硬盘与RAID: Linux操作系统存储子系统的核心技术

发布时间：2023-02-27 13:59:23 所属栏目：系统来源：

导读：在 Linux中,存储部分应该算是 Linux操作系统最复杂的一部分了。其实很多子系统都认为自己是最复杂的子系统，比如内存子系统和网络子系统也这么说。无论如何，存储子系统在Linux中是比较复杂的。今天我们就介绍一下Li

在 Linux中,存储部分应该算是 Linux操作系统最复杂的一部分了。其实很多子系统都认为自己是最复杂的子系统，比如内存子系统和网络子系统也这么说。无论如何，存储子系统在Linux中是比较复杂的。今天我们就介绍一下Linux的存储子系统中的硬盘与RAID的相关内容，后面再重点写一篇关于LVM与数据库文件系统的内容。
硬盘
在Linux的存储系统中，最底层的就是硬盘了。这里的硬盘并不是指我们看到的硬盘硬件，而是指在Linux内部看到的硬盘设备，或者说是块设备。如果我们在/dev目录执行以下ls命令，就可以看到很多设备。在这些设备中以sd开头的就是基于SCSI协议的硬盘。

无论是基于SAS、iSCSI还是FC的磁盘设备，大概都是这个样子。形似dm-X的是Device Map块设备，也就是通过LVM进行管理的设备，这种设备是一种逻辑设备。

在Linux操作系统中块设备的种类很多，有本地磁盘设备、有SAN设备还有基于网络的块设备。在虚拟机中块设备又呈现为另外一种文件名，比如在Xen虚拟机中为xvdX。

虽然名称差异很大，但是在Linux操作系统内核中的实现却非常简单。在内核中任何磁盘设备都是通过调用add_disk函数完成的。在《Linux设备驱动程序》这本书中对块设备进行了详细的介绍，并且可以通过非常简单的代码实现一个自己的块设备。

这里我们自定义了一个设备名称sbulla。其实我们看到的SCSI设备也是这样定义的，只不过其定义名称的时候是通过sd字符。

以上述代码为例，在块设备中比较重要的地方是初始化了一个队列处理函数(sbull_full_request)。所有从上层访问该块设备的请求都会转发到该处理函数进行处理。

类似的例子还很多，本文不再一一介绍。这里我们需要理解一点，核心问题在于注册处理请求的回调函数，以及通过add_disk就可以在/dev目录下面创建一个块设备。

另外一点，对于任何类型的块设备，无论是本地硬盘，还是经过网络的NBD和iSCSI，还是FC设备，最后都是/dev目录下的一个文件，而这个文件其实就是块设备。我们可以通过对该文件的读写实现对块设备的访问。

RAID
作为普通用户使用单个硬盘是没有任何问题的，但是作为企业应用使用单个硬盘存在很大的风险。这时因为硬盘随时有可能损坏，因此我们需要一种机制来保证即使出现硬盘故障的情况下，数据不会丢失，且业务仍然可以正常工作。

RAID正是解决上述问题的技术。RAID的全称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），从字面可以看出其基本原理就是通过廉价的磁盘组成一组磁盘。RAID不仅仅可以通过冗余的方式解决数据可靠性的问题，还可以提高性能。其主要原理就是将请求拆分到多个物理硬盘来执行，性能自然比一个硬盘快了。

因此，从用户层面来看就是一块普通的磁盘设备，而在底层却是2个独立的物理硬盘。当用户向逻辑磁盘写数据的时候，其中的软件会通过参数进行计算，并将数据重新定向到底层的物理设备。通过这种方法可以保证即使出现某个物理磁盘损坏，用户的数据仍然完好无损。

除了上面说的RAID1外，还有很多RAID类型。不同的RAID类型实现不同的功能。比如RAID0实现条带化，主要是提升性能；RAID1则是实现数据的冗余，防止磁盘故障导致的数据丢失；由于上述RAID只能解决一方面的问题，因此有人讲两者结合，出现了RAID10和RAID01，这样既能保证数据的可靠性，又能提升性能。

由于RAID1是一份数据写到两个设备，因此只有50%的有效数据。为了提高有效数据率，于是发明了RAID5和RAID6等类型。其中RAID5通过增加一个校验数据来保证数据的可靠性，以5块盘的RAID5为例，其中有效数占4块盘的空间，有效数据80%。但是RAID5有个问题，就是一组磁盘中只能坏一块，如果损坏的磁盘超过1块就会导致数据丢失。RAID6的算法与RAID5类似，它的特点是可以容忍2块磁盘故障。

在实现层面，Linux的RAID实现在用户态和内核态都有涉及。其中用户态主要进行RAID的管理，而内核态一方面配合用户态进行RAID管理，另外一方面则实现对IO的处理，这部分才是RAID最为核心的内容。才是raid最为核心的内容。而对于外设来说，其实也是如此，只不过外设本身并不具备raid功能，所以在这里不做过多介绍。

（编辑：驾考网）

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