VMware 下模拟软 RAID 的创建及故障恢复

news2024/11/18 22:49:31

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Author：rab

目录

    • 前言
    • 一、创建 RAID
      • 1.1 环境
      • 1.2 什么是 RAID？
      • 1.3 软 RAID 和硬 RAID
      • 1.4 如何创建软 RAID？
    • 二、故障模拟与数据恢复
      • 2.1 故障模拟
      • 2.2 故障恢复
    • 思考？

前言

一块物理硬盘要投入生产使用，一般会经历一下这些步骤：

  1. 磁盘做 RAID；
  2. RAID 磁盘分区；
  3. 格式化文件系统；
  4. 创建挂载点并挂载使用。

那是不是必须要做 RAID 呢？我们说 RAID 是可选的，它只是一种技术实现，且有不同的 RAID 级别（0/1/5/6/10）。是否要做 RAID 得根据你的实际应用场景来决定，否则的话单盘也是可以作为存储投入生产使用的，只是相对于 DRAI 盘来说，其安全/读写性能不是很高。比如在 Linux 中就支持多种存储配置，包括单磁盘、RAID、LVM（Logical Volume Manager）等。

那如果需要用到 RAID 的话，我们又该怎么做呢？做了 RAID 后是否真的就提升数据存储的安全性了呢？接下来我们详细地看看。

一、创建 RAID

1.1 环境

虚拟环境虚拟主机磁盘备注
VMware® Workstation 16 ProCentOS 7.9/dev/sda - 系统盘
/dev/sdb
/dev/sdc
/dev/sdd
/dev/sde		软 RAID 测试

说明：sda 作为系统盘，sdb、sdc、sdd、sde 用于创建 RAID 盘。

1.2 什么是 RAID？

RAID，即 Redundant Array of Independent Disks，是一种将多个硬盘驱动器组合成一个单一存储单元（逻辑上的存储单元）的技术。它的目标是提高数据的可靠性、性能和/或容量。RAID可以在硬件和软件级别实现，不同级别的RAID提供不同的功能和优点。以下是一些常见的 RAID 级别和它们的详细解释：

  • RAID 0：

    • 别名：条带化

    • 数据分布：数据被均匀分散在多个硬盘上。

    • 冗余性：没有冗余性，一个驱动器失效会导致数据丢失。

    • 性能：提高读写性能，因为数据可以同时从多个驱动器读取/写入。

    • 容量：总容量等于所有驱动器的容量之和。

    • 用途：适合需要高性能但不需要冗余备份的应用。

    • 硬盘数：至少需要 2 块（其实 1 块也行，但你觉得还有必要再做 RAID0 吗？此时毫无意义了）。

      image-20231009222508253

  • RAID 1：

    • 别名：镜像

    • 数据分布：数据在两个硬盘上完全相同，每个硬盘都是另一个的镜像。

    • 冗余性：具有高冗余性，一个驱动器失效不会导致数据丢失。

    • 性能：读性能较高，写性能相对较低。

    • 容量：总容量等于一个硬盘的容量，因为数据完全复制到了另一个硬盘上。

    • 用途：用于需要高度冗余和数据可用性的应用，但不关心存储容量利用率。

    • 硬盘数：至少需要 2 块硬盘（因为另一块要作为其备份盘，且磁盘数需为偶数，如：2、4、6、…）。

      image-20231009222438705

  • RAID 5：

    • 数据分布：数据和奇偶校验信息交错存储在多个硬盘上（数据分布式存储在多个盘上，但要留 1 个盘来存储奇偶校验信息，所以说数据和校验信息是交错存储的）。

    • 冗余性：允许一个驱动器失效时，可以通过计算奇偶校验信息来重建数据（但要注意失效的这块盘不能是奇偶校验盘，而且不能允许 2 块盘同时失效，因为 RAID 5 的奇偶校验信息仅能提供一块硬盘的容错能力）。

    • 性能：提供良好的读性能，适中的写性能。

    • 容量：总容量等于（驱动器数量-1）乘以每个驱动器的容量（减 1 的原因是因为奇偶校验盘并不存储应用数据）。

    • 用途：适用于需要一定程度冗余和合理性能的应用。

    • 硬盘数：至少需要 3 块硬盘（因为要留 1 块来存储奇偶校验数据，因此这块盘除了存储奇偶校验数据外不存其他应用数据）。

      image-20231009222342258

    注意：要搞清楚奇偶校验大体机制，就是每次写入数据到 RAID 盘都会进行一次奇偶校验计算（生成的奇偶校验块通常被标记为 P 和 Q 或者有时称为 P1 和 P2），并将每次的校验数据存储在一个校验盘中。

  • RAID 6：

    • 数据分布：数据和两个奇偶校验信息交错存储在多个硬盘上（数据分布式存储在多个盘上，但要留 2 个盘来存储奇偶校验信息）。

    • 冗余性：允许两个驱动器失效时，仍能恢复数据（根据一块校验盘只能容错一块数据盘的原则，那两块校验盘自然就能允许两块数据盘同时失效）。

    • 性能：与 RAID 5 相似，但写性能较差（相对 5 来说较差，因为在写入数据时，需要进行两次奇偶校验计算，这会增加写操作的计算负担）。

    • 容量：总容量等于（驱动器数量-2）乘以每个驱动器的容量。

    • 用途：适用于需要更高级别冗余和数据可靠性的应用。

    • 硬盘数：至少需要 3 块硬盘（因为要留 2 块来存储奇偶校验数据，因此这 2 块盘除了存储奇偶校验数据外不存其他应用数据）。

      image-20231009222043205

    注意：要搞清楚奇偶校验大体机制，就是每次写入数据到 RAID 盘都会进行两次奇偶校验计算（即每次计算都会产生两个奇偶校验数据），并将每次的两个校验数据存储在两个校验盘中。

  • RAID 10（RAID 1+0）：

    • 数据分布：数据被分为多个组，每个组中的数据是镜像的（说白了就是先做 RAID 1，再在 RAID 1 的基础上做 RAID 0）。

    • 冗余性：具有高冗余性，可以容忍多个驱动器的故障，允许 1 块或多块磁盘失效（虽然 RAID 10可以容忍多个硬盘失效，但前提是这些失效不影响同一数据镜像组内的多个硬盘。例如，如果RAID 10有4块硬盘，分为两个数据镜像组（每个组有2块硬盘），那么可以容忍同时失效的两块硬盘，一块在每个数据镜像组中。这是因为在一个数据镜像组中的两块硬盘都存储相同的数据。）。

    • 性能：提供很好的读写性能，尤其适合高性能应用。

    • 容量：总容量等于驱动器数量的一半。

    • 用途：适用于需要高性能和高冗余性的应用。

    • 硬盘数：至少需要 4 块硬盘

      image-20231009221904638

1.3 软 RAID 和硬 RAID

软RAID和硬RAID是两种不同类型的RAID实现方式，它们在硬件和软件层面的工作原理和特点有所不同。

1、软 RAID

  • 工作原理：软RAID是在操作系统级别实现的，依赖于主机的 CPU 和内存来执行 RAID 操作。操作系统通过软件驱动程序来管理 RAID配置，控制数据的读取、写入和冗余计算。本次我们就是在 CentOS 7.9 操作系统上通过软件驱动程序来创建 RAID 并应用 RAID。

  • 硬件要求：不需要专门的硬件 RAID 控制器，只需要支持 RAID 的操作系统和兼容硬盘。适用于普通计算机和服务器，不需要专门的RAID卡。

  • 性能：由于依赖主机的 CPU 和内存资源，软 RAID 可能会占用一部分计算资源，对系统性能有一定影响，特别是在高负载情况下。性能通常比硬 RAID 较低，特别是对于 RAID 5 和 RAID 6。

  • 灵活性：相对较灵活，可以根据需要更改 RAID 配置。可以在不同硬件平台上迁移，只要支持相同的软件 RAID 类型。

  • 成本：通常比硬 RAID 便宜，因为不需要额外的硬件 RAID 控制器。

2、硬 RAID

  • 工作原理：硬 RAID 使用专用的硬件 RAID 控制器卡来管理 RAID 配置。控制器卡处理数据的读取、写入和冗余计算，减轻了主机 CPU 的负担。

  • 硬件要求：需要专门的硬件 RAID 控制器卡，这通常是一块独立的 PCIe 卡或嵌入式在服务器主板上的。控制器卡通常具有缓存、RAID 级别选择和热插拔支持等功能。

  • 性能：性能通常比软 RAID 更高，因为专用控制器卡可以有效地处理 RAID 操作，减少了主机 CPU 的负担。适用于高性能要求的服务器环境。

  • 灵活性：对 RAID 配置的更改通常需要更换控制器卡或重新配置硬件 RAID 设置，因此相对不太灵活。不容易在不同硬件平台上迁移。

  • 成本：硬 RAID 通常更昂贵，因为它需要额外的硬件 RAID 控制器。

1.4 如何创建软 RAID？

1、添加 4 块测试硬盘

image-20231009222923697

2、启动虚拟主机

3、查看是否正常显示磁盘设备

lsblk

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4、安装 RAID 阵列的命令行工具

yum install -y mdadm

说明：mdadm 是用于管理 Linux 软件 RAID 阵列的命令行工具。它允许你创建、配置、监控和维护软件RAID阵列。软件RAID通过使用Linux内核中的软件驱动程序来实现磁盘冗余和性能提升，而不需要专用的RAID控制器硬件。

5、开始创建 RAID

mdadm --create --verbose /dev/md6 --level=6 --raid-devices=4 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdd /dev/sde

# 参数说明：
# --create：告诉mdadm你要创建一个新的RAID阵列
# --verbose：显示创建的详细过程信息
# /dev/md0：自定义磁盘阵列名
# --level=6：指定RAID级别。在此示例中，我们使用RAID 6
# --raid-devices=4：指定参与RAID阵列的硬盘数量。在此示例中，有4块硬盘，后面跟上具体的磁盘设备。

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查看创建的 RAID 信息，及输出的字段解释。

mdadm -D /dev/md6

image-20231009231300779

  • /dev/md6：这是软件 RAID 阵列的设备名称，即你要查看详细信息的 RAID 阵列的设备路径。

  • Version：RAID 阵列的版本号。表示使用的 RAID 元数据格式版本。

  • Creation Time：RAID 阵列创建的时间戳，以年-月-日 小时:分钟:秒的格式显示。

  • Raid Level：RAID 级别，例如 RAID 0、RAID 1、RAID 5 等，本案例为 RAID 6。

  • Raid Devices：参与 RAID 阵列的硬盘数量。

  • Total Devices：总共的设备数量，包括正常工作的设备和故障设备。

  • Active Devices：当前活动的设备数量，即正常工作的设备数量。

  • Working Devices：与 Active Devices 相同，表示当前正常工作的设备数量。

  • Failed Devices：当前失败的设备数量，这些设备可能需要被替换。

  • Spare Devices：备用设备的数量，这些设备可以用来替代故障的设备（我们并没有设置预备盘）。

  • UUID：RAID 阵列的唯一标识符，可用于识别阵列。

  • Array Size：RAID 阵列的总容量（大约 10G）。

  • Used Dev Size：用于 RAID 阵列的每个设备的大小（大约 5G）。

  • Super Offset：超级块偏移量，表示超级块在RAID阵列中的存储位置。

  • State：RAID阵列的当前状态，如"clean"（正常）、“degraded”（降级）等。

  • Active State：活动状态，用于指示RAID阵列的活动情况。

  • Consistency Policy：一致性策略，表示 RAID 阵列的一致性检查策略。

  • Events：事件计数，用于跟踪RAID阵列的事件。

复合我们上面提到的容量计算公式（驱动器数量-2 乘以每个驱动器的容量），至此，软 RAID 创建完成！

6、分区（可选）

我这里为了实验就不分区了。

7、格式化文件系统

mkfs.xfs /dev/md6

image-20231009232602007

8、创建挂载点并挂载使用

查看 UUID

image-20231009232645646

挂载使用

mkdir -p /opt/raidmd6
echo 'UUID=9b964df3-965b-4a5e-bc67-93570e93b1af /opt/raidmd6 xfs defaults 0 0' >> /etc/fstab

image-20231009232829001

使挂载生效

mount -a

验证是否挂载成功

df -Th

image-20231009233017745

二、故障模拟与数据恢复

2.1 故障模拟

1、创建测试数据

touch test{1..15}.txt

image-20231009233523294

2、移除磁盘，模拟磁盘损坏

这里模拟 RAID 6 阵列中的 /dev/sdd 磁盘损坏，数据不丢失的情况。其他 RAID 级别大家可以去尝试，我这里不再演示。

mdadm /dev/md6 -f /dev/sdd   # 通过命令来模拟即可

# -f：这是一个选项，表示 "fail"（失败）。它告诉 mdadm 命令要执行的操作是标记一个磁盘为失败状态，通常因为该磁盘出现了故障。
# /dev/sdd：这是要标记为失败的磁盘的设备名称。在这个例子中，是 /dev/sdd。

image-20231009234248871

然后查看 RAID 6 阵列状态

mdadm -D /dev/md6

image-20231009234351123

3、查看挂载点的数据是还否存在

如下图，没问题。

image-20231009234417150

2.2 故障恢复

所谓的故障恢复就是更换一块新的磁盘，会自动进行恢复

1、取消挂载

umount /opt/raidmd6

2、重新添加磁盘到 RAID 6 阵列

mdadm /dev/md6 -a /dev/sdd

image-20231009235735598

3、查看恢复进度

mdadm -D /dev/md6

image-20231009235834665

4、验证是否修复完成

mdadm -D /dev/md6

image-20231009235909343

5、修复完毕后再次重新挂载

mount -a

6、验证数据完整性

也是没问题的

image-20231009235943671

至此，软 RAID 的创建、故障恢复就实验完成了！希望看完该文章后，你能整体了解现实中是如何组建的软 RAID 磁盘阵列的。

思考？

RAID 5 如果 1 块盘失效了，而失效的恰好是校验盘，那再次存储数据的时候还会进行数据校验计算产生校验数据吗？或者换新盘后会不会重建校验数据？

答案：

如果在 RAID 5 中的一块硬盘失效，而恰好是存储校验信息的那块硬盘失效，数据恢复将会受到限制，因为校验信息不再可用。在这种情况下，RAID 5 可以继续正常运行，但无法自动进行数据恢复或校验。

此时 RAID 5 的状态会变为"Degraded"（降级），这表示阵列处于一种故障状态。系统管理员应该立即采取措施来替换故障的硬盘，以恢复 RAID 5 的完整性和性能。一旦新的硬盘安装并添加到 RAID 5 阵列中，RAID 控制器将重新构建丢失的校验信息，这是一个计算密集型过程，涉及对其他硬盘上的数据块进行异或（XOR）运算。一旦校验信息被重新生成，RAID 5 阵列将再次具有完整的数据冗余和故障容忍性。

需要注意的是，在替换失效硬盘并进行重建期间，RAID 5 性能可能会受到影响，因为重建操作会占用一定的系统资源和时间。因此，在发生硬盘故障后，尽早替换故障硬盘是重要的，以最小化对 RAID 性能的潜在影响。

—END

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