Orange的运维学习日记–27.Linux RAID硬盘阵列详解

RAID 技术历史

1988 年美国加州大学伯克利分校的 Patterson 教授等人在论文 “A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks” 中首次提出 RAID 概念，即 廉价磁盘冗余阵列 当时大容量磁盘价格昂贵，RAID 通过组合多块小容量磁盘，以低成本获得与大容量磁盘相当的容量性能和可靠性

随着磁盘价格下降，“廉价”一词已不再适用 RAID 咨询委员会决定将 Inexpensive 更名为 Independent，形成 独立磁盘冗余阵列 名称变化并未改变 RAID 的核心思想

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RAID 实现方式

• 软 RAID
  由操作系统和 CPU 完成所有 RAID 功能，不依赖专用控制芯片，性能最低
• 硬 RAID
  配备专用 RAID 控制/处理芯片和 I/O 处理芯片，阵列缓冲随板载，几乎不占用 CPU 资源，成本较高
• 软硬混合 RAID
  带 RAID 控制芯片但无 I/O 专用芯片，部分计算依赖 CPU 和驱动程序，性能与成本介于软 RAID 和硬 RAID 之间

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RAID 等级

RAID 等级基于数据条带（striping）、镜像（mirroring）和奇偶校验（parity）三种技术的不同组合，实现性能增强、容错和冗余需求

以下介绍常用的 RAID0、RAID1、RAID5、RAID6、RAID10、RAID50、RAID60 各自原理、适用场景及优缺点

RAID 0

原理
数据按固定块划分成条带，轮流写入多块磁盘，不提供冗余 并行读写提升吞吐率

适用场景

• 视频编辑与后期
• 大型在线数据库查询
• 实时流媒体处理

优点

• 并行条带提升读写性能
• 无冗余开销，成本最低

缺点

• 数据缺少冗余，一块磁盘故障导致全部数据丢失
• 可用性与可靠性较低

RAID 1

原理
将数据完整镜像到两块或多块磁盘，写入时同时更新所有镜像盘，读取时可并行访问

适用场景

• 关键业务数据存储
• 高可用数据库服务器
• 文件共享服务器

优点

• 完整数据冗余备份
• 单盘故障仍可正常访问
• 并行读取提升读性能

缺点

• 写入时需同步所有镜像盘，性能略低
• 冗余开销高，可用容量仅为总容量一半

RAID 5

原理
数据条带加分布式奇偶校验，将数据和校验信息分散存储于多盘，一盘故障可通过奇偶校验重建

适用场景

• 中小型文件服务器
• 需要性能与冗余平衡的数据库
• 成本敏感的企业环境

优点

• 并行条带和奇偶校验兼顾性能与冗余
• 只需一块盘存储校验信息，成本较 RAID1 低

缺点

• 写入需要计算校验信息，写性能下降
• 重建过程中 IO 压力大，数据完整性存在风险

RAID 6

原理
在 RAID5 基础上增加第二组奇偶校验，支持同时两块磁盘故障

适用场景

• 大容量存储与归档
• 长时在线关键服务
• 高冗余虚拟化平台

优点

• 双重奇偶校验提供更高容错能力
• 并行条带实现较佳读写性能

缺点

• 写入负载更高，性能略逊于 RAID5
• 额外奇偶盘提高成本

RAID 10

原理
先镜像（RAID1）后条带（RAID0）或先条带后镜像，兼顾性能和冗余

适用场景

• 高可用、高性能数据库
• 虚拟化工作负载
• 金融交易与电子商务平台

优点

• 高性能并行读写
• 镜像故障恢复快速
• 容错能力强

缺点

• 镜像盘开销大，可用容量仅为物理总量一半
• 成本较高

RAID 50

原理
多组 RAID5 阵列通过 RAID0 条带化连接，兼顾更高性能和多重冗余

适用场景

• 大规模文件或数据分析平台
• 图形渲染与动画制作
• 企业级虚拟化环境

优点

• 多组奇偶校验提高冗余级别
• 条带化提升整体吞吐

缺点

• 磁盘与控制器成本高
• 配置与管理较复杂

RAID 60

原理
多组 RAID6 阵列经 RAID0 条带化，双重奇偶校验提供最高容错

适用场景

• 超大规模数据库系统
• 大数据分析平台
• 高品质视频流媒体处理

优点

• 同时容忍多盘故障
• 条带化确保高吞吐

缺点

• 磁盘与计算开销最大
• 配置和重构过程复杂

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RAID 等级对比

RAID 等级	最小磁盘数	容错能力	磁盘空间开销	读取性能	写入性能	硬件成本
RAID 0	2	无	0%	高	高	低
RAID 1	2	单盘	50%	高	中	中
RAID 5	3	单盘	1/N	中	低	中
RAID 6	4	两盘	2/N	中	低	高
RAID 10	4	多盘	50%	高	中	高
RAID 50	6	单盘/多组	1/N	高	中	高
RAID 60	8	多盘/双校验	2/N	高	中	高

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软件 RAID 管理

系统通过 mdadm 工具创建与管理软件 RAID，以下示例均在 RHEL/CentOS7 环境下完成

RAID0 管理

创建 RAID0 阵列

mdadm -C /dev/md0 --level raid0 -n 2 /dev/sd{b,c}

查看 RAID0 状态

cat /proc/mdstat

mdadm --detail /dev/md0

重要字段

• Raid Level : raid0
• State : clean
• Chunk Size : 条带大小
• 设备列表

lsblk /dev/md0

格式化与挂载 RAID0

mkfs.xfs /dev/md0
mkdir /data/raid0
mount /dev/md0 /data/raid0
df -h /data/raid0

删除 RAID0 阵列

umount /data/raid0
mdadm --stop /dev/md0
mdadm --zero-superblock /dev/sd{b,c}

注意事项

raid0 无冗余机制，不支持动态添加或移除成员盘

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RAID1 管理

创建 RAID1 阵列

mdadm --create /dev/md1 --level 1 --raid-devices 2 /dev/sd{b,c}

提示可选用 --metadata=0.90 以兼容旧版引导

查看 RAID1 状态

mdadm --detail /dev/md1

关键字段

• State : clean, resyncing
• Consistency Policy : resync
• Resync Status : 同步进度
• 设备列表

lsblk /dev/md1

格式化与挂载 RAID1

在同步完成后执行

mkfs.xfs /dev/md1
mkdir /data/raid1
mount /dev/md1 /data/raid1
df -h /data/raid1

添加热备盘

mdadm /dev/md1 --add /dev/sdd
mdadm --detail /dev/md1 | tail -n 5

模拟磁盘故障

mdadm /dev/md1 --fail /dev/sdc
mdadm --detail /dev/md1 | tail -n 5

系统会自动从备用盘重建数据，可不中断访问

移除故障磁盘

mdadm /dev/md1 --remove /dev/sdc
mdadm --detail /dev/md1 | tail -n 5

删除 RAID1 阵列

umount /data/raid1
mdadm --stop /dev/md1
mdadm --zero-superblock /dev/sd{b..d}

注意事项

RAID1 提供镜像冗余但不增加容量，总可用空间固定为单盘容量

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RAID5 管理

创建 RAID5 阵列

mdadm --create /dev/md5 --level 5 --raid-devices 4 /dev/sd{b..e}

查看 RAID5 状态

mdadm --detail /dev/md5

关注字段

• State : clean, degraded, recovering
• Rebuild Status : 同步进度
• Chunk Size : 512K
• 设备列表

lsblk /dev/md5

格式化与挂载 RAID5

等待构建完成后执行

mkfs.xfs /dev/md5
mkdir /data/raid5
mount /dev/md5 /data/raid5
df -h /data/raid5

添加热备盘

mdadm /dev/md5 --add /dev/sdf
mdadm --detail /dev/md5 | tail -n 7

模拟磁盘故障

mdadm /dev/md5 --fail /dev/sdb
mdadm --detail /dev/md5 | tail -n 7

数据可用性依赖分布式奇偶校验，不影响访问

移除故障磁盘

mdadm /dev/md5 --remove /dev/sdb
mdadm --detail /dev/md5 | tail -n 5

扩容 RAID5 阵列

仅在正常状态下可扩容，重构或降级过程中不可操作

mdadm /dev/md5 --add /dev/sdb /dev/sdg
mdadm -G /dev/md5 --raid-devices 5
mdadm --detail /dev/md5    # 查看 Reshape Status
lsblk /dev/md5             # 验证容量变化
xfs_growfs /data/raid5     # 扩展文件系统
df -h /data/raid5

删除 RAID5 阵列

umount /data/raid5
mdadm --stop /dev/md5
mdadm --zero-superblock /dev/sd{b..g}
/md5 | tail -n 5

扩容 RAID5 阵列

仅在正常状态下可扩容，重构或降级过程中不可操作

mdadm /dev/md5 --add /dev/sdb /dev/sdg
mdadm -G /dev/md5 --raid-devices 5
mdadm --detail /dev/md5    # 查看 Reshape Status
lsblk /dev/md5             # 验证容量变化
xfs_growfs /data/raid5     # 扩展文件系统
df -h /data/raid5

删除 RAID5 阵列

umount /data/raid5
mdadm --stop /dev/md5
mdadm --zero-superblock /dev/sd{b..g}