Linux操作系统存储子系统核心技术之硬盘与RAID _Linux

【Linux操作系统存储子系统核心技术之硬盘与RAID】linux操作系统的存储子系统应该是Linux中最为复杂的子系统了。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，后面再写一篇关于LVM与文件系统的内容。
硬盘在Linux的存储子系统中，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。

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图1 Linux中的块设备
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。在内核中任何磁盘块设备都是通过调用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。

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图2 最简单的块设备驱动
这里面有2个函数，也就是alloc_disk和add_disk 。前一个函数是分配一个通用块的结构体，后者则是将该块设备添加到内核，也就是在/dev目录下生成一个“文件” 。以上述代码为例，执行后会生成如下块设备。
brw-rw---- 1 root disk 251, 0 Jun 16 09:13 /dev/sbulla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。
所有块设备都要初始化这个队列，并且提供一个请求处理函数。不同的块设备的请求处理函数略有不同。比如常见的SCSI块设备，其处理函数初始化过程如下：
q = __scsi_alloc_queue(sdev->host, scsi_request_fn);而nbd（网络块设备，通过网络的方式将服务端的文件映射为客户端的块设备）设备的初始化队列的代码如下所示：
disk->queue = blk_init_queue(do_nbd_request, &nbd_lock);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。
在Linux操作系统层面，其实就是将物理磁盘通过软件抽象为逻辑磁盘。以RAID1（两块磁盘存储相同的数据，在出现一块磁盘故障的情况下，数据不丢失）为例，通过Linux内核中的软件创建一个虚拟的块设备，而该块设备中记录了底层对应的物理设备及相关参数。