使用 RAID 与 LVM 磁盘阵列技术

###1.RAID（独立冗余磁盘阵列，Redundant Arrays of Independent Disks）

RAID技术经过把多个硬盘设备组合成一个容量更大、安全性更好的磁盘阵列，并把数据切割成多个区段后分别存放在各个不一样的物理硬盘设备上，而后利用分散读写技术来提高磁盘阵列总体的性能，同时把多个重要数据的副本同步到不一样的物理硬盘设备上，从而起到了很是好的数据冗余备份效果，可是它也相应地提升了成本支出。

RAID技术的设计初衷是减小由于采购硬盘设备带来的费用支出，可是与数据自己的价值相比较，现代企业更看重的则是RAID技术所具有的冗余备份机制以及带来的硬盘吞吐量的提高。也就是说，RAID不只下降了硬盘设备损坏后丢失数据的概率，还提高了硬盘设备的读写速度，因此它在绝大多数运营商或大中型企业中得以普遍部署和应用。

下面来看RAID 0、RAID 一、RAID 5和RAID 10这四种最多见的RAID磁盘阵列的方案。

####1.1 RAID 0

RAID 0技术把多块物理硬盘设备（至少两块）经过硬件或软件的方式串联在一块儿，组成一个大的卷组，并将数据依次写入到各个物理硬盘中。这样一来，在最理想的状态下，硬盘设备的读写性能会提高数倍，可是若任意一块硬盘发生故障将致使整个系统的数据都受到破坏。通俗来讲，RAID 0技术可以有效地提高硬盘数据的吞吐速度，可是不具有数据备份和错误修复能力。以下图，数据被分别写入到不一样的硬盘设备中，即disk1和disk2硬盘设备会分别保存数据资料，最终实现提高读取、写入速度的效果。

<div align=center>  </div> ####1.2 RAID 1

尽管RAID 0技术提高了硬盘设备的读写速度，可是它是将数据依次写入到各个物理硬盘中，也就是说，它的数据是分开存放的，其中任何一块硬盘发生故障都会损坏整个系统的数据。所以，若是生产环境对硬盘设备的读写速度没有要求，而是但愿增长数据的安全性时，就须要用到RAID 1技术了。

以下图，它是把两块以上的硬盘设备进行绑定，在写入数据时，是将数据同时写入到多块硬盘设备上（能够将其视为数据的镜像或备份）。当其中某一块硬盘发生故障后，通常会当即自动以热交换的方式来恢复数据的正常使用。

<div align=center>  </div> > RAID 1技术虽然十分注重数据的安全性，可是由于是在多块硬盘设备中写入了相同的数据，所以硬盘设备的利用率得如下降，从理论上来讲，上图所示的硬盘空间的真实可用率只有50%，由三块硬盘设备组成的RAID 1磁盘阵列的可用率只有33%左右，以此类推。并且，因为须要把数据同时写入到两块以上的硬盘设备，这无疑也在必定程度上增大了系统计算功能的负载。

####1.3 RAID 5

以下图，RAID5技术是把硬盘设备的数据奇偶校验信息保存到其余硬盘设备中。RAID 5磁盘阵列组中数据的奇偶校验信息并非单独保存到某一块硬盘设备中，而是存储到除自身之外的其余每一块硬盘设备上，这样的好处是其中任何一设备损坏后不至于出现致命缺陷；图中parity部分存放的就是数据的奇偶校验信息，换句话说，就是RAID 5技术实际上没有备份硬盘中的真实数据信息，而是当硬盘设备出现问题后经过奇偶校验信息来尝试重建损坏的数据。RAID这样的技术特性“妥协”地兼顾了硬盘设备的读写速度、数据安全性与存储成本问题。

<div align=center>  </div> ####1.4 RAID 10

鉴于RAID 5技术是由于硬盘设备的成本问题对读写速度和数据的安全性能而有了必定的妥协，可是大部分企业更在意的是数据自己的价值而非硬盘价格，所以生产环境中主要使用RAID 10技术。

RAID 10技术是RAID 1+RAID 0技术的一个“组合体”。以下图，RAID 10技术须要至少4块硬盘来组建，其中先分别两两制做成RAID 1磁盘阵列，以保证数据的安全性；而后再对两个RAID 1磁盘阵列实施RAID 0技术，进一步提升硬盘设备的读写速度。这样从理论上来说，只要坏的不是同一组中的全部硬盘，那么最多能够损坏50%的硬盘设备而不丢失数据。因为RAID 10技术继承了RAID 0的高读写速度和RAID 1的数据安全性，在不考虑成本的状况下RAID 10的性能都超过了RAID 5，所以当前成为普遍使用的一种存储技术。

<div align=center>  </div> ####1.5 部署磁盘阵列

经过虚拟机模拟部署。

mdadm 命令 用于管理Linux系统中的软件RAID硬盘阵列，格式：mdadm [模式] <RAID设备名称> [选项] [成员设备名称]。

生产环境中用到的服务器通常都配备RAID阵列卡，尽管服务器的价格愈来愈便宜，可是没有必要为了作一个实验而单独购买一台服务器，而是能够用mdadm命令在Linux系统中建立和管理软件RAID磁盘阵列，并且它涉及的理论知识的操做过程与生产环境中的彻底一致。mdadm命令的经常使用参数以及做用以下：

接下来，使用mdadm命令建立RAID 10，名称为“/dev/md0”。

-C参数表明建立一个RAID阵列卡；-v参数显示建立的过程，同时在后面追加一个设备名称/dev/md0，这样/dev/md0就是建立后的RAID磁盘阵列的名称；-a yes参数表明自动建立设备文件；-n 4参数表明使用4块硬盘来部署这个RAID磁盘阵列；而-l 10参数则表明RAID 10方案；最后再加上4块硬盘设备的名称就能够了。

接着，把制做好的RAID磁盘阵列格式化为 ext4 格式。

而后，建立挂载点挂载硬盘设备。挂载成功后能够看到可用空间为40GB。

最后，查看 /dev/md0 磁盘阵列的详细信息，并把挂载信息写入配置文件中，使其永久生效。

####1.6 损坏磁盘阵列及修复

在确认有一块物理硬盘设备出现损坏而不能继续正常使用后，应该使用mdadm命令将其移除，而后查看RAID磁盘阵列的状态，能够发现状态已经改变。

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在RAID 10级别的磁盘阵列中，当RAID 1磁盘阵列中存在一个故障盘时并不影响RAID 10磁盘阵列的使用。当购买了新的硬盘设备后再使用mdadm命令来予以替换便可，在此期间咱们能够在/RAID目录中正常地建立或删除文件。因为是在虚拟机中模拟硬盘，因此先重启系统，而后再把新的硬盘添加到RAID磁盘阵列中。

......

####1.7 磁盘阵列+备份盘

RAID 10磁盘阵列中最多容许50%的硬盘设备发生故障，可是存在这样一种极端状况，即同一RAID 1磁盘阵列中的硬盘设备若所有损坏，也会致使数据丢失。 在这样的状况下，该怎么办呢？其实，咱们彻底可使用RAID备份盘技术来预防这类事故。该技术的核心理念就是准备一块足够大的硬盘，这块硬盘平时处于闲置状态，一旦RAID磁盘阵列中有硬盘出现故障后则会立刻自动顶替上去。（作试验前需将虚拟机还原到初始状态）

参数-n 3表明建立这个RAID 5磁盘阵列所需的硬盘数，参数-l 5表明RAID的级别，而参数-x 1则表明有一块备份盘。当查看/dev/md0（即RAID 5磁盘阵列的名称）磁盘阵列的时候就能看到有一块备份盘在等待中了。

......

将部署好的RAID 5磁盘阵列格式化为 ext4 文件格式，而后挂载便可使用。

这里再次把 /dev/sdb 移出磁盘阵列，而后查看 /dev/md0 的状态发现备份盘已被自动顶替上去并开始了数据同步。

......

###2. LVM（逻辑卷管理器， Logical Volume Manager）

上文的硬盘设备管理技术虽然可以有效地提升硬盘设备的读写速度以及数据的安全性，可是在硬盘分好区或者部署为RAID磁盘阵列以后，再想修改硬盘分区大小就不容易了。换句话说，当用户想要随着实际需求的变化调整硬盘分区的大小时，会受到硬盘“灵活性”的限制。这时就须要用到另一项很是普及的硬盘设备资源管理技术了—LVM（逻辑卷管理器）。LVM能够容许用户对硬盘资源进行动态调整。 逻辑卷管理器是Linux系统用于对硬盘分区进行管理的一种机制，理论性较强，其建立初衷是为了解决硬盘设备在建立分区后不易修改分区大小的缺陷。尽管对传统的硬盘分区进行强制扩容或缩容从理论上来说是可行的，可是却可能形成数据的丢失。而LVM技术是在硬盘分区和文件系统之间添加了一个逻辑层，它提供了一个抽象的卷组，能够把多块硬盘进行卷组合并。这样一来，用户没必要关心物理硬盘设备的底层架构和布局，就能够实现对硬盘分区的动态调整。LVM的技术架构以下图：

物理卷（PV，Physical Volume）处于LVM中的最底层，能够将其理解为物理硬盘、硬盘分区或者RAID磁盘阵列，这均可以。卷组（VG，Volume Group）创建在物理卷之上，一个卷组能够包含多个物理卷，并且在卷组建立以后也能够继续向其中添加新的物理卷。逻辑卷（LV，Logical Volume）是用卷组中空闲的资源创建的，而且逻辑卷在创建后能够动态地扩展或缩小空间。这就是LVM的核心理念。

####2.1 部署逻辑卷

部署LVM时，须要逐个配置物理卷、卷组和逻辑卷。经常使用的部署命令以下表：

初始化虚拟机状态，在虚拟机中添加两块新硬盘设备并开机。

第一步：让新添加的两块硬盘设备支持 LVM 技术。

第二步：把两块硬盘设备加入到 storage 卷组中，而后查看卷组的状态。

第三步：切割出一个约 150MB 的逻辑卷设备。

这里须要注意切割单位的问题。在对逻辑卷进行切割时有两种计量单位。第一种是以容量为单位，所使用的参数为-L。例如，使用-L 150M生成一个大小为150MB的逻辑卷。另一种是以基本单元的个数为单位，所使用的参数为-l。每一个基本单元的大小默认为4MB。例如，使用-l 37能够生成一个大小为37×4MB=148MB的逻辑卷。

第四步：把生成好的逻辑卷进行格式化，而后挂载使用。

Linux系统会把LVM中的逻辑卷设备存放在/dev设备目录中（其实是作了一个符号连接），同时会以卷组的名称来创建一个目录，其中保存了逻辑卷的设备映射文件（即/dev/卷组名称/逻辑卷名称）。

第五步：查看挂载状态，并写入配置文件，使其永久有效。

####2.2 扩容逻辑卷

扩展前要卸载设备和挂载点的关联。

第一步：把上文的逻辑卷 vo 扩展至 290MB。

第二步：检查硬盘完整性，并重置硬盘容量。

第三步：从新挂载设备并查看状态。

####2.3 缩小逻辑卷

相较于扩容逻辑卷，在对逻辑卷进行缩容操做时，其丢失数据的风险更大。因此在生产环境中执行相应操做时，必定要提早备份好数据。另外Linux系统规定，在对LVM逻辑卷进行缩容操做以前，要先检查文件系统的完整性（固然这也是为了保证咱们的数据安全）。在执行缩容操做前记得先把文件系统卸载掉。

第一步：检查文件系统的完整性。

第二步：把逻辑卷 vo 的容量减少到120MB。

第三步：从新挂载文件系统并查看系统状态。

####2.4 逻辑卷快照

LVM还具有有“快照卷”功能，该功能相似于虚拟机软件的还原时间点功能。例如，能够对某一个逻辑卷设备作一次快照，若是往后发现数据被改错了，就能够利用以前作好的快照卷进行覆盖还原。LVM的快照卷功能有两个特色：

• 快照卷的容量必须等同于逻辑卷的容量。
• 快照卷仅一次有效，一旦执行还原操做后则会被当即自动删除。

首先查看卷组的信息

能够看到，卷组中已使用了 120MB 的容量，空闲容量有约 39.88GB。接下来用重定向往逻辑卷设备所挂载的目录中写入一个文件。

第一步：使用 -s 参数生成一个快照卷，使用 -L 参数指定切割大小。在命令最后写入须要执行快照操做的逻辑卷。

第二步：在逻辑卷所挂载的目录中建立一个 100 MB的垃圾文件，而后再查看快照卷的状态，发现存储空间占用量（Allocated to snapshot *%）提高了。

第三步：为了校验 SNAP 快照卷的效果，须要对逻辑卷进行快照还原操做，在此以前需先卸载逻辑卷设备与目录的挂载。

第四步：快照卷会被自动删除，而且刚刚建立的100MB垃圾文件也被清除了。

####2.5 删除逻辑卷

当生产环境中想要从新部署LVM或者再也不须要使用LVM时，则须要执行LVM的删除操做。为此，须要提早备份好重要的数据信息，而后依次删除逻辑卷、卷组、物理卷设备，这个顺序不可颠倒。

第一步：取消逻辑卷与目录的挂载关联，删除配置文件中永久生效的设备参数。

第二步：删除逻辑卷操做，输入 y 确认。

第三步：删除卷组，此处只写卷组名便可，不须要设备的绝对路径。

第四步：删除物理卷设备。

上述操做执行完毕以后，再执行 lvdisplay、vgdisplay、pvdisplay 命令来查看 LVM 的信息时就不会再看到vo、storage、/dev/sdb /dev/sdc等的相关信息了。