Linux/Software-RAID

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Linux Software RAID (häufig auch als mdraid oder MD/RAID bezeichnet) ermöglicht die Nutzung von RAID Funktionalität ohne Hardware RAID Controller. Die dazu verwendeten Datenträger (Festplatten, SSDs, ...) werden dabei einfach als einzelne Laufwerke am Rechner angeschlossen, etwa direkt an den SATA Ports des Mainboards.

Hardware RAID Controller haben im Gegensatz zu Software RAID meistens einen eingebauten Cache (häufig 512 MB oder 1GB), der mit einer BBU oder ZMCP geschützt werden kann (siehe Unterschiede zwischen Hardware RAID und Linux Software RAID). Inhaltsverzeichnis

   1 Funktionsweise
       1.1 SSD RAIDs
   2 RAID Superblock
       2.1 Superblock Metadaten-Version 0.90
       2.2 Superblock Metadaten-Version 1.*
   3 RAID erstellen
       3.1 Festplatten Cache deaktivieren
       3.2 Partitionen vorbereiten
       3.3 RAID 1 erstellen
       3.4 Alignment überprüfen
       3.5 Sync Rate anpassen
   4 RAID löschen
   5 ATA Trim
   6 Einzelnachweise
   7 Weitere Informationen

Funktionsweise Beispiel: Linux Software RAID mit zwei RAID 1 Devices (eines für das Root Dateisystem, ein weiteres für swap.

Linux Software RAID unterstützt die folgenden RAID Level:[1]

   RAID 0
   RAID 1
   RAID 4
   RAID 5
   RAID 6[2]
   RAID 10

SSD RAIDs

Linux Software RAID verwendet bis Kernel 3.11 nur einen Thread für RAID5/RAID6 Berechnungen. Das kann die Performance von SSD RAIDs limitieren. Im Januar 2013 gab es erste Patches von Fusion-io, diese waren zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht reviewed.[3] Die RAID5 multithreading Unterstützung wurde im Linux Kernel mit 3.12 aufgenommen. RAID Superblock

Linux Software RAID speichert alle notwendigen Informationen zu einem RAID Array in einem Superblock. Je nach Metadaten-Version liegt dieser an unterschiedlichen Stellen. Superblock Metadaten-Version 0.90

Der version-0.90 Superblock ist 4.096 Byte groß und liegt in einem 64 KiB aligned block am Ende eines Devices. Der Superblock beginnt ja nach Devicegröße frühestens 128 KiB vor dem Ende des Devices, bzw. spätestens 64 KiB vor dem Ende des Devices. Um die Adresse des Superblocks zu berechnen wird die Device-Größe auf ein vielfaches von 64 KiB abgerundet und dann 64 KiB vom Ergebnis abgezogen.[4]

Einschränkungen der Metadaten-Version 0.90:

   maximal 28 Devices in einem Array
   jedes Device kann maximal 2 TiB groß sein
   keine Unterstützung des Bad-Block-Managements[5]

Superblock Metadaten-Version 1.*

Die Position des Superblock hängt von der Version der Metadaten ab:[6]

   Version 1.0: Der Superblock liegt am Ende des Devices.
   Version 1.1: Der Superblock liegt am Anfang des Devices.
   Version 1.2: Der Superblock liegt 4 KiB nach dem Beginn des Devices.

RAID erstellen

Das folgende Beispiel zeigt die Erstellung eines RAID 1. Im Beispiel wird ein Fedora 15 Live System verwendet. Festplatten Cache deaktivieren

Wie auch bei Hardware RAID, ist es auch bei Software RAID zu empfehlen den Schreibcache von Festplatten zu deaktivieren, um bei einem Stromausfall keinen Datenverlust zu erleiden. Ausnahme sind dabei SSDs mit integrierten Kondensatoren, die den Cacheinhalt bei einem Stromausfall noch auf den Flash Speicher schreiben (z.B. Intel DC S3510 Series SSDs). Partitionen vorbereiten

Das Software RAID wird über /dev/sda1 und /dev/sdb1 gelegt. Diese Partitionen haben den Typ Linux raid autodetect (fd):

[root@localhost ~]# fdisk -l /dev/sda

Disk /dev/sda: 120.0 GB, 120034123776 bytes 139 heads, 49 sectors/track, 34421 cylinders, total 234441648 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x2d0f2eb3

  Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System

/dev/sda1 2048 20973567 10485760 fd Linux raid autodetect [root@localhost ~]# fdisk -l /dev/sdb

Disk /dev/sdb: 120.0 GB, 120034123776 bytes 139 heads, 49 sectors/track, 34421 cylinders, total 234441648 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0xe69ef1f5

  Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System

/dev/sdb1 2048 20973567 10485760 fd Linux raid autodetect [root@localhost ~]#

RAID 1 erstellen

[root@localhost ~]# mdadm --create /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/sda1 /dev/sdb1 mdadm: Note: this array has metadata at the start and

   may not be suitable as a boot device.  If you plan to
   store '/boot' on this device please ensure that
   your boot-loader understands md/v1.x metadata, or use
   --metadata=0.90

Continue creating array? y mdadm: Defaulting to version 1.2 metadata mdadm: array /dev/md0 started. [root@localhost ~]#

Der Fortschritt der Initialisierung wird über das proc-Dateisystem oder mdadm abgefragt:

[root@localhost ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid1] md0 : active raid1 sdb1[1] sda1[0]

     10484664 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
     [========>............]  resync = 42.3% (4440832/10484664) finish=0.4min speed=201856K/sec
     

unused devices: <none> [root@localhost ~]#

[root@localhost ~]# mdadm -D /dev/md0 /dev/md0:

       Version : 1.2
 Creation Time : Tue Jul 26 07:49:50 2011
    Raid Level : raid1
    Array Size : 10484664 (10.00 GiB 10.74 GB)
 Used Dev Size : 10484664 (10.00 GiB 10.74 GB)
  Raid Devices : 2
 Total Devices : 2
   Persistence : Superblock is persistent

   Update Time : Tue Jul 26 07:50:23 2011
         State : active, resyncing
Active Devices : 2

Working Devices : 2

Failed Devices : 0
 Spare Devices : 0

Rebuild Status : 62% complete

          Name : localhost.localdomain:0  (local to host localhost.localdomain)
          UUID : 3a8605c3:bf0bc5b3:823c9212:7b935117
        Events : 11

   Number   Major   Minor   RaidDevice State
      0       8        1        0      active sync   /dev/sda1
      1       8       17        1      active sync   /dev/sdb1

[root@localhost ~]#

Alignment überprüfen

Im Beispiel wird die Metadaten-Version 1.2 verwendet. Die Metadaten liegen also ziemlich am Anfang der Devices, die tatsächlichen Daten dahinter sind aber auf 1 MiB (Data Offset : 2048 sectors, ein Sektor hat 512 Byte) aligned:

[root@localhost ~]# mdadm -E /dev/sda1 /dev/sda1:

         Magic : a92b4efc
       Version : 1.2
   Feature Map : 0x0
    Array UUID : 3a8605c3:bf0bc5b3:823c9212:7b935117
          Name : localhost.localdomain:0  (local to host localhost.localdomain)
 Creation Time : Tue Jul 26 07:49:50 2011
    Raid Level : raid1
  Raid Devices : 2

Avail Dev Size : 20969472 (10.00 GiB 10.74 GB)
    Array Size : 20969328 (10.00 GiB 10.74 GB)
 Used Dev Size : 20969328 (10.00 GiB 10.74 GB)
   Data Offset : 2048 sectors
  Super Offset : 8 sectors
         State : active
   Device UUID : 10384215:18a75991:4f09b97b:1960b8cd

   Update Time : Tue Jul 26 07:50:43 2011
      Checksum : ea435554 - correct
        Events : 18

  Device Role : Active device 0
  Array State : AA ('A' == active, '.' == missing)

[root@localhost ~]#

Abhängig von der mdadm Version variiert die Größe des Data Offset:

   Hinweis: die aktuelle Entwicklerversion von mdadm bietet die Möglichkeit die Größe des Data Offset manuell zu spezifizieren (für --create, --grow, allerdings noch nicht für --add): Add --data-offset flag for Create and Grow
       Hinweis: Unter Umständen kann es zu Problemen kommen, wenn RAID Arrays mit unterschiedlichen mdadm-Versionen erzeugt werden:

If upon running the above with the --size parameter you get, as one of the authors of this page did, an error such as: "mdadm: /dev/sdb1 is smaller than given size. xxxK < yyyK + metadata", you may have stumbled upon a problem where the array was initially created with an earlier version of mdadm that reserved less device space. The solution seems to be to find an earlier version of mdadm to run with the creation command above (in this author's case, mdadm from Debian "squeeze" worked while mdadm from Debian "wheezy" refused to recreate the array of the required size).[7] Das Problem hierbei ist eine unterschiedlich Größe der Arrays, da frühere mdadm Versionen weniger Speicherplatz reservierten.

   ab mdadm-3.2.5: 128 MiB Data Offset (262144 sectors), sofern möglich: super1: fix choice of data_offset. (14.05.2012): While it is nice to set a high data_offset to leave plenty of head room it is much more important to leave enough space to allow of the data of the array. So after we check that sb->size is still available, only reduce the 'reserved', don't increase it. This fixes a bug where --adding a spare fails because it does not have enough space in it.
   ab mdadm-3.2.4: 128 MiB Data Offset (262144 sectors) super1: leave more space in front of data by default. (04.04.2012): The kernel is growing the ability to avoid the need for a backup file during reshape by being able to change the data offset. For this to be useful we need plenty of free space before the data so the data offset can be reduced. So for v1.1 and v1.2 metadata make the default data_offset much larger. Aim for 128Meg, but keep a power of 2 and don't use more than 0.1% of each device. Don't change v1.0 as that is used when the data_offset is required to be zero.
   ab mdadm-3.1.2: 1 MiB Data Offset (2048 sectors) super1: encourage data alignment on 1Meg boundary (03.03.2010): For 1.1 and 1.2 metadata where data_offset is not zero, it is important to align the data_offset to underlying block size. We don't currently have access to the particular device in avail_size so just try to force to a 1Meg boundary. Also default 1.x metadata to 1.2 as documented. (siehe auch Re: Mixing mdadm versions)

Sync Rate anpassen

Ein RAID Volume kann direkt nach der Erstellung schon während der Synchronisation genutzt werden. Das vermindert aber die Sync Rate.

In diesem Beispiel mit einem RAID 1 direkt über zwei SSDs (ohne Partitionen auf /dev/sda und /dev/sdb) beginnt die Synchronisation mit ca. 200 MB/s und fällt auf 2,5 MB/s zurück sobald Daten auf das Dateisystem des RAID 1 geschrieben werden:

[root@localhost ~]# dd if=/dev/urandom of=/mnt/testfile-1-1G bs=1G count=1 oflag=dsync 1+0 records in 1+0 records out 1073741824 bytes (1.1 GB) copied, 115.365 s, 9.3 MB/s [root@localhost ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid1] md0 : active raid1 sdb[1] sda[0]

     117219728 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
     [============>........]  resync = 63.3% (74208384/117219728) finish=279.5min speed=2564K/sec
     

unused devices: <none> [root@localhost ~]#

Durch eine manuelle Erhöhung der Sync Rate lässt sich die Synchronisation wieder beschleunigen:[8]

[root@localhost ~]# cat /proc/sys/dev/raid/speed_limit_max 200000 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min 1000 [root@localhost ~]# echo 100000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min [root@localhost ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid1] md0 : active raid1 sdb[1] sda[0]

     117219728 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
     [============>........]  resync = 64.2% (75326528/117219728) finish=41.9min speed=16623K/sec
     

unused devices: <none> [root@localhost ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid1] md0 : active raid1 sdb[1] sda[0]

     117219728 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
     [=============>.......]  resync = 66.3% (77803456/117219728) finish=7.4min speed=88551K/sec
     

unused devices: <none> [root@localhost ~]# cat /proc/mdstat Personalities : [raid1] md0 : active raid1 sdb[1] sda[0]

     117219728 blocks super 1.2 [2/2] [UU]
     [=============>.......]  resync = 66.4% (77938688/117219728) finish=6.4min speed=101045K/sec
     

unused devices: <none> [root@localhost ~]#

RAID löschen

Wird ein RAID Volume nicht mehr benötigt, kann es mit dem folgenden Kommando deaktiviert werden:

[root@localhost ~]# mdadm --stop /dev/md0 mdadm: stopped /dev/md0 [root@localhost ~]#

Der Superblock der einzelnen Devices (in diesem Fall /dev/sda1 und /dev/sdb1 vom obigen Beispiel) wird mit folgenden Kommandos gelöscht - damit können Sie diese Partitionen wieder für neue RAID Verbünde nützen.

[root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/sda1 [root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/sdb1

ATA Trim

Im August 2012 hat Shaohua Li ein Patchset eingereicht, das ATA TRIM Support bringt (siehe ATA Trim mit Linux Software RAID). ATA Trim mit Linux Software RAID ist damit ab Linux Kernel 3.7 möglich.

Ab Linux Kernel 3.17 (bzw. 3.10.57 für Kernel für den longterm 3.10) wird für RAID4/5/6 ATA Trim standardmäßig deaktiviert, weil manche SSDs zwar melden, dass ein ATA Trim Daten zuverlässig löscht und danach bei Lesezugriffen Null als Antwort kommt (discard_zeroes_data) - dies allerdings dann nicht tun. Ein Modul Parameter erlaubt weiterhin, bei korrekt funktionierenden SSDs Trim zu verwenden.[9] Ab Linux Kernel 3.19 gibt es eine Whitelist, die zuverlässig funktionierende SSDs auflistet (z.B. alle Intel SSDs bis auf die 520 Serie).[10] Beim Einsatz solcher SSDs kann der Administrator überlegen, den Modul Parameter zu setzen. Im Patch wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Whitelist auf Tests beruht und nicht auf Produktspezifikationen: This patch whitelists SSDs from a few of the main vendors. None of the whitelists are based on written guarantees. They are purely based on empirical evidence collected from internal and external users that have tested or qualified these drives in RAID deployments.

Im Juli 2015 sind Probleme zwischen dem RAID- und dem SATA-Treiber des Linux Kernels bekannt geworden, die zu Datenverlust beim Einsatz von ATA Trim bei RAID0 oder RAID10 führen können.[11] Ein Patch, der die bio_split Funktion anpasst, behebt das Problem.[12] Der Patch wird in Linux Kernel 4.2 einfließen.[13] Einzelnachweise

mdadm (en.wikipedia.org) ALERT: md/raid6 data corruption risk. (lkml.org, Neil Brown, 18.08.2014) RAID is more than parity and mirrors Threads für RAID5/RAID6, ca. Min. 25 (Vortrag Neil Brown bei der LCA 2013) RAID superblock formats - The version-0.90 Superblock Format (Linux Raid Wiki) Was 3.1 bringt (2): Storage und Dateisysteme: Software-RAID und Device Mapper (heise Open Kernel Log) RAID superblock formats - Sub-versions of the version-1 superblock (Linux Raid Wiki) raid Wiki RAID Recovery (raid.wiki.kernel.org) SSDs vs. md/sync_speed_(min|max) (Lutz Vieweg, linux-raid mailing list, 18.07.2011) one last-minute update for md/raid5 As we cannot trust 'discard_zeroes_data', ignore it by default and so disallow DISCARD on all raid4/5/6 arrays. As many devices are trustworthy, and as there are benefits to using DISCARD, add a module parameter to over-ride this caution and cause DISCARD to work if discard_zeroes_data is set. If a site want to enable DISCARD on some arrays but not on others they should select DISCARD support at the filesystem level, and set the raid456 module parameter. raid456.devices_handle_discard_safely=Y ibata: Whitelist SSDs that are known to properly return zeroes after TRIM (git.kernel.org) Linux: RAID und SSD-TRIM können zu Datenverlust führen (www.admin-magazin.de, 24.07.2015) block: Do a full clone when splitting discard bios (git.kernel.org, 23.07.2015) (GIT PULL) Block fixes for 4.2-rc3 Linux Kernel Mailing Lis

Wiki Software-RAID

Software-RAID

Von Software-RAID spricht man, wenn das Zusammenwirken der Festplatten komplett softwareseitig organisiert wird. Auch der Begriff Host based RAID ist geläufig, da nicht das Speicher-Subsystem, sondern der eigentliche Computer die RAID-Verwaltung durchführt. Die meisten modernen Betriebssysteme wie FreeBSD, OpenBSD, Apple macOS, HP HP-UX, IBM AIX, Linux, Microsoft Windows ab Windows NT oder SUN Solaris sind dazu in der Lage. Die einzelnen Festplatten sind in diesem Fall entweder über einfache Festplattencontroller am Computer angeschlossen oder es werden externe Storage-Geräte wie Disk-Arrays von Unternehmen wie EMC, Promise, AXUS, Proware oder Hitachi Data Systems (HDS) an den Computer angeschlossen. Die Festplatten werden zunächst ohne RAID-Controller als sogenannte JBODs („just a bunch of disks“) in das System integriert, dann wird per Software-RAID (z. B. unter Linux mit dem Programm mdadm) die RAID-Funktionalität realisiert. Eine besondere Variante des Software RAID sind Dateisysteme mit einer integrierten RAID-Funktionalität. Ein Beispiel dafür ist das von Sun Microsystems entwickelte RAID-Z.[6] Pro

Der Vorteil von Software-RAID ist, dass kein spezieller RAID-Controller benötigt wird. Die Steuerung wird von der RAID-Software erledigt, diese ist entweder schon Teil des Betriebssystems oder wird nachträglich installiert. Dieser Vorteil kommt besonders bei der Disaster Recovery zum Tragen, wenn der RAID-Controller defekt und nicht mehr verfügbar ist. Praktisch alle derzeit verfügbaren Software-RAID-Systeme benutzen die Festplatten so, dass diese auch ohne die spezifische Software ausgelesen werden können. Contra

Bei einem Software-RAID werden bei Festplattenzugriffen neben dem Hauptprozessor des Computers auch die System-Busse wie PCI stärker belastet als bei einem Hardware-RAID. Bei leistungsschwachen CPUs und Bus-Systemen verringert dies deutlich die Systemleistung; bei leistungsstarken, wenig ausgelasteten Systemen ist dies belanglos. Storage-Server sind in der Praxis oft nicht voll ausgelastet; auf solchen Systemen können Software-RAID-Implementierungen unter Umständen sogar schneller sein als Hardware-RAIDs.

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei vielen Software-RAID kein Cache genutzt werden kann, dessen Inhalt auch nach einem Stromausfall erhalten bleibt, wie es bei Hardware-RAID-Controllern mit einer Battery Backup Unit der Fall ist. Dieses Problem lässt sich mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung für den gesamten PC vermeiden. Um die Gefahr von Datenverlusten und Fehlern in der Datenintegrität bei einem Stromausfall oder Systemabsturz zu minimieren, sollten außerdem die (Schreib-)Caches der Festplatten deaktiviert werden.[7]

Da die Platten eines Software-RAIDs prinzipiell auch einzeln angesprochen werden können, besteht bei gespiegelten Festplatten die Gefahr, dass Änderungen nur noch an einer Platte durchgeführt werden – wenn etwa nach einem Betriebssystem-Update die RAID-Software oder der Treiber für einen RAID-Festplatten-Controller nicht mehr funktionieren, eine der gespiegelten Festplatten aber weiterhin über einen generischen SATA-Treiber angesprochen werden kann. Entsprechende Warnhinweise oder Fehlermeldungen während des Bootens sollten deshalb nicht ignoriert werden, nur weil das System trotzdem funktioniert. Ausnahmen bilden hier Software-RAID mit Datenintegrität wie z. B. ZFS. Unvollständige Speichervorgänge werden zurückgesetzt. Fehlerhafte Spiegeldaten werden erkannt und durch korrekte Spiegeldaten ersetzt. Es wird wohl beim Lesen eine Fehlermeldung geben, da die fehlerhafte oder alte Spiegelseite nicht mit dem aktuellen Block übereinstimmt. Software-Raid und Storage-Server Mit einem Software-RAID-ähnlichen Ansatz lassen sich auch (logische) Volumes, die von unterschiedlichen Storage-Servern zur Verfügung gestellt werden, auf Seite des Anwendungsservers spiegeln. Das kann in hochverfügbaren Szenarien nützlich sein, weil man damit unabhängig von entsprechender Cluster-Logik in den Storage-Servern ist, welche häufig fehlt, andere Ansätze verfolgt oder herstellerabhängig und somit in gemischten Umgebungen nicht zu gebrauchen ist. Allerdings muss das Host-Betriebssystem entsprechende Features mitbringen (z. B. durch Einsatz von GlusterFS, des Logical Volume Manager oder von NTFS). Solche Storage-Server sind üblicherweise in sich schon redundant. Ein übergreifendes Cluster richtet sich also eher gegen den Ausfall des ganzen Servers oder eines Rechnerraumes (Stromausfall, Wasserschaden, Brand usw.) Ein einfacher Spiegel, vergleichbar mit RAID 1, reicht hier aus; siehe auch Hauptartikel Storage Area Network.

Quellen

• https://wiki.ubuntuusers.de/Software-RAID/
• https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/Linux_Software_RAID
• https://de.wikipedia.org/wiki/RAID#Software-RAID