如何在Linux上设置RAID 10确保高性能

RAID 10(又叫RAID 1+0或镜像条带)阵列结合了RAID 0和RAID  1两者的功能特性，从而提供了高性能、容错的磁盘输入/输出操作。在RAID 0中，读取/写入操作跨多个驱动器并路执行;在RAID  1中，一模一样的数据写入到两个或多个驱动器上。

　　在本教程中，我将介绍如何使用5只相同的8 GiB磁盘，构建一个软件RAID 10阵列。虽然用来构建RAID  10阵列的最大磁盘数量是4只(比如一组条带化的两个镜像)，但我们将增添一只额外的备用驱动器，以防其中一个主驱动器出现故障。我们还将介绍一些工具，你以后可以用来分析RAID阵列的性能。

　　请注意：全面深入地介绍RAID 10及其他分区方案(以及不同尺寸的驱动器和文件系统)的所有优缺点不在本文的探讨范围之内。

　　RAID 10阵列是如何工作的?

　　如果你需要实施一种支持输入/输出密集型操作(比如数据库、电子邮件和网站服务器)的存储解决方案，RAID  10是正确的选择。下面会介绍其中原委。不妨先看一看下图。

　　镜像1和镜像2的条带

　　设想一下某个文件由上图中的数据块A、B、C、D和E组成。每个RAID  1镜像集(比如镜像1或镜像2)将数据块复制到两个设备中的每一个。由于这种配置，写入性能有所下降，因为每个数据块都要写入两次，每只磁盘各写入一次，而相比从单只读盘读取数据，读取性能依然没有变化。优点在于，这种方案提供了冗余性，因为除非每个镜像中的多只磁盘出现故障，否则可以维持正常的磁盘输入/输出操作。

　　RAID  0条带的工作原理是，把数据划分成多个数据块，并将数据块A写入到镜像1，同时将数据块B写入到镜像2，依次类推，因而提高了总体的读取和写入性能。另一方面，没有一个镜像含有向主集提交的任何一部分数据的完整信息。这意味着，如果其中一个镜像出现故障，整个RAID  0组件(以及因而RAID 10集)就无法操作，数据出现无法恢复的丢失。

　　构建RAID 10阵列

　　RAID 10阵列有两种可能的构建方案：复杂方案(只要一步就能构建)，或嵌套方案(构建方法是，先构建两个或多个RAID 1阵列，然后把它们用作RAID  0中的组件设备)。在本教程中，我们将介绍构建复杂的RAID  10阵列，原因在于这种阵列让我们可以使用数量为奇数或偶数的磁盘，并且可以作为单一RAID设备来加以管理，而不是介绍嵌套方案(只允许数量为偶数的驱动器，必须作为嵌套设备来加以管理，  RAID 1和RAID 0分开来处理)。

　　假设你已安装了mdadm，该后台程序在你的系统上运行。想了解详细内容，请参阅这篇教程：http://xmodulo.com/create-software-raid1-array-mdadm-linux.html。另外假设已在每只磁盘上创建了主分区sd[bcdef]1。因而，ls  -l /dev | grep sd[bcdef]的输出应该是这样：

　　接下来使用下面这个命令，构建一个RAID 10阵列：

　　# mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=10 --raid-devices=4  /dev/sd[bcde]1 --spare-devices=1 /dev/sdf1

　　该阵列构建完毕后(构建过程应该用不了几分钟)，# mdadm --detail /dev/md0的输出应该是这样：

　　在我们继续下一步之前有几点需要予以说明。

　　1. Used Dev Space表明了阵列所使用的每个成员设备的容量。

　　2. Array Size是指阵列的总大小。就RAID  10阵列而言，这相当于(N*C)/M，其中N是指活动设备的数量，C是指活动设备的容量，M则指每个镜像中的设备数量。所以在这里，(N*C)/M相当于(4*8GiB)/2  = 16GiB。

　　3. Layout指数据布局的具体细节。可能的布局值如下所示。

　　•n(默认选项)：意味着 near拷贝。一个数据块的多个拷贝在不同的设备中处于相似的偏移(offset)。这种布局提供的读取和写入性能与RAID  0阵列的性能相似。

　　•o表明offset拷贝。不是数据段在条带里面复制，而是整个条带被复制，但由一个设备轮转，那样重复数据块分布在不同的设备上。因而，随后的数据块拷贝在下一个驱动器中，下移一个数据段。想让你的RAID  10阵列使用这种布局，将--layout=o2添加到用来构建阵列的命令。

　　•f  表明far拷贝(偏移全然不同的多个拷贝)。这种布局提供了较好的读取性能，却提供了较差的写入性能。因而，这种方案最适合需要支持的读取操作比写入操作多得多的系统。想让你的RAID  10阵列使用这种布局，将--layout=f2添加到用来构建阵列的命令。

　　--layout选项中n、f和o后面所跟的数字表明了所需的每个数据块的副本数量。默认值是2，但它可以是磁盘中设备数量的2倍数。通过提供数量足够的副本，你就能尽量减少单个驱动器的输入/输出影响。

　　4. Chunk Size，按照Linux RAID维基，数据段大小(chunk  size)指写入到设备的最小单位的数据。最优化的数据段大小取决于输入/输出操作的速度以及相关文件的大小。如果写入大文件，只要确保数据段相当大，有望看到较低的开销，而主要存储小文件的阵列有望更加得益于较小的数据段。想为你的RAID  10阵列指定某个数据段大小，将--chunk=desired_chunk_size添加到用来构建阵列的命令。

　　遗憾的是，没有一应俱全的方法可以提升性能。下面是值得考虑的几个指导准则。

　　•文件系统：总的来说，XFS据说是最好的文件系统，而EXT4仍然是个不错的选择。

　　•最佳化布局：far布局提升了读取性能，但降低了写入性能。

　　•副本数量：更多的副本尽量减小了输入/输出影响，但需要更多的磁盘时也增加了成本。

　　•硬件：固态硬盘比传统的旋转磁盘更有可能显示性能提升的优点(在同一环境下)。

　　使用DD测试RAID性能

　　下列基准测试可以用来核查我们的RAID 10阵列(/dev/md0)的性能。

　　1. 写入操作

　　256MB大小的单个文件被写入到设备上：

　　# dd if=/dev/zero of=/dev/md0 bs=256M count=1 oflag=dsync

　　512字节被写入1000次：

　　# dd if=/dev/zero of=/dev/md0 bs=512 count=1000 oflag=dsync

　　由于dsync标记，dd绕过系统文件缓存，执行同步写入到RAID阵列的操作。这个选项用来消除RAID性能测试期间的缓存效应。

　　2. 读取操作

　　256KiB*15000(3.9 GB)从阵列拷贝到/dev/null：

　　# dd if=/dev/md0 of=/dev/null bs=256K count=15000

　　使用Iozone测试RAID性能

　　Iozone(http://www.iozone.org)是一种文件系统基准测试工具，让我们可以测量的众多磁盘输入/输出操作，包括随机读取/写入、顺序读取/写入和重新读取/重新写入。它可以将结果导出到微软Excel或LibreOffice  Calc文件。

　　将Iozone安装到CentOS/RHEL 7上

　　启用Repoforge软件库，然后执行下列命令：

　　# yum install iozone

　　将Iozone安装到Debian 7上

　　# aptitude install iozone3

　　下面这个iozone命令将在RAID-10阵列中执行所有测试：

　　# iozone -Ra /dev/md0 -b /tmp/md0.xls

　　•-R：生成与Excel兼容的报告，并发送到标准输出设备。

　　•-a：在全自动模式下运行iozone，涵盖所有测试和可能的记录/文件大小。记录大小：4k至16M，文件大小：64k至512M。

　　•-b /tmp/md0.xls：将测试结果存储在某个指定的文件。