 part 
  ├─centos-root 253:0    0   17G  0 lvm  /
  └─centos-swap 253:1    0    2G  0 lvm  [SWAP]
sdb               8:16   0   20G  0 disk 
sdc               8:32   0   20G  0 disk 
sdd               8:48   0   20G  0 disk 
sde               8:64   0   20G  0 disk 
sr0              11:0    1  4.4G  0 rom  
[root@server ~]# mdadm --create /dev/md5 --level 5 --raid-devices 4 /dev/sd{b,c,d,e}
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md5 started.
[root@server ~]# mdadm --detail /dev/md5
/dev/md5:
           Version : 1.2
     Creation Time : Mon Nov 17 20:24:31 2025
        Raid Level : raid5
        Array Size : 62862336 (59.95 GiB 64.37 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 4
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Mon Nov 17 20:26:17 2025
             State : clean 
    Active Devices : 4
   Working Devices : 4
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : server.gc.cloud:5  (local to host server.gc.cloud)
              UUID : a16c1bbe:81157277:0b045a79:c40cb070
            Events : 18

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8       16        0      active sync   /dev/sdb
       1       8       32        1      active sync   /dev/sdc
       2       8       48        2      active sync   /dev/sdd
       4       8       64        3      active sync   /dev/sde

格式化并挂靠文件夹：

[root@server ~]# mkfs.xfs -f /dev/md5
meta-data=/dev/md5               isize=512    agcount=16, agsize=982144 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=0, sparse=0
data     =                       bsize=4096   blocks=15714304, imaxpct=25
         =                       sunit=128    swidth=384 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=7680, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=8 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
[root@server ~]# mount /dev/md5 /data/raid5

raid5阵列只能扩容，不能减容；且阵列只有在正常状态下，才能扩容。

[root@server ~]# mdadm /dev/md5 --add /dev/sdf
[root@server ~]# mdadm --grow /dev/md5 --raid-devices 5
# 扩展文件系统
[root@server ~]# xfs_growfs /data/raid5