20190411RAID磁盘阵列及CentOS7系统启动流程

RAID磁盘阵列及CentOS7系统启动流程（week2_day3）

 

RAID概念

　　磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID），有“独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列”之意。 磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，以硬件（RAID卡）或软件（MDADM）形式组合成一个容量巨大的磁盘组，利用多个磁盘组合在一起，提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。 磁盘阵列还能利用同位检查（Parity Check）的观念，在数组中任意一个硬盘故障时，仍可读出数据，在数据。

         注：RAID可以预防数据丢失，但是它并不能完全保证你的数据不会丢失，所以大家使用RAID的同时还是注意备份重要的数据

         RAID的创建有两种方式：软RAID（通过操作系统软件来实现）和硬RAID（使用硬件阵列卡）；了解raid1、raid5和raid10。不过随着云的高速发展，供应商一般可以把硬件问题解决掉。

RAID几种常见的类型

RAID类型		最低磁盘个数	空间利用率	各自的优缺点
级 别	说 明
RAID0	条带卷	2+	100%	读写速度快，不容错
RAID1	镜像卷	2	50%	读写速度一般，容错
RAID5	带奇偶校验的条带卷	3+	(n-1)/n	读写速度快，容错，允许坏一块盘
RAID10	RAID1的安全+RAID0的高速	4	50%	读写速度快，容错

　　RAID基本思想：把好几块硬盘通过一定组合方式把它组合起来，成为一个新的硬盘阵列组，从而使它能够达到高性能硬盘的要求

RAID有三个关键技术：

　　镜像：提供了数据的安全性；

　　条带（块大小也可以说是条带的粒度），它的存在的就是提供了数据并发性

　　数据的校验：提供了数据的安全

Raid相对于单个磁盘优点：

 

RAID-0的工作原理

条带 （strping），也是我们最早出现的RAID模式

需磁盘数量:2块以上(大小最好相同)，是组建磁盘阵列中最简单的一种形式，只需要2块以上的硬盘即可.

特点:成本低，可以提高整个磁盘的性能。RAID 0没有提供冗余或错误修复能力，速度快.

任何一个磁盘的损坏将损坏全部数据；磁盘利用率为100%。

 

RAID-1

mirroring（镜像卷），需要磁盘两块以上

原理:是把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，也就是说数据在写入一块磁盘的同时，会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件，(同步)

RAID 1 mirroring（镜像卷），至少需要两块硬盘

磁盘利用率为50%，即2块100G的磁盘构成RAID1只能提供100G的可用空间。如下图

 

RAID-5

需要三块或以上硬盘，可以提供热备盘实现故障的恢复；只损坏一块，没有问题。但如果同时损坏两块磁盘，则数据将都会损坏。 空间利用率： (n-1)/n   2/3  如下图所示

 

 

奇偶校验信息的作用:

当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。

扩展：异或运算

所谓的“奇偶校验”可以简单理解为二进制运算中的“异或运算”，通常用 xor 标识。

        最左边的是原始数据，右边分别是三块硬盘，假设第二块硬盘出了故障，通过第一块硬盘上的 1 和第三块硬盘上的 1 xor 2，就能够还原出 2。同理可以还原出 3 和 8。至于 5 xor 6 则更简单了，直接用 5 和 6 运算出来即可。
        一句话解释 raid 5 的数据恢复原理就是：都是用公式算出来的。

   嵌套RAID级别

RAID-10镜像+条带

         RAID 10是将镜像和条带进行两级组合的RAID级别，第一级是RAID1镜像对，第二级为RAID 0。比如我们有8块盘，它是先两两做镜像，形成了新的4块盘，然后对这4块盘做RAID0；当RAID10有一个硬盘受损其余硬盘会继续工作，这个时候受影响的硬盘只有2块

 

RAID硬盘失效处理

一般两种处理方法：热备和热插拔

热备：HotSpare

定义：当冗余的RAID组中某个硬盘失效时，在不干扰当前RAID系统的正常使用的情况下，用RAID系统中另外一个正常的备用硬盘自动顶替失效硬盘，及时保证RAID系统的冗余性

全局式：备用硬盘为系统中所有的冗余RAID组共享

专用式：备用硬盘为系统中某一组冗余RAID组专用

如下图所示：是一个全局热备的示例，该热备盘由系统中两个RAID组共享，可自动顶替任何一个RAID中的一个失效硬盘

 

热插拔：HotSwap

定义：在不影响系统正常运转的情况下，用正常的物理硬盘替换RAID系统中失效硬盘。

RAID-0-1-5-10搭建及使用-删除RAID及注意事项

RAID的实现方式

面试题：我们做硬件RAID，是在装系统前还是之后？ 

答：先做阵列才装系统 ，一般服务器启动时，有显示进入配置Riad的提示。

硬RAID：需要RAID卡，我们的磁盘是接在RAID卡的，由它统一管理和控制。数据也由它来进行分配和维护；它有自己的cpu，处理速度快

软RAID：通过操作系统实现

Mdadm命令详解

Linux内核中有一个md(multiple devices)模块在底层管理RAID设备，它会在应用层给我们提供一个应用程序的工具mdadm ，mdadm是linux下用于创建和管理软件RAID的命令。

 Mdadm(multiple devices admin)多设备管理

mdadm命令常见参数解释：

参数	作用
-a	检测设备名称 添加磁盘
-n	指定设备数量
-l	指定RAID级别
-C	创建
-v	显示过程
-f	模拟设备损坏
-r	移除设备
-Q	查看摘要信息
-D	查看详细信息
-S	停止RAID磁盘阵列

                                                                                -x                                                                         指定闲置盘数量

互动： raid5需要3块硬盘。  那么使用4块硬盘，可以做raid5吗？

可以的

实战搭建raid10阵列

新添加4块硬盘

 

第一步：查看磁盘

[root@ken ~]# ls /dev/sd*
/dev/sda  /dev/sda1  /dev/sda2  /dev/sdb  /dev/sdc  /dev/sdd  /dev/sde

第二步：下载mdadm

[root@ken ~]# yum install mdadm -y

第三步：创建raid10阵列

[root@ken ~]# mdadm -Cv /dev/md0 -a yes -n 4 -l 10 /dev/sd{b,c,d,e}
mdadm: layout defaults to n2
mdadm: layout defaults to n2
mdadm: chunk size defaults to 512K
mdadm: size set to 20954112K
mdadm: Fail create md0 when using /sys/module/md_mod/parameters/new_array
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md0 started.

第四步：格式磁盘阵列为ext4

[root@ken ~]# mkfs.ext4 /dev/md0
mapper/ mcelog  md0     mem     midi    mqueue/ 
[root@ken ~]# mkfs.ext4 /dev/md0 
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
Stride=128 blocks, Stripe width=256 blocks
2621440 inodes, 10477056 blocks
523852 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=0
Maximum filesystem blocks=2157969408
320 block groups
32768 blocks per group, 32768 fragments per group
8192 inodes per group
Superblock backups stored on blocks: 
    32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632, 2654208, 
    4096000, 7962624

Allocating group tables: done                            
Writing inode tables: done                            
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done   

第五步：挂载

[root@ken ~]# mkdir /raid10
[root@ken ~]# mount /dev/md0 /raid10
[root@ken ~]# df -h
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/centos-root   17G  1.2G   16G   7% /
devtmpfs                 224M     0  224M   0% /dev
tmpfs                    236M     0  236M   0% /dev/shm
tmpfs                    236M  5.6M  230M   3% /run
tmpfs                    236M     0  236M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1               1014M  130M  885M  13% /boot
tmpfs                     48M     0   48M   0% /run/user/0
/dev/md0                  40G   49M   38G   1% /raid10

第六步：查看/dev/md0的详细信息

[root@ken ~]# mdadm -D /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:08:25 2019
        Raid Level : raid10
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 4
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:11:41 2019
             State : clean, resyncing 
    Active Devices : 4
   Working Devices : 4
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

            Layout : near=2
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

     Resync Status : 96% complete

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : c5df1175:a6b1ad23:f3d7e80b:6b56fe98
            Events : 26

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

第七步：写入到配置文件中

[root@ken ~]# echo "/dev/md0 /raid10 ext4 defaults 0 0" >> /etc/fstab

损坏磁盘阵列及修复

之所以在生产环境中部署RAID 10磁盘阵列，是为了提高硬盘存储设备的读写速度及数据的安全性，但由于我们的硬盘设备是在虚拟机中模拟出来的，因此对读写速度的改善可能并不直观。

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，然后查看RAID磁盘阵列的状态，可以发现状态已经改变。

第一步：模拟设备损坏

[root@ken ~]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdb
mdadm: set /dev/sdb faulty in /dev/md0
[root@ken ~]# mdadm -D /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:08:25 2019
        Raid Level : raid10
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 4
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:15:59 2019
             State : clean, degraded 
    Active Devices : 3
   Working Devices : 3
    Failed Devices : 1
     Spare Devices : 0

            Layout : near=2
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : c5df1175:a6b1ad23:f3d7e80b:6b56fe98
            Events : 30

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       -       0        0        0      removed
       1       8       32        1      active sync set-B   /dev/sdc
       2       8       48        2      active sync set-A   /dev/sdd
       3       8       64        3      active sync set-B   /dev/sde

       0       8       16        -      faulty   /dev/sdb

第二步：添加新的磁盘

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命令来予以替换即可，在此期间我们可以在/RAID目录中正常地创建或删除文件。由于我们是在虚拟机中模拟硬盘，所以先重启系统，然后再把新的硬盘添加到RAID磁盘阵列中。

[root@ken ~]# reboot
[root@ken ~]# umount /raid10
[root@ken ~]# mdadm /dev/md0 -a /dev/sdb
mdadm: added /dev/sdb
[root@ken ~]# mdadm -D  /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:08:25 2019
        Raid Level : raid10
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 4
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:19:14 2019
             State : clean, degraded, recovering 
    Active Devices : 3
   Working Devices : 4
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 1

            Layout : near=2
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

    Rebuild Status : 7% complete                                      #这里显示重建进度

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : c5df1175:a6b1ad23:f3d7e80b:6b56fe98
            Events : 35

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       4       8       16        0      spare rebuilding   /dev/sdb    #rebuilding重建中
       1       8       32        1      active sync set-B   /dev/sdc
       2       8       48        2      active sync set-A   /dev/sdd
       3       8       64        3      active sync set-B   /dev/sde

再次查看发现已经构建完毕

[root@ken ~]# mdadm -D  /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:08:25 2019
        Raid Level : raid10
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 4
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:20:52 2019
             State : clean 
    Active Devices : 4
   Working Devices : 4
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 0

            Layout : near=2
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : c5df1175:a6b1ad23:f3d7e80b:6b56fe98
            Events : 51

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

实战搭建raid5阵列+备份盘

为了避免多个实验之间相互发生冲突，我们需要保证每个实验的相对独立性，为此需要大家自行将虚拟机还原到初始状态。另外，由于刚才已经演示了RAID 10磁盘阵列的部署方法，我们现在来看一下RAID 5的部署效果。部署RAID 5磁盘阵列时，至少需要用到3块硬盘，还需要再加一块备份硬盘，所以总计需要在虚拟机中模拟4块硬盘设备。

 

第一步：查看磁盘

[root@ken ~]# ls /dev/sd*
/dev/sda  /dev/sda1  /dev/sda2  /dev/sdb  /dev/sdc  /dev/sdd  /dev/sde

第二步：创建RAID5阵列

[root@ken ~]# mdadm  -Cv /dev/md0 -n 3 -l 5 -x 1 /dev/sd{b,c,d,e}
mdadm: layout defaults to left-symmetric
mdadm: layout defaults to left-symmetric
mdadm: chunk size defaults to 512K
mdadm: size set to 20954112K
mdadm: Fail create md0 when using /sys/module/md_mod/parameters/new_array
mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata
mdadm: array /dev/md0 started.

第三步：格式化为ext4

[root@ken ~]# mkfs.ext4 /dev/md0 
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
Stride=128 blocks, Stripe width=256 blocks
2621440 inodes, 10477056 blocks
523852 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=0
Maximum filesystem blocks=2157969408
320 block groups
32768 blocks per group, 32768 fragments per group
8192 inodes per group
Superblock backups stored on blocks: 
    32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632, 2654208, 
    4096000, 7962624

Allocating group tables: done                            
Writing inode tables: done                            
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done  

第四步：挂载

[root@ken ~]# mount /dev/md0 /raid5
[root@ken ~]# df -h
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/centos-root   17G  1.2G   16G   7% /
devtmpfs                 476M     0  476M   0% /dev
tmpfs                    488M     0  488M   0% /dev/shm
tmpfs                    488M  7.7M  480M   2% /run
tmpfs                    488M     0  488M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1               1014M  130M  885M  13% /boot
tmpfs                     98M     0   98M   0% /run/user/0
/dev/md0                  40G   49M   38G   1% /raid5

第五步：查看阵列信息

可以发现有一个备份盘/dev/sde

[root@ken ~]# mdadm -D /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:35:10 2019
        Raid Level : raid5
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 3
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:37:11 2019
             State : active 
    Active Devices : 3
   Working Devices : 4
    Failed Devices : 0
     Spare Devices : 1

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : b693fe72:4452bd3f:4d995779:ee33bc77
            Events : 76

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

       3       8       64        -      spare   /dev/sde

第六步：模拟/dev/sdb磁盘损坏

可以发现/dev/sde备份盘立即开始构建

[root@ken ~]# mdadm /dev/md0 -f /dev/sdb
mdadm: set /dev/sdb faulty in /dev/md0
[root@ken ~]# mdadm -D /dev/md0
/dev/md0:
           Version : 1.2
     Creation Time : Thu Feb 28 19:35:10 2019
        Raid Level : raid5
        Array Size : 41908224 (39.97 GiB 42.91 GB)
     Used Dev Size : 20954112 (19.98 GiB 21.46 GB)
      Raid Devices : 3
     Total Devices : 4
       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu Feb 28 19:38:41 2019
             State : active, degraded, recovering 
    Active Devices : 2
   Working Devices : 3
    Failed Devices : 1
     Spare Devices : 1

            Layout : left-symmetric
        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : resync

    Rebuild Status : 2% complete

              Name : ken:0  (local to host ken)
              UUID : b693fe72:4452bd3f:4d995779:ee33bc77
            Events : 91

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

       0       8       16        -      faulty   /dev/sdb

centos7系统启动过程及相关配置文件

1.uefi或BIOS初始化，开始post(power on self test)开机自检

2.加载MBR到内存

3.GRUB阶段

4.加载内核和initramfs模块

5.内核开始初始化，使用systemd来代替centos6以前的init程序

开机启过程

POST—>BOOT SEQUENCE—> BOOTLOADER—>KERNEL + INITRAMFS(INITRD)—>ROOTFS—>/sbin/init

POST:加电自检

当开机按下电源按钮后，计算机开始加电，主板上的BIOS或UEFI基本输入输出程序开始对硬件进行检查，检查内存，CPU等等吧，当检测到错误的时候机器会中断或者启动不了，这个做过电脑维护的人都知道，内存氧化可导至开不了机，还有的机器如果没插鼠标键盘自检也不会通过卡在那里了，不会继续往下走。

Boot sequence：选择引导顺序

当自检通过后，接着就要选择引导介质或方式，是通过光盘启动，硬盘启动，网络启动，还是U盘启动，这些也是在BIOS中设定的，所以设定的第一启动项是哪个就从那个开始引导，这个装过WINDOWS的都很熟悉了。

Bootloader：引导加载器

确定引导介质后便开始从介质中装载引导程序如grub2,这个是一个微小程序，我们知道MBR引导记录大小为512字节，其中前446个字节就是Bootloader,主要用来引导用户选择要启动的系统或不同的内核版本，把用户选定的内核装载到RAM中的特定空间中，解压，展开，而后把系统控制权移交给内核。

grub2就是Linux中Bootloader程序，由于MBR记录限制，所以grub2分为两个部分：

1.在MBR引导记录中，大小为446字节，主要功能是引导启动介质的grub主体文件

2.partition,/boot/grub[2],此为grub的主体。

KERNEL + INITRAMFS(INITRD)—>ROOTFS ：加载内核

这时候kernel开始初始化，探测可识别的硬件设备，加载硬件启动程序。以只读方式加载根文件系统

kernel在内存中加载时，为了模拟系统环境，会生成一个ramdisk文件，来进行下一步操作，等到加载到真正的根文件系统时，就会退出ramdisk，切换到真正的根文件系统中去。

ramdisk：内存上临时虚拟的系统

ramdisk(虚拟磁盘，双缓冲，双缓存）----> ramfs（虚拟文件系统）

centos5:initrd

工具程序：mkinitrd

centos6,7:initramfs

工具程序：dracut,mkinitrd

/sbin/init：运行用户空间的第一个应用程序

init:

     Centos 5: SysV init       配置文件：/etc/inittab

     Centos 6: Upstart         配置文件：/etc/inittab;/etc/init/*.conf(主要）

     Centos 7: systemd        配置文件：/etc/systemd/system;/usr/lib/systemd/system

至此，内核空间就已经启动完毕，内核启动完成接着开始启动用户态启动过程。systemd是个守护进程，pid号为1,后面所有启动的服务或进程都是systemd的子进程及子进程的子进程。

(1)执行initrd.target

包括挂载/etc/fstab文件中的系统,此时挂载后，就可以切换到根目录了

(2)从initramfs根文件系统切换到磁盘根目录

(3)systemd执行默认target配置

centos7表面是有“运行级别”这个概念，实际上是为了兼容以前的系统，每个所谓的“运行级别”都有对应的软连接指向，默认的启动级别时/etc/systemd/system/default.target,根据它的指向可以找到系统要进入哪个模式 
模式：

0 ==> runlevel0.target, poweroff.target
1 ==> runlevel1.target, rescue.target
2 ==> runlevel2.target, multi-user.target
3 ==> runlevel3.target, multi-user.target
4 ==> runlevel4.target, multi-user.target
5 ==> runlevel5.target, graphical.target
6 ==> runlevel6.target, reboot.target
(4)systemd执行sysinit.target

有没有很眼熟？是的，在CentOS6上是被叫做rc.sysint程序，初始化系统及basic.target准备操作系统

(5)systemd启动multi-user.target下的本机与服务器服务

(6)systemd执行multi-user.target下的/etc/rc.d/rc.local

6.Systemd执行multi-user.target下的getty.target及登录服务

getty.target我们也眼熟，它是启动终端的systemd对象。如果到此步骤，系统没有被指定启动图形桌面，到此就可以结束了，如果要启动图形界面，需要在此基础上启动桌面程序

7.systemd执行graphical需要的服务

CentOS6，7启动区别

系统启动和服务器守护进程管理器，它不同于centos5的Sysv init，centos6的Upstart（Ubuntu制作出来），systemd是由Redhat的一个员工首先提出来的，它在内核启动后，服务什么的全都被systemd接管，kernel只是用来管理硬件资源，相当于内核被架空了，因此linus很不满意Redhat这种做法。