RAID und Backup¶

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

• Das Entfernen der externen Festplatte führt immer dazu, dass sich das RAID im Fehlerzustand (degraded) befindet. Beim Neuanschluss muss die interne Festplatte jedesmal komplett gelesen werden, um die externe Platte neu zu synchronisieren.

• Ein RAID schützt ausschließlich vor Datenverlust durch Plattenausfall. Datenverlust, der durch Fehler des Betriebssystem, des Dateisystems oder durch die benutzen Programmen entsteht, wird automatisch auf alle Laufwerke synchronisiert, so dass das vermeintliche Backup automatisch mit fehlerhaften Daten überschrieben wird.

IDE/SATA¶

Bei IDE-ATA-Festplatten^[4] 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.

Generell sollte man bei RAIDs moderne SATA-Festplatten^[4] verwenden, da der Datendurchsatz bei diesen zum Teil erheblich höher ist als bei älteren IDE-Platten. Zudem sind SATA-Platten "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.

Partitionierung¶

Zunächst müssen die Bezeichnungen der zu verwenden Festplatten bekannt sein^[5]. Auf jeder Festplatte wird eine Partition erstellt, die (fast) den gesamten Platz der Platte einnimmt. Im Beispiel wird das Laufwerk sde vorbereitet. Die Schritte müssen für jedes Laufwerk, das am RAID teilnehmen soll, mit den entsprechenden Bezeichnungen vom eigenen System wiederholt werden:

Eine neue, leere Partitionstabelle auf dem Laufwerk erstellen:

sudo parted /dev/sde mklabel gpt 

Eine einzelne Partition erstellen:

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

Die neue Partition als RAID-Partition markieren:

sudo parted /dev/sde set 1 raid on 

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:

• --create /dev/md0 - Erzeuge ein neues Verbundgerät unter der Bezeichnung md0. Falls bereits Verbundgeräte vorhanden sind muss ein anderer, freier Bezeichner gewählt werden (md1,md2, etc.).

• --auto md - Erzeuge ein "klassisches" Verbundgerät ohne Vor-Partitionierung (diese können bei Bedarf ab Kernelversion 2.6.28 trotzdem partitioniert werden).

• --level= - Die Art RAID-Verbundes. RAID 1 im ersten Beispiel, im zweiten RAID 5. Eine Übersicht über die möglichen RAID-Level gibt Tabelle RAID-Level

• --raid-devices - Die Anzahl der Einzelgeräte, aus denen das RAID bestehen soll.

• /dev/sde1 /dev/sde2 ... - Die einzelnen Geräte, die zusammengefasst werden sollen. Die Reihenfolge der Bezeichner, bzw. idealerweise die der entsprechenden physischen Geräte sollte man sich aufschreiben, falls im Notfall das RAID von Hand neu zusammengesetzt werden muss.

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 ermittlen:

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. Alternativ können die Parameter auch von Hand ermittelt werden:

• block-size Die Größe der Dateisystemblöcke in Bytes. Heutzutage werden fasst ausschließlich 4096 Byte (4 KiB) Blöcke verwendet.

• stride-size Die Chunk Size umgerechnet in Dateisystemblöcke. Bei 512 KiB Chunk Size mit 4 KiB Blöcken ergibt sich (512 / 4) = 128.

• stripe-width Die Größe eines Datenstreifens, also die Menge an Blöcken, die geschrieben wird, wenn ein voller Chunk auf jedes Laufwerk geschrieben wird. Diese berechnet sich aus (stride-size * Anzahl der effektiv nutzbaren Partitionen). Bei einem RAID 5 über 4 Partitionen ergibt sich beispielsweise (128 * 3) = 384. Details zur Anzahl der effektiv nutzbaren Partitionen finden sich im Abschnitt RAID-Level.

Sind die Parameter ermittelt wird das Dateisystem erstellt:

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

mount /dev/md0 /media/daten 

/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" 

Um bei Ausfällen per E-Mail benachrichtigt zu werden muss in der 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 Sattelitensystem.

Über die Konfigurationsdatei können sehr viele Details der RAIDs angepasst werden, näheres liefert die [Manpage] von mdadm.conf. Generell gilt bei neu aufgesetzten RAIDs allerdings: Je weniger, desto besser. In den neueren Superblock-Formaten (neuer als 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 einer USB-Festplatte 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 

RAID überwachen¶

Eine Kurzzusammenfassung für alle RAIDs erhält man mittels

cat /proc/mdstat 

Eine Beispielausgabe eines Systems mit mehreren RAID-Verbunden 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 Paritionen angezeigt, wobei ein U bedeutet, dass das jeweilige Gerät in Ordnung 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 RAID 5:

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

Festplattenausfall¶

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>

sudo mdadm --detail /dev/md2 

Controller-Fehler¶

In Einzelfällen kann es vorkommen, dass aufgrund eines defekten Controllers oder Netzteils ein RAID nicht mehr funktionsfähig ist. In so einem Fall liegt oft kein Schaden an den Festplatten vor und 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 reaktviert 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, 4, 5 oder 6. Das RAID darf während des Vorgangs eingebunden sein. Die Platte muss zunächst wie oben beschrieben als Hostspare hinzugefügt werden. Danach kann das RAID auf dieses 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 (Typischerweise einige wenige MiB) gesichert. 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, ist aber stark anzuraten.

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 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.

Bootprobleme¶

GRUB 2: unknown Filesystem:
Falls das System nicht bootet, nachdem man es auf ein RAID 1 kopiert hat, obwohl 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 (Abschnitt „Root-Directory-Methode“) beschrieben erneut zu installieren. Dabei muss auf die Art der Partitionstabelle geachtet werden. Die obige Anleitung nutzt GPT-Partitionstabellen.

RAID startet nicht¶

Falls beim Erstellen eines RAIDs die Meldung

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

erscheint und mit den Partitionen bereits einmal ein RAID erstellt wurde, muss zunächst der alte Verbund aufgelöst 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

• mdadm

Befehl zum Installieren der Pakete:

sudo apt-get install mdadm 

Oder mit apturl installieren, Link: apt://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:

Das RAID nutzbar machen:

• RAID aus den gefundenen Superblöcken neu assemblieren

  sudo mdadm --assemble --scan 

• Hat man mehrere Software-RAIDs und möchte ein bestimmtes RAID zusammenführen, kann man dies durch die Angabe der UUID des entsprechenden RAIDs tun:

  sudo mdadm --assemble --scan --uuid=6c926c35:380d7ab2:3603cf0e:ecfa67b9 

  oder durch die Angabe der einzelnen Partitionen

  sudo mdadm --assemble /dev/md0 /dev/sde1 /dev/sdf1 /dev/sdg1 

  .

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 (--no-install-recommends verhindert dabei das mitinstallieren des Mail-Server Postfix). Anschließend werden mit

sudo mdadm --assemble --scan 

alle gefundenen RAID-Verbunde aktiviert. Mit einem

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. die sda1 als Quelle angegeben (setzt RAID-1, -5 oder -6 voraus):

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, der 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 & sdg1 wird ein RAID 5 erstellt

2. Aus sdh1, sdj1 & 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, aber prinzipiell sind beliebige Kombinationen möglich. Eine sinnvolle Kombination ist ein RAID 0 über mehrere RAID 1, also ein RAID 10. Dies wird jedoch von mdadm direkt als RAID-Level unterstützt und muss nicht wir hier beschrieben per Hand angelegt werden.

Alternativ verwendet man auch gerne mehrere RAIDs in Zusammenarbeit mit LVM, da dieses einen sehr flexiblen Umgang mit den RAIDs 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 Resourcen 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^[9] 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:

   Fehlende Vorlage

   Das gewünschte Template „Wiki/Vorlagen/befehle“ existiert nicht.

5. Die Partitions-ID wieder auf normale Linux-ID ändern (bei MBR), beziehungsweise das RAID Flag der Partition ausschalten (bei GPT).

Die Daten sind damit nicht mehr zugreifbar. Die Partitionen auf den Festplatten sind damit 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.

USB und RAID¶

RAID-0 (stripping) denkbar ungeeignet für ein USB-RAID ist, 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 stark davon abzuraten ist. RAID 1 (Spiegel) 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 seinem Fall ein RAID mit USB-Geräten sinnvoll ist sollte noch folgendes beachten:

Bei USB-Festplatten muss man unterbinden, dass ein Benutzer versucht, diese einzuhängen bzw. dass das System dies am Anfang nicht selbst probiert. Da alle am RAID beteiligten Partitionen die gleiche UUID haben sollten, kann man die /etc/fstab^[9] auf diese abstellen und um die Parameter "nouser" und "noauto" erweitern.

RAID-Level¶

#raidtab Die Angabe des Speicherplatzes im RAID: k = Kapazität je Partition; n = Anzahl der verwendeten Partitionen.

Alignment¶

MDADM¶

Durch die Angabe eines Schlüsselwortes wird ein bestimmter Modus eingeleitet, der für die ordnungsgemäße Verarbeitung der weiteren Optionen entscheidend ist. Eine komplette Beschreibung zu Modus und Optionen befindet sich in der Manpage zu mdadm.

mdadm OPTIONEN