RAID磁盘阵列及CentOS7启动流程

1. 磁盘阵列

1.1

RAID，磁盘阵列磁盘通过硬件和软件的形式组合成一个容量巨大的磁盘组，提升整个磁盘的系统效能；RAID常见类型：

RAID类型		最低磁盘个数	空间利用率	各自的优缺点
级别	说明	最低磁盘个数	空间利用率	各自的优缺点
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的快速	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。

1.2 RAID的三个关键技术

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。

1.3 RAID工作原理

1) RAID0：条带（strping），是最早出现的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：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%。

2）RAID1：mirroring（镜像卷），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，即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)；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：

3）RAID5：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。

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，直接5和6运算出来即可。

4）RAID10：嵌套RAID级别，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

1.4 RAID 硬盘失效处理

热备和热插拔。

1）热备：HotSpare，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。备用盘有全局式和专用式，全局式备用硬盘为系统中所有冗余的RAID组共享，专用式备用硬盘位系统中某一组冗余RAID组专用。下图所示位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。

2）热插拔：HotSwap，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。

1.5 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RAID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。

2. 创建阵列方式

硬件：磁盘阵列盒

软件：mdadm

3. mdadm命令

　　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命令常见参数

-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	显示创建过程	-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	备份盘

4. 实验

实验1：搭建RAID10阵列

新添加4块硬盘

查看磁盘

下载mdadm，创建raid10阵列。

格式：mdadm 选项 /dev/md0 -a yes -n
4 -l 10 /dev/sd{b,c,d,e}

其中，-a yes表示检查设备。

格式化（指定文件系统类型）磁盘阵列为ext4

挂载

查看/dev/md0的详细信息

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

/dev/md0:

           Version : 1.2

     Creation Time : Thu apr  ::

        Raid level : raid10

        array Size :  (39.97 GiB 42.91 GB)

     Used Dev Size :  (19.98 GiB 21.46 GB)

      Raid Devices :

     Total Devices :

       Persistence : Superblock is persistent

       Update Time : Thu apr  ::

             State : clean

    active Devices :

   Working Devices :

    Failed Devices :

     Spare Devices :

            layout : near=

        Chunk Size : 512K

Consistency Policy : unknown

              Name : localhost.localdomain:  (local to host localhost.localdomain)

              UUiD : 807aee75:479287b8:930103d6:cbf2a76a

            Events :

    Number   Major   Minor   RaidDevice State

                                   active sync set-a   /dev/sdb

                                   active sync set-B   /dev/sdc

                                   active sync set-a   /dev/sdd

                                   active sync set-B   /dev/sde

然后将其写入到配置文件中，实现开机自动挂载。

实验2：破损磁盘阵列及修复

　　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。

模拟设备损坏：sdb不可用

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。

实验3：搭建raid5阵列+备份盘

虚拟机恢复快照，RAID5最少需要3块硬盘，还要一块备份硬盘，所以新建四块硬盘：

查看磁盘：

创建RAID阵列：

-x 1：指定一块备份盘；

格式化为ext4文件系统：

[root@localhost zxj]# mkfs.ext4  /dev/md0

mke2fs 1.42. (-Dec-)

Filesystem label=

OS type: linux

Block size= (log=)

Fragment size= (log=)

Stride= blocks, Stripe width= blocks

 inodes,  blocks

 blocks (5.00%) reserved for the super user

First data block=

Maximum filesystem blocks=

 block groups

 blocks per group,  fragments per group

 inodes per group

Superblock backups stored on blocks:

       , , , , , , , , ,

       ,

allocating group tables: done

Writing inode tables: done

Creating journal ( blocks): done

Writing superblocks and filesystem accounting information: done

挂载：

查看阵列信息：有一块备份盘

模拟/dev/sdb损坏，可以看到备份盘/dev/sdc立即开始构建：

4. CentOS7 系统启动过程及相关配置文件

总的来说，centos7启动分为5个步骤

uefi或BIOS初始化，开始post(power on self test)开机自检；
加载MBR到内存；
GRUB阶段；
加载内核和initramfs模块；
内核开始初始化，centos7使用systemd来代替centos6及以前的init程序。

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

　　amdisk(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。

那么用户态的启动顺序又是什么样的呢？

　　设置默认允许级别—>初始化脚本，完成系统初始化--->关闭及启动对应级别下的服务----->设置登录终端----->[启动图形终端]

Systemd新特性：

　　系统引导时实现服务并行启动，没有顺序之分

　　按需激活进程

　　支持系统状态快照

基于依赖关系定义服务控制逻辑

关键特性：

　　基于socket的激活机制：socket与服务程序分离；按需激活程序或服务，可并行启动

　　基于bus的激活机制：

　　基于device的激活机制：当某个硬件设备变得可用时就可激活某设备

　　基于path的激活机制

　　系统快照：保存各unit的当前状态信息于持久存储设备中

　　向后兼容sysv init脚本

不兼容：

　　systemctl命令固定不变，非由systemd启动的服务，systemctl无法与之通信

核心概念：unit

　　配置文件进行标识和配置，文件中主要包含了系统服务，监听socket，保存的系统快照以及其它与init相关的信息，保存至：

　　/usr/lib/systemd/system

　　/run/systemd/system

　　/etc/systemd/system

unit的类型

　　Service unit：文件扩展名为.service 无需执行权限，用于定义系统服务

　　Target unit：文件扩展名为.target,用于模拟实现“运行级别”

　　Device unit：文件扩展名为.device,用于定义内核识别的设备

　　Mount unit：文件扩展名为.mount,定义文件系统挂载点

　　Socket unit：文件扩展名为.socket,用于标识进程间通信用的socket文件

　　Snapshot unit：文件扩展名为.snapshot,管理系统快照

　　Swap unit：文件扩展名为.swap,用于标识swap设备

　　automount unit：文件扩展名为.automount,文件系统的自动挂载点

　　Path unit：文件扩展名为.path,用于定义文件系统中的一个文件或目录

管理系统服务

　　启动：systemctl start name.service

　　停止：systemctl stop name .service

　　重启：systemctl restart name.service

　　重载：systemctl reload name.service

　　条件式重启：systemctl try-restart name.service

　　查看某服务当前是否运行：systemctl is-active name.service

　　查看所有已经激活的服务：systemctl list-units –type service systemctl list-units –type service –-all

　　开机自启动：systemctl enable name.service

　　开机不启动：systemctl disable name.service

　　查看所有服务开机自启动状态：systemctl list-unit-files –-type service

　　查看服务是否开机自启：systemctl is-enabled name.service

　　查看服务的依赖关系：systemctl list-dependencies name.service

　　禁止设定为开机自启：systemctl mask name.service

　　取消禁止设定为开机自启：systemctl unmask name.service

Target units:（模拟运行级别）

　　unit配置文件，以.target后辍名结尾

　　关机：runlevel0.target,poweroff.target

　　救援：runlevel1.target,rescue.target

　　多用户：multi-user.target

　　图形：graphical.target

　　重启：reboot.target

　　级别切换：systemctl isolate name.target

　　查看级别：systemctl list-units –-type target systemctl get-default

　　设置级别：systemctl set-default name.target

　　切换至紧急救援模式：systemctl rescue

　　切换至emergency模式：systemctl emergency(服务不加载不启动，驱动不加载，更彻底）

其它常用命令

　　关机：systemctl halt,systemctl poweroff

　　重启：systemctl reboot

　　挂起：systemctl suspend

　　快照：systemctl hibernate

　　快照并挂起：systemctl hybrid-sleep