Software-RAID

Dieser Artikel wurde für die folgenden Ubuntu-Versionen getestet:

Artikel für fortgeschrittene Anwender

Dieser Artikel erfordert mehr Erfahrung im Umgang mit Linux und ist daher nur für fortgeschrittene Benutzer gedacht.

Zum Verständnis dieses Artikels sind folgende Seiten hilfreich:

  1. Systeminformationen ermitteln

  2. Installation von Programmen

  3. Wie heißen die Datenträger

  4. Partitionierung

  5. Ein Terminal öffnen

  6. Root-Rechte erlangen

  7. Dateisystem

  8. mount

  9. fstab

Inhaltsverzeichnis
  1. Grundsätzliche Informationen
  2. Installation
  3. Anlegen eines RAID
  4. Wartung
  5. Begriffe und Details
  6. Problembehebung
  7. Komplexe Aufgaben
  8. Links

Wiki/Icons/hd.png Ein RAID (Redundant Array of Independent Disks) dient dazu, mehrere physikalische Festplatten zu einem oder mehreren logischen Laufwerken zu vereinen und dadurch einen schnelleren Datenzugriff und/oder eine erhöhte Verfügbarkeit des Systems im Falle eines Festplattendefektes zu erreichen. Native Hardware-RAID-Controller, die unter Linux unterstützt werden (z.B. von 3Ware, Adaptec, etc.), sind aber für den Heimgebrauch oft zu teuer. Diese braucht man aber nicht zwingend, wenn man unter Linux ein Software-RAID verwendet.

Als weitere Alternative können die Festplatten auch an sog. FakeRAID-Controllern verwendet werden, z.B. Onboard-RAID-Controller. Allerdings wird von dieser Variante im Allgemeinen abgeraten, da beispielsweise oft Kernelmodule (Treiber) fehlen oder diese nur für bestimmte Kernelversionen zur Verfügung stehen.

Grundsätzliche Informationen

RAID und Backup

Ein RAID ersetzt keine Datensicherung! Auch wenn es verlockend scheint, z.B. ein RAID 1 mit externer USB-Festplatte aufzusetzen, um eine automatische Sicherung zu erhalten, ist dies kein Backup:

IDE/SATA

Generell sollte man bei RAIDs moderne SATA-Festplatten[1] verwenden, da der Datendurchsatz bei diesen zum Teil erheblich höher ist als bei älteren IDE-Platten. Zudem sind SATA-Platten prinzipiell "hotplugable". Das heißt, sie sind im laufenden Betrieb eines RAIDs an- und abschaltbar und damit auch austauschbar. Allerdings sollte man genau wissen, was man tut, bevor man sich an solcherlei Aktionen heranwagt.

Achtung!

Nicht jeder SATA-Controller ist in der Lage, mit "Hotplug" auch richtig umzugehen. Man sollte auch darauf achten, dass man die richtige Festplatte angibt, um Datenverlust zu vermeiden.

Bei älteren IDE-ATA-Festplatten gilt: die verwendeten Festplatten sollten nicht am selben IDE-Kanal hängen, da im Fehlerfall einer Festplatte unter Umständen der komplette IDE-Kanal gestört wird und dadurch u.U. das RAID nicht mehr nutzbar ist. Bei einem RAID 0 erhöht sich die Gesamtleistung, da paralleles Lesen/Schreiben auf verschiedenen IDE-Kanälen schneller geht als auf nur einem.

Installation

Folgende Pakete muss installiert[2] werden, um ein Software-RAID erstellen zu können:

Wiki/Vorlagen/Installbutton/button.png mit apturl

Paketliste zum Kopieren:

sudo apt-get install mdadm parted 

sudo aptitude install mdadm parted 

Anlegen eines RAID

Partitionierung

Achtung!

Veränderungen an den Festplatten löschen die vorherigen Inhalte der beteiligten Festplatten. Es ist daher dringend angeraten, vorher eine Datensicherung durchzuführen.

Zunächst müssen die Bezeichnungen der zu verwenden Festplatten bekannt sein[3]. Auf jeder Festplatte wird eine Partition erstellt, die (fast) den gesamten Platz der Platte einnimmt. Im Beispiel wird das Laufwerk /dev/sde[4] vorbereitet. Die Schritte müssen für jedes Laufwerk, das am RAID teilnehmen soll, mit der entsprechenden Bezeichnung vom eigenen System wiederholt werden:

Eine neue, leere Partitionstabelle auf dem Laufwerk erstellen[5][6]Für neuere PCs mit UEFI Bios:

sudo parted /dev/sde mklabel gpt 

Für ältere PCs mit altem Bios:

sudo parted /dev/sde mklabel msdos 

Eine einzelne Partition erstellen:

sudo parted -a optimal -- /dev/sde mkpart primary 2048s -8192s  

Möchte man die gesamte Platte nutzen, gibt man statt "2048s -8192s" einfach "0% 100%" an.

Die neue Partition als RAID-Partition markieren:

sudo parted /dev/sde set 1 raid on 

Hinweis:

  • Es werden bewusst 8192 Sektoren am Ende der Festplatte ungenutzt gelassen, um für Ausfälle gewappnet zu sein. Falls nach Jahren keine baugleiche Festplatte mehr beschafft werden kann, ermöglicht es der frei gelassene Platz auch Laufwerke als Ersatz zu nehmen, die einige Sektoren weniger haben.

  • Am Anfang des Laufwerks werden 2048 Sektoren ungenutzt gelassen, um ein optimales Alignment zu ermöglichen. Über den Parameter -a optimal kümmert sich parted um weitere Anpassungen, falls nötig.

  • Es ist auch möglich, die Laufwerke unpartitioniert zusammenzufassen. Dies birgt jedoch einige Nachteile. Zunächst verkompliziert es das Alignment und kann damit zu Geschwindigkeitseinbußen führen. Außerdem kann im Falle eines Defekts nur ein Laufwerk mit genau gleicher oder höherer Sektorzahl als Ersatz benutzt werden.

RAID anlegen

Das Hauptwerkzeug für alle Arbeiten an Software-RAIDs unter Linux ist mdadm. Es bildet die Schnittstelle zu den RAID-Funktionen des Kernels. Mehr Informationen finden sich im Abschnitt MDADM. Hiermit werden auch RAID-Verbunde erstellt:

Beispiel 1: RAID 1 über zwei Partitionen, sde1 und sdf1:

sudo mdadm --create /dev/md0 --auto md --level=1 --raid-devices=2 /dev/sde1 /dev/sdf1 

Beispiel 2: Software-RAID 5 mit 4 Partitionen:

sudo mdadm --create /dev/md0 --auto md --level=5 --raid-devices=4 /dev/sde1 /dev/sdf1 /dev/sdg1 /dev/sdh1 

Die Parameter im Einzelnen:

Die nötigen Initialisierungsmaßnahmen laufen nun selbstständig im Hintergrund ab. Das neu erstellte Blockgerät md0 kann jedoch sofort benutzt werden und das System darf auch währenddessen normal heruntergefahren oder neu gestartet werden.

Dateisystem

Um den RAID-Verbund als normales Speicherlaufwerk zu nutzen, muss noch ein Dateisystem[7] darauf erstellt und dieses ins System eingebunden werden, z.B. ext4. Im Falle eines RAID 1 ist dies recht einfach:

sudo mkfs.ext4 /dev/md0 

Bei komplexeren Verbunden wie RAID 0, 5, 6 oder 10 sollte das Dateisystem auf das RAID angepasst werden, um optimale Leistung zu ermöglichen. Dafür muss zunächst die sog. "Chunk Size", also die Datenmenge, die in einem einzelnen Schreibvorgang geschrieben wird, bekannt sein. Diese lässt sich wie folgt ermitteln:

sudo mdadm -D /dev/md0 | grep "Chunk Size" 

Bei einem RAID 5 mit Standardeinstellungen liefert dies Beispielsweise:

     Chunk Size : 512K

Es werden also 512 KiB Chunks verwendet. Hieraus können, zusammen mit der Anzahl der Partitionen und des RAID-Levels, die Dateisystem-Parameter berechnet werden. Am einfachsten geht das mittels des Raid Stride Calculators {en}. Alternativ können die Parameter auch von Hand ermittelt werden:

Sind die Parameter ermittelt, wird das Dateisystem erstellt:

sudo mkfs.ext4 -b 4096 -E stride=128,stripe-width=384 /dev/md0 

RAID mounten

Das RAID muss noch in die Verzeichnisstruktur eingebunden[8] werden. Dies geschieht einfach mittels mount, z.B. am Mountpunkt /media/daten.

sudo mount /dev/md0 /media/daten 

Damit das System beim Start das Dateisystem selber einhängt, muss eine entsprechende Zeile in die Datei /etc/fstab[9] eingetragen werden:

/dev/md0     /media/daten      ext4      defaults 0 2

mdadm.conf aktualisieren

Alle Informationen zum RAID werden auf jeder verwendeten Partition in den sog. Superblock geschrieben. Der Kernel sucht beim Starten automatisch nach diesen Superblöcken und startet alle voll funktionsfähigen RAIDs, ohne das eine Konfigurationsdatei nötig ist. Trotzdem kann es sinnvoll sein, eine Konfigurationsdatei zu erstellen, z.B. wenn man über Ausfälle am RAID per E-Mail benachrichtigt werden möchte. Die Konfigurationsdatei kann bequem mit einem Skript von mdadm erstellt werden und enthält dann direkt alle Definitionen aller momentan aktiven RAIDs:

sudo su -c "/usr/share/mdadm/mkconf > /etc/mdadm/mdadm.conf" 

Achtung!

Je nach Konfiguration kommt es zu Fehlern in der mdadm.conf. Daher ist es sinnvoll diese zu überprüfen. Typische Fehler sind, wenn das RAID-System nicht wie im Beispiel als md0 sondern als md127 nach einem Neustart angezeigt wird. Das System kommt mit der Option "-name" in der mdadm.conf nicht klar. Diese Option auskommentieren und System neu starten.

Um bei Ausfällen per E-Mail benachrichtigt zu werden, muss in der neuen Datei /etc/mdadm/mdadm.conf die Zeile

MAILADDR root

root durch die gewünschte E-Mail-Adresse ersetzt werden. Dafür muss der E-Mail-Versand durch das System eingerichtet sein, z.B. via Postfix als Satellitensystem.

Über die Konfigurationsdatei können sehr viele Details der RAIDs angepasst werden, nähere Informationen liefert die [Manpage] von mdadm.conf. Generell gilt bei neu aufgesetzten RAIDs allerdings: Je weniger, desto besser. In den neueren Superblock-Formaten (neuer als Superblock-Version 0.90) werden alle wichtigen Informationen direkt auf den beteiligten Partitionen gespeichert, auch wenn nachträglich Änderungen vorgenommen werden. Andererseits haben die Parameter aus der mdadm.conf Vorrang. So ist es z.B. möglich, alle am RAID beteiligten Partitionen in der Datei anzugeben. Ändert sich jedoch die Reihenfolge der Festplatten (z.B. bei Austausch des Controllers, Umstecken der Kabel, Anschließen eines USB-Sticks etc.) ließe sich das RAID nicht mehr Starten, obwohl in den Superblöcken die richtigen Positionen der Laufwerk (unabhängig von den Buchstabenbezeichnungen) gespeichert sind, bevor nicht die gegenläufige Angabe in der mdadm.conf geändert oder explizit übergangen wird.

Damit die Konfiguration beim Booten verfügbar ist, muss schließlich noch die Initrd aktualisiert werden:

sudo update-initramfs -u -k all 

Wartung

Einige der folgenden Punkte kann man man auch mit der GUI der Laufwerksverwaltung palimpsest aus dem Paket gnome-disk-utility machen. Man geht dort in der linken Spalte auf die gewünschte RAID-Anordnung und kann dann in der rechten Spalte im Punkt "Komponenten bearbeiten" die gewünschten Aktionen veranlassen.

RAID überwachen

Eine Kurzzusammenfassung für alle RAIDs erhält man mittels

cat /proc/mdstat 

Eine Beispielausgabe eines Systems mit mehreren RAID-Verbünden ohne Ausfälle:

Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] [raid1] [linear] [multipath] [raid0] [raid10]
md1 : active raid1 sde5[0] sdf5[1]
      195114936 blocks super 1.2 [2/2] [UU]

md0 : active raid1 sdf1[1] sde1[0]
      242676 blocks super 1.2 [2/2] [UU]

md2 : active raid6 sdg1[4] sdh1[5] sdi1[6] sdj1[7] sda1[0] sdd1[3] sdb1[1] sdc1[2]
      2930304000 blocks super 1.2 level 6, 512k chunk, algorithm 2 [8/8] [UUUUUUUU]

Das Beispiel zeigt zwei RAID 1 (md0 und md1) mit je zwei Partitionen und ein RAID 6 (md2) mit 8 Partitionen. In der jeweils zweiten Zeile wird am Ende in eckigen Klammern der Zustand der einzelnen Partitionen angezeigt, wobei ein U bedeutet, dass das jeweilige Gerät in Ordnung (up) ist. Ausführliche Informationen zu einem RAID-Device liefert:

sudo mdadm --detail /dev/md0 

Hotspare hinzufügen

Ein RAID kann Ersatzplatten vorhalten und diese beim Ausfall einer anderen Festplatte automatisch als Ersatz nutzen. Solche Platten werden als Hotspares, oft auch einfach nur Spare, bezeichnet. Um eine Platte als Spare zu nutzen, muss diese zunächst entsprechend partitioniert werden. Danach kann diese zum Verbund hinzugefügt werden, hier am Beispiel des eingänglichen beschriebenen RAID 5 und einer neuen Partition /dev/sdi1:

mdadm /dev/md0 --add /dev/sdi1 

Falls nun eine Partition ausfallen sollte, startet automatisch ein Rebuild, die Spare-Partition wird dabei aktiviert und als Ersatz für die ausgefallene Partition genutzt.

Festplattenausfall

Details ermitteln

Dieses Beispiel zeigt eine ausgefallene Platte in einem RAID 6.

Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] [raid1] [linear] [multipath] [raid0] [raid10]
md2 : active raid6 sdj1[7] sdi1[6] sdh1[5] sdg1[4] sdd1[3] sda1[0] sdb1[1] sdc1[2]
      3418688000 blocks super 1.2 level 6, 512k chunk, algorithm 2 [9/8] [UUUUUUUU_]

unused devices: <none>

In diesem Fall wurde das fehlerhafte Gerät bereits automatisch entfernt. Genauere Details, u.a. den Namen des defekten Geräts kann mit mdadm ermittelt werden:

sudo mdadm --detail /dev/md2 

Festplatte wechseln

Achtung!

Bei einem RAID 0 äußert sich der Ausfall einer Platte im Totalausfall des gesamten RAID-Verbunds. Das RAID 0 kann daher nicht mit den folgenden Anweisungen repariert werden, sondern muss neu aufgesetzt werden und die hoffentlich vorhandene Datensicherung eingespielt werden.

Ist das defekte Gerät (hier im Beispiel /dev/sdk1) ermittelt, kann die entsprechende Festplatte ausgetauscht werden:

  1. Falls der Kernel das Gerät noch nicht aus dem Verbund entfernt hat (d.h. es wird beim Befehl mdadm --detail noch aufgeführt), muss es zunächst aus dem Verbund entfernt werden:

    sudo mdadm /dev/md2 --remove /dev/sdk1 
  2. Nun kann die entsprechende Platte gewechselt werden. Ist eine entsprechende Austauschplatte eingebaut, muss diese zunächst partitioniert werden. Die neue Partition muss mindestens die gleiche Anzahl an Sektoren aufweisen, wie die bereits genutzten Partitionen. Von einer bestehenden Platte erhält man die Sektorenzahl der Partitionen (hier am Beispiel von /dev/sda) mittels:

    sudo parted /dev/sda u s print  
  3. Ist die neue Platte entsprechend partitioniert, wird die neue Partition zum RAID-Verbund hinzugefügt (hier am Beispielaustausch von /dev/sdk1 in /dev/md2):

    sudo mdadm /dev/md2 --add /dev/sdk1 

Im Hintergrund beginnt nun ein Rebuild, aus den noch vorhandenen Partitionen wird also der Inhalt für die neue Partition berechnet und geschrieben. Je nach RAID-Level und Größe dauert ein Rebuild mehrere Stunden bis Tage. Das System darf währenddessen neu gestartet oder heruntergefahren werden. Ein Systemabsturz kann jedoch zu Datenverlust führen. Manchmal lässt sich der Vorgang beschleunigen.

Hinweis:

Wurden Partitionen einer Platte von verschiedenen RAIDs genutzt, dann kann es vorkommen, dass eine verwendete Festplatte teilweise defekt ist und sich z.B. die Partition von md0 im Status [U_] befindet, während alle anderen im Status [UU] sind. In diesem Fall müssen diese mit dem Befehl:

mdadm /dev/mdX --fail /dev/sdXY 

alle einzeln in den Modus [U_] versetzt werden.

Controller-Fehler

In Einzelfällen kann es vorkommen, dass aufgrund eines defekten Netzteils (oder Controller) ein RAID nicht mehr funktionsfähig ist. In so einem Fall liegt oft kein Schaden an den Festplatten vor und das Problem kann mit der folgenden Vorgehensweise behoben werden:

  1. RAID stoppen:

    sudo mdadm --stop /dev/md0 
  2. Das RAID muss manuell wieder zusammengefügt werden, dabei ist es wichtig, die letzte funktionierende Konfiguration zu verwenden. Bei dem o.g. Beispiel, ein RAID 5 mit 4 Partitionen, bei dem zwei Festplatte wegen Controller-Defekt ausgestiegen sind, müssen die ersten zwei Partitionen verwendet werden, da sie bis zum Ausfall noch zusammen aktiv waren. Nun reaktiviert man das Arrays mit:

    sudo mdadm --assemble /dev/md0 /dev/sde1 /dev/sdf1 --force 

    .

  3. Die weiteren Partitionen können nun mit:

    sudo mdadm --re-add /dev/md0 /dev/sdg1 /dev/sdh1 

    wieder in den Verbund aufgenommen werden.

RAID erweitern

Falls zum Beispiel der Speicherplatz eines RAIDs nicht mehr ausreicht, kann man es durch weitere Festplatten bzw. Partitionen erweitern. Dies gilt allerdings nur für ein RAID 1, 5 oder 6. Das RAID darf während des Vorgangs eingebunden sein. Die neue Partition muss zunächst wie oben beschrieben als Hotspare hinzugefügt werden. Danach kann das RAID um das neue Laufwerk erweitert werden:

  1. Das RAID neu aufbauen, um somit den neuen Speicherplatz nutzen zu können:

    sudo mdadm --grow --raid-devices=5 /dev/md0 --backup-file=/tmp/md0.bak 

    Die Option raid-devices gibt dabei die Anzahl der Geräte an, aus denen das RAID nach der Erweiterung bestehen soll. In der mittels backup-file angegebenen Datei werden kritische Bereiche gesichert (typischerweise einige wenige MiB). Falls das System während der Erweiterung abstürzt, kann die Erweiterung später mittels

    sudo mdadm /dev/md0 --continue --backup-file=/tmp/md0.bak 

    fortgesetzt werden. Die Sicherungsdatei darf nicht auf dem zu erweiternden RAID liegen! Die Verwendung von backup-file ist zwar nicht zwingend notwendig, wird aber dringend empfohlen.

  2. Das Dateisystem muss noch erweitert werden, damit der neu entstandene Speicherplatz genutzt werden kann. Das Dateisystem sollte dabei, wenn möglich, nicht eingehangen sein. Bei ext-Dateisystemen muss außerdem vorher eine Überprüfung durchgeführt werden. Am Beispiel von ext4:

    sudo umount /dev/md0           # Das Dateisystem aushängen
    sudo fsck.ext4 -f /dev/md0     # Die Prüfung erzwingen, selbst wenn vor Kurzem geprüft wurde
    sudo resize2fs /dev/md0        # Das Dateisystem auf Maximalgröße erweitern
    sudo mount /dev/md0            # Das Dateisystem wieder einhängen 
  3. Die mdadm.conf sollte noch auf den aktuellen Stand gebracht werden (evtl. alte Einträge löschen).

  4. Der Status lässt sich wieder jederzeit einsehen.

Begriffe und Details

RAID-Level

Eine Übersicht über die gebräuchlichen und unterstützten RAID-Level. Bei der Angabe des Speicherplatzes im RAID bezeichnet k die Kapazität je Partition und n die Anzahl der verwendeten Partitionen.

Auswahl von RAID-Typen im Überblick
Typ mind. Partitionen Speicher-
platz
Vorteil Bemerkung
0 2 k*n Geschwindigkeit (Lesen & Schreiben), Plattenplatz Keine Partition darf ausfallen, deshalb ein Zweck des RAID nicht erreicht - Reißverschlussverfahren
1 2 k Ausfallsicherheit, Geschwindigkeit (Lesen) Alle bis auf eine Partition dürfen ausfallen - Spiegelung
5 3 k*(n-1) Plattenplatz, Ausfallsicherheit, Geschwindigkeit (Lesen) Eine Partition darf ausfallen - Striping & Parität
6 4 k*(n-2) Plattenplatz, bessere Ausfallsicherheit als RAID 5, Geschwindigkeit (Lesen) Zwei Partitionen dürfen ausfallen - Striping & doppelte Parität
10 4 Sicherheit und gesteigerte Schreib-/Lesegeschwindigkeit. Kombination aus RAID 0 über mehrere RAID 1
RAID unterstützt auch unbenutzte Reservelaufwerke, sog. Hotspares. Dabei werden vorab Partitionen bekannt gegeben, die beim Ausfall eines Laufwerks innerhalb des RAID-Verbundes durch das Reservelaufwerk automatisch ersetzt werden.

RAID-Zustände

Ein RAID kann sich in unterschiedlichen Zuständen befinden, die seinen Status zusammenfassen:

RAID-Zustände im Überblick
Zustand Beschreibung
Clean Bezeichnet den Normalzustand. Es liegt kein Fehler vor und alle Prüf- und Initialisierungsaufgaben sind abgeschlossen.
Degraded Es liegt ein Ausfall vor. Je nach RAID-Level kann dieser durch Austausch einer Festplatte mit einem anschließenden Rebuild behoben werden um das RAID wieder in den Clean-Zustand zu versetzen.
Resync Bei einem Resync werden je nach RAID-Level Sicherungsinformation, z.B. Paritäten, geprüft und ggf. neu erstellt. Ein neu angelegtes RAID befindet sich in der Regel in diesem Zustand. Auch während eines Resync sind die Daten auf dem RAID bereits vor einem Ausfall gesichert. Die volle Lese- und Schreibgeschwindigkeit kann jedoch erst nach Abschluss des Resync erreicht werden.
Rebuild Bei einem Rebuild "erholt" sich das RAID von einem Ausfall. Die verlorenen Daten werden aus den Sicherungsinformationen wiederhergestellt und damit das Austauschlaufwerk gefüllt. Ein weiterer Ausfall eines Laufwerks während eines Rebuilds wird in der Regel zu Datenverlust führen.

Resync und Rebuild können je nach Größe und Art des RAIDs mehrere Stunden bis Tage in Anspruch nehmen. Unter Umständen lassen sich die Vorgänge beschleunigen.

Experten-Info:

Da Rebuilds eine intensive Datenträgernutzung bedeuten, passiert es des Öfteren, das sich die noch funktionierende(n) Platte(n) ebenfalls ausfällt(ausfallen). Bei unternehmenskritischen Daten sollte man bereits beim Kauf der Komponenten auf hohe Qualität achten.

Alignment

Festplatten, RAID-Verbunde und Dateisysteme fassen Daten jeweils für sich in Blöcke zusammen, bevor sie gespeichert werden. Diese Blöcke haben im Allgemeinen alle unterschiedliche Größen. Ein Beispiel für das Lesen einer sehr kleinen Datei:

  1. Das Dateisystem möchte einen einzelnen 4 KiB großen Block lesen

  2. Das RAID muss dafür den oder die 512 KiB großen RAID-Blöcke (bei RAIDS oft Chunks genannt) laden, in denen der Dateisystem-Block abgelegt ist.

  3. Die Festplatten müssen dafür wiederum alle 512 Byte großen Blöcke (hier meist Sektoren genannt) laden, die am entsprechenden RAID-Block beteiligt sind.

Im Idealfall muss also das RAID nur einen 512 KiB Block laden und die Festplatten dafür 1024 Blöcke (512 KiB = 512 B * 1024). Dafür müssen diese geschachtelten Blöcke jedoch aufeinander ausgerichtet sein.

Im schlechtesten Fall könnte ein Dateisystem-Block kurz vor dem Ende eines RAID-Blocks liegen, so dass für einen Dateisystem-Block zwei RAID-Blöcke geladen werden müssen. Analog könnte ein RAID-Block auch 1025 anstatt 1024 Festplatten-Blöcke belegen, falls er mitten in einem Festplatten-Block anfängt.

Das Lesen eines Dateisystem-Blocks würde damit im schlechtesten Fall das Laden von 2050 Festplatten-Blöcken erfordern. Dies führt zu dramatischen Performance-Einbußen schon beim Lesen. Da beim Schreiben oft auch zuerst die vorherigen Daten gelesen werden müssen, sind die Einbußen beim Schreiben noch stärker.

Daher sollte bei der Verwendung von Blockgeräten immer auf das Alignment, also die Ausrichtung der verschiedenen Block-Arten aufeinander, geachtet werden:

Falls noch weitere Schichten zwischen Dateisystem und Festplatte verwendet werden, z.B. bei Verschlüsselung, muss auch bei diesen auf das Alignment geachtet werden.

MDADM

mdadm ist das Administrator-Werkzeug für alle Arbeiten an Software-RAIDs. Durch die Angabe eines Schlüsselwortes wird ein bestimmter Modus eingeleitet, der für die ordnungsgemäße Verarbeitung der weiteren Optionen entscheidend ist. Eine komplette Beschreibung zu Modi und Optionen befindet sich in der Manpage zu mdadm.

mdadm OPTIONEN 

Syntax-Übersicht der Modi
Nr. Syntax Modus Kurzbeschreibung
1 mdadm --assemble MD-DEVICE OPTIONS DEVICES Assemble Assembliert das Array mit den angegebenen Festplatten/Partitionen
1.1 mdadm --assemble --scan MD-DEVICE OPTIONS Assembliert das angegebene Array neu anhand der Superblöcke
1.2 mdadm --assemble --scan OPTIONS Assembliert alle Arrays anhand der Superblöcke auf den Partitionen
2. mdadm --create MD-DEVICE OPTIONS DEVICES Build Anlegen/Definieren eines neues Arrays
3. mdadm --grow MD-DEVICE OPTIONS Grow Vergrößern/Verkleinern eines bestehenden Arrays
4. mdadm --monitor MD-DEVICE OPTIONS DEVICES Monitor Monitoring von einem oder allen md-devices, inkl. Reaktion auf Status-Veränderungen
5. mdadm MD-DEVICE OPTIONS DEVICES Manage Verwaltung eines RAIDs
6. mdadm OPTIONS DEVICES Misc Sonstige Aufgaben
Legende: MD-DEVICES[4] beschreibt die RAID-Arrays und DEVICES die am Array teilnehmenden Festplatten/Partitionen[5]

Optionen

Neben dem einzelnen Modus gibt es eine ganze Reihe von Optionen, die unterschiedliche Funktionen bei den einzelnen Modi haben. Eine komplette Beschreibung zu Modus und Optionen befindet sich in der Manpage zu mdadm.

Auswahl einiger Optionen mit dem zugeordneten Modus, wie er in den Beispielen angewendet wird.
Option Beschreibung gültig bei Modi
--add Hinzufügen weiterer Festplatten/Partitionen 1, 6
--backup-file=... Erzeugt eine Backup-Datei - darf nicht im Array liegen 1, 3
--detail Details zu den Arrays ausgeben 6
--fail Status eines Array verändern 5
--force Erzwinge die Ausführung, auch wenn es unsinnig erscheint 1, 2, 6
--help Ausgabe eines generellen Hilfetextes - hinter eine Option gestellt = spezielle Optionshilfe 1, 2, 3, 4, 5, 6
--level=... Bezeichnet den RAID-Typ 1, 2, 3
--query Überprüfen, ob das angegebene Device ein md-Device ist bzw. zu einem Array gehört(e) 6
--raid-device=... Anzahl der aktiven am Array teilnehmenden Festplatten/Partitionen 1, 2
--remove Festplatten/Partitionen die aus dem Array entnommen werden sollen 5
--stop Stoppen eines Arrays 4, 5, 6
--spare-device=... Anzahl der inaktiven (Ersatz-) Festplatten/Partitionen eines Arrays 2, 3
--test Testen der angegebenen Optionen 5, 6
--uuid=... Die UUID des Arrays 1
--verbose Mehr Ausgabe-Informationen erzeugen - kann 2x gesetzt werden 4, 5, 6
--zero-superblock Löschen des RAID-Superblocks 6

Problembehebung

Bootprobleme

GRUB 2: unknown Filesystem

Falls das System nicht bootet, nachdem man es auf ein RAID 1 kopiert, die /etc/fstab[9] angepasst, die grub.cfg und die mdadm.conf korrekt erscheinen sowie das initramfs aktualisiert wurde, kann es helfen, GRUB 2 wie unter GRUB 2/Reparatur beschrieben erneut zu installieren. Dabei muss auf die Art der Partitionstabelle geachtet werden. Die obige Anleitung nutzt GPT-Partitionstabellen.

RAID startet nicht

mdadm: Cannot open /dev/sdXY: Device or resource busy

Falls beim Erstellen eines RAIDs diese Meldung erscheint und mit den Partitionen bereits einmal ein RAID erstellt wurde, muss zunächst der alte Verbund aufgelöst werden.

Fehler beim Update des Kernels nach Festplattentausch

Grub-Konfigurationsdatei wird generiert …
grub-probe: Warnung: Physischer Datenträger »(null)« konnte nicht gefunden werden. Einige Module könnten im Core-Abbild fehlen..
/usr/sbin/grub-probe: Warnung: Physischer Datenträger »(null)« konnte nicht gefunden werden. Einige Module könnten im Core-Abbild fehlen..

Treten nach dem Tausch einer Festplatte diese Fehler auf muss die Device Map von Grub neu geschrieben werden. Dies geschieht mit:

sudo grub-mkdevicemap 

Geht alles glatt, darf keine Ausgabe erscheinen. Anschließend noch einmal Grub aktualisieren:

sudo grub-update 

Nun sollte der Fehler behoben sein und die Grubkonfiguration sich ohne Fehler aktualisieren.

Komplexe Aufgaben

Dieser Abschnitt fasst komplexere Szenarien und Methoden zusammen, die im normalen Betrieb nicht auftreten, aber für Nutzer mit speziellen Anforderungen nützlich sein können.

Resync und Rebuild beschleunigen

Wie eingangs erläutert ermöglicht ein RAID unterbrechungsfreien Zugriff auf die gespeicherten Daten auch während eines Ausfalls. Daten können also auch während eines Resyncs oder Rebuilds gelesen und geschrieben werden, wenn auch mit verringerter Geschwindigkeit. Lese- und Schreibzugriffe wirken sich umgekehrt wiederum auf die Geschwindigkeit von Resnyc- und Rebuild-Vorgängen aus. Die Balance zwischen Lese-/Schreib-Performance und Resync-/Rebuild-Geschwindigkeit kann über zwei (virtuelle) Dateien im proc-System gesteuert werden:

Pfad Standardwert (in KiB/s) Bedeutung
/proc/sys/dev/raid/speed_limit_min 1000 Das System wird ggf. Lese- und Schreibzugriffen verlangsamen, falls die Resync-/Rebuild-Geschwindigkeit unter diesen Wert zu fallen droht.
/proc/sys/dev/raid/speed_limit_max 200000 Das System wird Rebuild und Resync höchstens mit dieser Geschwindigkeit durchführen und eventuellen Überschuss für Lese-/Schreib-Zugriffe frei halten.

Da der Standard-Maximalwert von knapp 200 MiB/s die Leistung normaler Festplatten (mit Ausnahme von SSDs) übersteigt, wird das System effektiv immer versuchen, Resync und Rebuild so schnell wie möglich zu beenden, falls keine Lese- oder Schreibzugriffe stattfinden. Falls sich Zugriffe nicht vermeiden lassen (zum Beispiel, wenn das root-Dateisystem auf dem RAID liegt) und Rebuild/Resync trotzdem Vorrang haben sollen, kann die Mindestgeschwindigkeit temporär auf einen praktisch nicht erreichbaren Wert angehoben werden:

sudo su -c "echo 200000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min" 

Gerade im Fall des root-Dateisystems kann die damit einhergehende verringerte Lese- und Schreibgeschwindigkeit jedoch zu einem instabilem, effektiv nicht mehr nutzbaren System führen. Änderung an den Standardwerten sind daher mit Vorsicht zu genießen. Bei einem Neustart werden automatisch die Standardwerte wiederhergestellt. Um den Wert per Hand zurückzusetzen:

sudo su -c "echo 1000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min" 

In Einzelfällen kann das Aushängen des Dateisystems (falls möglich) den Vorgang beschleunigen. Im Regelfall wird dies jedoch keinen Vorteil bringen. In jedem Fall widerspricht dies natürlich dem Grundgedanken eines RAIDs, die Daten in jedem Fall verfügbar zu halten:

sudo umount /dev/md0 

Generell sollte man von diesen Möglichkeiten keine Wunder erwarten. Resync und Rebuild erfordern im Allgemeinen das komplette Lesen und Neubeschreiben aller beteiligten Laufwerke und können damit maximal so schnell durchgeführt werden, wie es das langsamste, am RAID beteiligte, Laufwerk erlaubt. Zeiten im Bereich von mehreren Tagen sind bei entsprechender Größe völlig normal.

Wenn man möchte, kann man während der Vorgänge mit watch den Fortschritt kontrollieren:

watch cat /proc/mdstat 

Die Anzeige kann mit Strg + C beendet werden.

Wechsel des Betriebssystems

Für den Fall, dass man das Betriebssystem neu aufsetzen muss oder ein zweites Betriebssystem auf dem Rechner installieren will, kann man das Software-RAID weiter verwenden – sofern das Betriebssystem nicht direkt auf dem Software-RAID angelegt ist. Dazu muss auf dem neuen System das Paket

Wiki/Vorlagen/Installbutton/button.png mit apturl

Paketliste zum Kopieren:

sudo apt-get install mdadm 

sudo aptitude install mdadm 

installiert[2] werden. Spätestens bei einem Neustart sollten bestehenden Arrays automatisch erkannt und gestartet werden. Falls dies nicht funktioniert, weil z.B. Arrays mit alten Superblock-Versionen vorhanden sind, kann man dies auch per Hand aktivieren:

Achtung!

Auf keinen Fall darf man hier die Optionen "--create" verwenden, da sonst die Lesbarkeit auf den beteiligten Partitionen zerstört wird.

Das RAID nutzbar machen:

Soll von dem neuen RAID-Verbund gebootet werden (Root-Dateisystem), dann muss noch der Bootloader installiert und das initramfs aktualisiert werden.

Live System

Um auf einen RAID-Verbund mittels einer Live-CD bzw. eines Live-USB zuzugreifen, muss das Programmpaket mdadm mit

sudo apt-get install  --no-install-recommends mdadm 

installiert werden. Die Option --no-install-recommends verhindert dabei die Installation des Mail-Server Postfix. Anschließend werden mit:

sudo mdadm --assemble --scan 

alle gefundenen RAID-Verbunde aktiviert. Mit dem Befehl:

cat /proc/mdstat 

kann man dann wieder die gefundenen RAID-Verbunde anzeigen. Nun wird das RAID noch mit:

mkdir /media/raid
mount /dev/md0 /media/raid 

in den Verzeichnisbaum integriert. Jetzt kann man die Daten im Verzeichnis /media/raid lesen (bei Bedarf auch verändern), sowie auf eine externe Festplatte oder in ein Netzwerkverzeichnis kopieren.

Wenn man auf defekte/fehlende Festplatten zugreifen muss, dann schlägt ein --assemble --scan fehl und die Partitionen müssen einzeln assemblieren werden. Dazu wird z.B. sda1 als Quelle angegeben (bei RAID 0 nicht möglich):

sudo mdadm --assemble --run /dev/md0 /dev/sda1 

Dabei bewirkt das --run, dass der Verbund aktiviert wird. Nach dem Einhängen in den Verzeichnisbaum sollte man auf die Daten zugreifen können.

Weitere Möglichkeiten, z.B. bei der Reparatur des RAID, bieten die Root-Directory-, die Chroot- oder die Setup-Methode.

Kombinierte RAIDs

Wem die oben genannten Möglichkeiten nicht ausreichen, kann auch nach eigenen Anforderungen verschiedenen RAID-Arten kombinieren. So ist es zum Beispiele möglich, zwei RAID 5 zu spiegeln, also als RAID 1 zu betreiben:

  1. Aus sde1, sdf1 und sdg1 wird ein RAID 5 erstellt

  2. Aus sdh1, sdj1 und sdk1 wird ebenfalls ein RAID 5 erstellt

  3. Aus den beiden RAID 5 wird dann ein RAID 1 erstellt:

    sudo mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sde1 /dev/sdf1 /def/sdg1
    sudo mdadm --create --verbose /dev/md1 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sdh1 /dev/sdj1 /dev/sdk1 
    sudo mdadm --create --verbose /dev/md2 --level=1 --raid-devices=2 /dev/md0 /dev/md1  

Ein solcher Verbund würde als RAID 51 bezeichnet werden, also ein RAID 1 über mehrere RAID 5. Im Allgemeinen sind solche exotischen Kombinationen zwar selten sinnvoll (je komplexer, desto fehleranfälliger sind Wartung und Reparatur), aber prinzipiell sind beliebige Kombinationen möglich. Eine sinnvolle Kombination, ein RAID 0 über mehrere RAID 1, also ein RAID 10, wird direkt von mdadm als RAID-Level unterstützt und muss nicht wie hier beschrieben per Hand angelegt werden.

Alternativ verwendet man auch gerne mehrere RAIDs in Zusammenarbeit mit LVM, da dieses einen sehr flexiblen Umgang mit RAID-Verbünden ermöglicht. Zudem sind dadurch auch sehr große Dateisysteme mit etlichen Terabytes und sogar Petabytes realisierbar.

RAID auflösen

Um den Verbund eines RAID aufzulösen, d.h. die Ressourcen wieder freizugeben, geht man wie folgt vor:

  1. Stoppen des RAID-Verbundes:

    sudo umount /dev/md0
    sudo mdadm --stop /dev/md0 
  2. In der /etc/fstab die aufgelösten RAIDs entfernen.

  3. Mit einem Editor in der mdadm.conf die Array-Angaben löschen.

  4. Den Superblock der entfernten Partitionen löschen, hier am Beispiel von sde1 und sdf1:

    sudo mdadm --zero-superblock /dev/sde1 /dev/sdf1 
  5. Die Partitions-ID wieder auf normale Linux-ID ändern (bei MBR) beziehungsweise das RAID-Flag der Partition ausschalten (bei GPT).

Auf die vorhandenen Daten kann anschließend nicht mehr zugegriffen werden. Die Partitionen auf den Festplatten sind aber immernoch vorhanden, solange diese nicht überschrieben werden.

Bootloader

Betreibt man einen RAID-Verbund als Systemlaufwerk, ist es praktisch, wenn das System auch noch nach Ausfall einer Festplatte hochfahren kann. Das wird z.B. bei ferngewarteten Rechnern benötigt, auf die man keinen direkten Zugriff hat. Da sich der Bootloader GRUB 2 in der Standardkonfiguration nur auf einem der Laufwerke installiert, muss man etwas nachhelfen. Dazu installiert man den Bootloader auf allen dem RAID-Verbund angehörenden Laufwerken.

Damit die Boot-Partitionen durch die initrd auch einwandfrei gemountet werden, sollte nach Änderung die mdadm.conf und initrd aktualisiert werden.

USB und RAID

RAID 0 (stripping) ist denkbar ungeeignet für ein USB-RAID, da bei diesem das Entfernen einer Platte direkt zum Defekt des RAID-Verbunds führt. Mit RAID 5 und 6 kann es kritisch werden, es sollte aber funktionieren, auch wenn davon stark abzuraten ist. RAID 1 (mirror) mit mehreren Partitionen auf verschiedenen USB-Festplatten ist prinzipiell kein Problem, auch wenn davon im Allgemeinen abzuraten ist (siehe RAID und Backup). Wer trotzdem sicher ist, dass in Spezialfällen ein RAID mit USB-Geräten sinnvoll ist, sollte noch folgendes beachten:

Raid 1 zu Raid 0 konvertieren

Ausgangssituation:

/dev/md0 ist ein Raid 1 aus /dev/sda1 und /dev/sdb1

Ziel:

/dev/md0 ist ein Raid 0 aus beiden Partitionen

mdadm --grow /dev/md0 -l 0 

mdadm: level of /dev/md0 changed to raid0

/dev/sda1 wurde aus dem Raid 1 entfernt

mdadm --zero-superblock /dev/sda1
mdadm --grow /dev/md0 --level=4 --raid-devices=2 --add /dev/sda1 --backup-file=/root/raid.bak 

mdadm: level of /dev/md0 changed to raid4
mdadm: added /dev/sda1
mdadm: Need to backup 128K of critical section..
mdadm: /dev/md0: could not set level to raid0

/dev/md0 ist jetzt ein Raid 4 das gesynced wird. Raid 4 ist hier ein notwendiger Zwischenschritt. Synchronisation abwarten...

Dann Raid 4 zu Raid 0 konvertieren

mdadm --grow /dev/md0 --level=0 --raid-devices=2 --backup-file=/root/raid.bak 

Wieder das Reshaping abwarten...

watch mdadm -D /dev/md0 

Fertig ist das Raid 0.