Software RAID Linux alatt

A lap 2007. október 1., 23:22-kori változata

Linux alatt két programcsomag hivatott a szoftveres RAID kezelésére: a raidtools2 és az mdadm. Mi most csak az mdadm-mal foglalkozunk, mert a raidtools2 kihalófélben van: ha valaki akarja, házi feladatként bemutathatja.

1 RAID-tömbök

Linux alatt a RAID-tömböknek is lehet szuperblokkja; ez a tömböt alkotó blockdevice végén (vagy elején) található, és a tömb (automatikus) összerakásához nyújt segítséget. Ebből adódóan a RAID-tömbök tetszőleges mélységben egymásba ágyazhatók (vagyis olyan elrendezésben csinálunk RAID0 fölött RAID1-et vagy fordítva, ahogyan jól esik).

Többféle szuperblokk-verzió van, az alábbi előnyökkel/hátrányokkal:

• 0.90:
  • a kernel össze tudja rakni a tömböket boot közben
  • nem hordozható architektúrák között
  • az eszköz végén van
  • előfordulhat, hogy egy diszk és a rajta levő utolsó partíció RAID-szuperblokkja ugyanoda esik
  • legfeljebb 28 elemű tömböket támogat

• 1.[012]:
  • csak userspace-ből rakhatók össze a tömbök
    • vagyis ha RAIDről akarunk bootolni, initrd vagy initramfs kell
  • lehet az eszköz elején és végén is
  • többszáz tömbelemet támogat

A szuperblokk nem minden konfigurációhoz szükséges (de a redundánsokhoz speciális esetektől eltekintve igen).

A /dev/md* eszközökön keresztül érhetjük el a RAID-tömbjeinket, miután "elindítottuk" őket (l. később). (md="multiple device")

Amúgy az mdadm kezeli az ún. multipath konfigurációkat is (amikor redundáns útvonalak vannak a gép és a háttértár között), de ezzel itt nem foglalkozunk.

1.1 RAID-szintek

A Linux a következő RAID-szinteket támogatja:

• LINEAR: csak összefűzi az eszközöket, nincs se csíkozás, se redundancia; cserébe bővíthető.
• RAID0: csíkozás. Ha nem egyforma nagyok az eszközök, akkor is az összes helyet használhatjuk, legfeljebb a végére nem lesz annyíra csíkos.
  • Egy csík (stripe) itt egy valamennyi fizikai eszközre kiterjedő, logikailag folytonos blokkcsoportot jelent.
  • Az egy diszkre eső csíkszelet neve chunk.
  • Jelenleg nem bővíthető.
• RAID1: minden diszken pontosan ugyanaz van.
  • Párhuzamosan ír minden eszközre.
  • Az olvasásokat igyekszik elosztani az eszközök között (ennek főleg többszálú I/O esetén van érezhető hatása).
  • Ha nem minden diszk egyforma nagy, a nagyobbak pluszkapacitását nem tudjuk kihasználni (a tömbben levő logikai hely annyi lesz, mint a tömb legkisebb elemén levő).
  • "Bővíthető": ha az összes diszket nagyobbra cseréljük benne (szép sorban), akkor a tömb is megnőhet.
• RAID4: mint a RAID0, de egy külön eszközön (az utolsó aktívon) van a csíkok paritása.
  • Itt is minden eszközből csak annyi kapacitás hasznosul, amennyi a tömb legkisebb elemén rendelkezésre áll.
  • Nem érdemes használni (kivéve, ha az egyik diszk sokkal gyorsabb, mint a többi).
  • Jelenleg nem bővíthető (csak mint a RAID1).
• RAID5: mint a RAID4, de a paritást is csíkozza.
  • A legújabb kernelek (2.6.17+) már tudják bővíteni (ehhez a teljes tömböt újra kell írni, úgyhogy nem egyszerű és nem gyors művelet, de legalább lehetséges).
• RAID6: mint a RAID5, de kétféle paritást tárol, így nem egy, hanem két diszk kiesését viseli el.
  • Általában kicsit lassúbb a RAID5-nél (két diszk kiesése esetén sokkal lassúbb, de legalább még működik).
  • Kb. 2007. nyarától bővíthető, mint a RAID5.
• RAID10: egy absztrakciós szinten megvalósított RAID1+0.
  • Csíkoz, és minden adatot legalább n példányban tárol.
  • Csinálhatunk pl. 5 diszkből álló csíkozott tömböt, amelynek nettó kapacitása 2,5 diszknyi, és minden adatot két példányban tárol, vagyis egy tetszőleges diszk kiesését túléli.
  • De csinálhatunk az 5 diszkből két diszk kiesését túlélő tömböt is, 5/3-ad diszknyi kapacitással.
  • Lehet hozzá hotspare-t adni (RAID0-hoz nem, RAID1+0-hoz sem, RAID0+1-hez pedig legalább kettő kellene).
  • Háromféle replika-elhelyezési módszert tud:
    • near: egy csíkban (vagyis egymáshoz közel) helyezi el a replikákat.
    • far: egymástól távol helyezi el a replikákat.
      • Előnye: jobb szekvenciális olvasási teljesítmény.
      • Hátránya: lassúbb írás.
    • offset: egy adat másolata a következő csíkban, a következő eszközön kap helyet. (2.6.18-as kerneltől)
      • Előnye: a far-ral összemérhető szekvenciális olvasási teljesítmény.
      • Kevesebb fejmozgatással megúszható a replikák kiírása, vagyis kevésbé lassul az írás.
    • Ezeknek a hatását persze igazából ki kéne mérni.
  • A replika-elhelyezési módszerek keverhetők: kérhetünk pl. egy near és egy far replikát. Jó ez valamire?
  • Jelenleg nem bővíthető.

1.2 A konzisztencia biztosítása, hibakezelés

• Alapesetben írás előtt dirtynek jelöli a tömböt
• A tömb leállításakor clean lesz
  • Tehát bootkor elvileg mindig clean
• De RAID1, RAID4, RAID5, RAID6 és RAID10 esetén legalább két írás kell a konzisztens állapot megőrzéséhéz, és ezek nem biztos, hogy pontosan egyszerre mennek végbe
  • Vagyis van egy időablak, ami alatt ha eltűnik a táp, inkonzisztens (dirty) lesz a tömb
• Ha indításkor dirty, resync:
  • RAID1: az első diszkről a többire másolja a tartalmat
  • RAID4, RAID5, RAID6: a diszken található adatokból újraszámolja a paritást és azt írja a paritásblokkba
  • RAID10: minden adat első replikáját rámásolja a többire
• Resync közben a tömb írható és olvasható
  • Igyekszik úgy ütemezni, hogy a resyncre ne nagyon kelljen várnia a többi processznek
  • sysfs, procfs: speed_limit_min, speed_limit_max
• Ha már nincs redundancia, akkor a 2.6-os kernel a dirty arrayt nem is hajlandó automatikusan elindítani
• Ha írás közben hibát észlel egy tömb egy elemén, azt az elemet hibásnak (faulty) jelöli, és nem használja
• Ha van hotspare (tartalék), azonnal elkezd rá szinkronizálni
• Ha olvasási hiba van, először megpróbálja javítani úgy, hogy az oda való adatot kiszámítja és kiírja, majd megpróbálja visszaolvasni. Ha ez nem megy, akkor jelöli hibásnak a diszket.
  • Ez jól hangzik, de nem biztos, hogy a gyakorlatban is jó - lehet, hogy jobb lenne cserélni azt a diszket.

1.3 Bitmap write-intent logging

• 2.6.13 óta az md driver egy bitmap-naplóban jelzi, hogy hova fog írni
• 2.6.13-ban RAID1, 2.6.15-től a többi RAID-hez is megvan
• Ez a "szándéknapló" utólag is hozzáadható működő tömbhöz, és el is távolítható belőle
• Ha az adott területre hosszabb ideig nem történik több írás, a vonatkozó bitet törli
• Ha kiveszünk egy diszket a tömbből, a biteket a többin sem törli már

Így:

1. Tápvesztés és dirty indulás után nem kell teljes resync, csak a bitmap alapján piszkos részekhez kell nyúlni
2. Ha egy diszket kiveszünk a tömbből, majd visszarakjuk, nem az egész tömböt kell újraszinkronizálni

Persze az írási sebesség valamennyivel biztos kisebb, ha a szándéknaplót is frissítgetni kell; ki kellene mérni, mekkora a különbség.

1.4 Write-mostly

• RAID1-en
• Ha így jelölünk meg egy tömbelemet, akkor a kernel arról csak akkor fog olvasni, ha muszáj, de írni ír rá
• Így nem lassul le (annyira) a tömb, ha pl. hálózaton át is mirrorozunk

1.5 Write-behind

• 2.6.14 óta
• RAID1-en
• Csak write-mostly tömbelemen
• Hatása: az adott eszközre aszinkron módon ír
• Értelme: ha aránylag lassú elérésű (mondjuk hálózati) diszk is van a tömbben, az is nagyjából szinkronban lesz, de még annyira sem lassítja a rendszer működését, mint a write-mostly esetén
  • Túl lassú (szaturált) kapcsolat esetén persze nem jó

1.6 Újracsíkozás

• Restriping, reshaping
• A tömb újraírása a struktúra megváltoztatása érdekében, pl:
  • Diszkek számának növelése ("szélesebb" csíkok)
  • Blokkméret csökkentése ("sekélyebb" csíkok)
  • Blokkméret növelése ("mélyebb" csíkok)
  • Adat- és/vagy paritásstruktúra megváltoztatása (pl. áttérés RAID1-ről RAID5-re vagy RAID5-ről RAID6-ra)
• 2.6.17-től a Linux a RAID5-öt tudja újabb diszkkel bővíteni; a többi műveletet is tervezik
  • Ráadásul a művelet biztonságos is, ha közben elmegy az áram, nem vesztünk adatot (l. man mdadm)

2 Kernel-paraméterek

• raid=noautodetect: ne ismerje fel és indítsa el automatikusan a 0xfd típusú partíciókat
• raid=partitionable: particionálható tömböket szeretnénk
• md_mod.start_dirty_degraded=1: akkor is elindítja a tömböt, ha degradált is és dirty is - hasznos, ha ez a root filerendszer.
• md=n,dev,dev,...: az mdn a megadott eszközökből állítandó össze boot közben.
• A szinkronizálás sebessége állítható a /sys/block/mdX/md/sync_speed_{max,min} átírásával (van/volt /proc tunable is hozzá, de ezen a héten a sysfs-t szeretjük jobban)
• A szinkronizálás sorrendjét befolyásolhatjuk így: echo idle >/sys/block/md1/md/sync_action. Ekkor az md1 szinkronizálása felfüggesztődik és helyette a sorban következő tömbé kezdődik meg.

3 Az mdadm használata

Üzemmódjai:

1. Assemble
   • "Elindítja" (láthatóvá teszi) a megadott tömböt
2. Build
   • Szuperblokkmentes tömböt rak össze
   • Ilyenkor természetszerűen az első létrehozás és a későbbi újbóli elindítás ugyanaz a művelet
3. Create
   • Új (szuperblokkos) tömb létrehozása
4. Follow/Monitor
   • A megadott tömbök állapotát figyeli, reagál a változásokra
   • Csak redundánds tömbökre van értelme
5. Grow
   • Újracsíkozás
6. Manage
   • Eszköz hozzáadása tömbhöz, kiszedése, hibásnak jelölése stb
7. Misc
   • "Egyéb": pl. RAID szuperblokk törlése; információkérés
     • akkor kell törölni a szuperblokkot, ha végleg el akarunk távolítani egy eszközt egy tömbből

Néhány tipikus felhasználás:

3.1 Új tömb létrehozása

mdadm --create -l1 -n2 -x1 /dev/md0 /dev/sd[abc]1   # RAID 1, 1 spare
mdadm --create -l5 -n3 -x1 /dev/md0 /dev/sd[abcd]1  # RAID 5, 1 spare
mdadm --create -l6 -n4 -x1 /dev/md0 /dev/sd[abcde]1 # RAID 6, 1 spare

3.2 Degradált tömb létrehozása

("Féllábúnak" vagy hiányosnak is mondják.)

A tényleges eszköznév helyére írjuk azt, hogy "missing":

mdadm --create -l5 -n3 /dev/md0 /dev/sda1 missing /dev/sdb1
mdadm --create -l6 -n4 /dev/md0 /dev/sda1 missing /dev/sdb1 missing

3.3 Tömb összeillesztése

• Ha már egyszer korábban létrehoztuk, de a kernel még nem inicializálta:

mdadm --assemble --auto=yes /dev/md0 /dev/sd[abc]1

• Ha hiányos, nem indul el magától, kell a --run:

mdadm --assemble --auto=yes --run /dev/md0 /dev/sd[ab]1

• Vagy összerakás után külön elindíthatjuk:

mdadm --run /dev/md0

• A /etc/mdadm/mdadm.conf-ban felsorolt összes tömb összeillesztése és elindítása (ilyesmit csinál az initramfs/initrd:

mdadm --assemble --auto=yes --scan

• Hiányos, piszkos tömb összeillesztése és elindítása (a konzisztencia így nem biztosított!):

mdadm --assemble --auto=yes --force /dev/md0 /dev/sd[ab]1
mdadm --run /dev/md0

3.4 Tömbök leállítása

</pre> mdadm --stop /dev/md0 </pre>

• Vagy az összesé, ami a configban van:

mdadm --stop --scan

3.5 Tömbelemek hozzáadása

• Ha már fut a tömb:

mdadm --add /dev/md0 /dev/sdc1

• Ha többet adunk hozzá, mint ahányból létrehozáskor állt, a többletből melegtartalék lesz.

3.6 Tömbelemek eltávolítása

• Először jelöljük hibásnak, amit ki akarunk venni:

mdadm --fail /dev/md0 /dev/sdb1

• Ekkor elkezdi szinkronizálni a(z egyik) melegtartalékot
• Szedjük is ki a tömbből a hibásnak jelölt eszköz:

mdadm --remove /dev/md0 /dev/sdb1

3.7 Hibás diszk cseréje

Ha a /dev/sdb failed állapotban van:

mdadm --remove /dev/md0 /dev/sdb
halt # ha nem hot-swappable...
# diszkcsere
mdadm --add /dev/md0 /dev/sdb

3.8 Új aktív diszk hozzáadása RAID1-hez

• Már fusson a tömb, és:

mdadm --grow -n3 /dev/md0
mdadm --add /dev/md0 /dev/sdc1

3.9 Aktív diszkek számának csökkentése RAID1-ben

mdadm --fail /dev/md0 /dev/sdc1
mdadm --remove /dev/md0 /dev/sdc1
mdadm --grow -n2 /dev/md0

3.10 Meglevő fájlrendszer RAID1-esítése

1. Bebootolunk egy live CD-ről (hogy biztosan ne írjon semmi a fájlrendszerbe, miközben másoljuk)
2. Létrehozunk egy új, féllábú RAID1-et a második diszken
3. Rámásoljuk az adatokat
4. Hozzáadjuk a tömbhöz az első diszket
5. Rebootolunk a szép új RAIDes fájlrendszerünkkel

Ha a /dev/sda1 a meglevő fájlrendszer és a /dev/sdb1 az új diszk, akkor:

mdadm --create /dev/md0 -l1 -n2 /dev/sdb1 missing
mkfs -t <type> /dev/md0
mount /dev/sda1 /mnt/sda1
mount /dev/md0 /mnt/md0
rsync -aHSA /mnt/sda1/. /mnt/md0/
vim /mnt/md0/etc/fstab
vim /mnt/md0/boot/grub/menu.lst
umount /mnt/md0
umount /mnt/sda1
mdadm --add /dev/md0 /dev/sda1

• Ezt amúgy lehetne helyben is, ha úgy 1 MB-tal összezsugorítanánk előtte a fájlrendszert, de azért nem ajánlott.

3.11 Meglevő fájlrendszer RAID5/6-ra helyezése

• Kb. mint fent, de:

# RAID5:
mdadm --create /dev/md0 -l5 -n3 /dev/sdb1 /dev/sdc1 missing
# _vagy_ RAID6:
mdadm --create /dev/md0 -l6 -n4 /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 missing
mkfs -t <type> /dev/md0
mount /dev/sda1 /mnt/sda1
mount /dev/md0 /mnt/md0
rsync -aHSA /mnt/sda1/. /mnt/md0/
vim /mnt/md0/etc/fstab
vim /mnt/md0/boot/grub/menu.lst
umount /mnt/sda1
umount /mnt/md0
mdadm --add /dev/md0 /dev/sda1

• RAID5/6-ról egyetlen elterjedt bootloader sem tud bootolni, úgyhogy a kernel-image-et tartalmazó fs legfeljebb RAID1 legyen...

3.12 Tömb sorszámának átírása

Ha a /dev/mdX-ből mondjuk /dev/md4-et szeretnénk csinálni:

mdadm --assemble /dev/md4 /dev/sd[abc]1

• Ezt meg fogja jegyezni, a továbbiakban az a tömb magától is md4 lesz
• ... legalábbis 2.6-os kernel és legalább RAID1 esetén

4 Potenciális zh-kérdések

• Hasonlítsa össze a RAID0+1 és a RAID1+0 elrendezést! Miért jobb az egyik, mint a másik? Esetleg egyformán jók?
• A RAID0, a RAID1, a RAID5, a RAID6, a RAID10, RAID1 over RAID0 és a RAID0 over RAID1 elrendezés közül melyikhez lehet értelmesen hozzáadni egy darab hotspare-t? (Tegyük fel, hogy a RAIDx over RAIDy esetében az egymás fölött megvalósított RAID-tömbök nem tudnak egymásról.)
• Milyen RAID-elrendezést választana, ha a következő feltételeknek kell megfelelni?
  • 6 darab egyforma nagyságú diszkünk van.
  • Minden adatot legalább két példányban akarunk tárolni, két különböző diszken.
  • Legalább 2,5 diszknyi kapacitásra van szükségünk.
  • Linux softraidet szeretnénk használni.
  • Legalább egy diszkünk legyen hotspare.
• Mit csinál a Linux újraszinkronizáláskor RAID1, RAID5, RAID6 ill. RAID10 esetén?
• Mi a bitmap write intent logging, és mire jó?
• Mi a write-behind a linuxos softraid kontextusában, és mire jó?