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
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RAID类型 |
最低磁盘个数 |
空间利用率 |
各自的优缺点 |
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级 别 |
说 明 |
|||
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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 |
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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：
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参数 |
作用 |
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-a |
检测设备名称 添加磁盘 |
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-n |
指定设备数量 |
|
-l |
指定RAID级别 |
|
-C |
创建 |
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-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。