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如何使用 mdadm + luks + lvm 提高 RAID 5 的速度

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如何使用 mdadm + luks + lvm 提高 RAID 5 的速度

我觉得我对当前的服务器设置有点迷茫。它是 HP Proliant dl160 gen 6，我安装了 4 个旋转磁盘，其设置有 mdmadm + luks + lvm，并在其上安装了 btrfs（也许我做得太过了？），它的 IO 速度真的很差，读取速度约为 50MB/s，写入速度约为 2MB/s，我感觉我搞砸了一些东西。

我注意到的一件事是，我在块设备（sbd）上设置了 mdadm，而不是在分区（sdb1）上设置，这会影响什么吗？

fio --name=randwrite --rw=randwrite --direct=1 --bs=16k --numjobs=128 --size=200M --runtime=60 --group_reporting这里可以看到当机器上几乎没有使用fio时的输出。

randwrite: (groupid=0, jobs=128): err= 0: pid=54290: Tue Oct 26 16:21:50 2021
  write: IOPS=137, BW=2193KiB/s (2246kB/s)(131MiB/61080msec); 0 zone resets
    clat (msec): min=180, max=2784, avg=924.48, stdev=318.02
     lat (msec): min=180, max=2784, avg=924.48, stdev=318.02
    clat percentiles (msec):
     |  1.00th=[  405],  5.00th=[  542], 10.00th=[  600], 20.00th=[  693],
     | 30.00th=[  760], 40.00th=[  818], 50.00th=[  860], 60.00th=[  927],
     | 70.00th=[ 1011], 80.00th=[ 1133], 90.00th=[ 1267], 95.00th=[ 1452],
     | 99.00th=[ 2165], 99.50th=[ 2232], 99.90th=[ 2635], 99.95th=[ 2769],
     | 99.99th=[ 2769]
   bw (  KiB/s): min= 3972, max= 4735, per=100.00%, avg=4097.79, stdev= 1.58, samples=8224
   iops        : min=  132, max=  295, avg=248.40, stdev= 0.26, samples=8224
  lat (msec)   : 250=0.04%, 500=2.82%, 750=25.96%, 1000=40.58%, 2000=28.67%
  lat (msec)   : >=2000=1.95%
  cpu          : usr=0.00%, sys=0.01%, ctx=18166, majf=0, minf=1412
  IO depths    : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
     submit    : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     complete  : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     issued rwts: total=0,8372,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
     latency   : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1

Run status group 0 (all jobs):
  WRITE: bw=2193KiB/s (2246kB/s), 2193KiB/s-2193KiB/s (2246kB/s-2246kB/s), io=131MiB (137MB), run=61080-61080msec

使用 dd 更新 1 次顺序写入

root@hp-proliant-dl160-g6-1:~# dd if=/dev/zero of=disk-test oflag=direct bs=512k count=100
100+0 records in 100+0 records out 52428800 bytes (52 MB, 50 MiB) copied, 5.81511 s, 9.0 MB/s

内核：5.4.0-89-generic

操作系统：Ubuntu 20.04.3

mdadm：4.1-5ubuntu1.2

lvm2：2.03.07-1ubuntu1

blkid 输出

/dev/mapper/dm_crypt-0: UUID="r7TBdk-1GZ4-zbUh-007u-BfuP-dtis-bTllYi" TYPE="LVM2_member"
/dev/sda2: UUID="64528d97-f05c-4f34-a238-f7b844b3bb58" UUID_SUB="263ae70e-d2b8-4dfe-bc6b-bbc2251a9f32" TYPE="btrfs" PARTUUID="494be592-3dad-4600-b954-e2912e410b8b"
/dev/sdb: UUID="478e8132-7783-1fb1-936a-358d06dbd871" UUID_SUB="4aeb4804-6380-5421-6aea-d090e6aea8a0" LABEL="ubuntu-server:0" TYPE="linux_raid_member"
/dev/sdc: UUID="478e8132-7783-1fb1-936a-358d06dbd871" UUID_SUB="9d5a4ddd-bb9e-bb40-9b21-90f4151a5875" LABEL="ubuntu-server:0" TYPE="linux_raid_member"
/dev/sdd: UUID="478e8132-7783-1fb1-936a-358d06dbd871" UUID_SUB="f08b5e6d-f971-c622-cd37-50af8ff4b308" LABEL="ubuntu-server:0" TYPE="linux_raid_member"
/dev/sde: UUID="478e8132-7783-1fb1-936a-358d06dbd871" UUID_SUB="362025d4-a4d2-8727-6853-e503c540c4f7" LABEL="ubuntu-server:0" TYPE="linux_raid_member"
/dev/md0: UUID="a5b5bf95-1ff1-47f9-b3f6-059356e3af41" TYPE="crypto_LUKS"
/dev/mapper/vg0-lv--0: UUID="6db4e233-5d97-46d2-ac11-1ce6c72f5352" TYPE="swap"
/dev/mapper/vg0-lv--1: UUID="4e1a5131-cb91-48c4-8266-5b165d9f5071" UUID_SUB="e5fc407e-57c2-43eb-9b66-b00207ea6d91" TYPE="btrfs"
/dev/loop0: TYPE="squashfs"
/dev/loop1: TYPE="squashfs"
/dev/loop2: TYPE="squashfs"
/dev/loop3: TYPE="squashfs"
/dev/loop4: TYPE="squashfs"
/dev/loop5: TYPE="squashfs"
/dev/loop6: TYPE="squashfs"
/dev/loop7: TYPE="squashfs"
/dev/loop8: TYPE="squashfs"
/dev/loop9: TYPE="squashfs"
/dev/loop10: TYPE="squashfs"
/dev/sda1: PARTUUID="fa30c3f5-6952-45f0-b844-9bfb46fa0224"

猫/proc/mdstat

Personalities : [raid6] [raid5] [raid4] [linear] [multipath] [raid0] [raid1] [raid10]
md0 : active raid5 sdb[0] sdc[1] sdd[2] sde[4]
      5860147200 blocks super 1.2 level 5, 512k chunk, algorithm 2 [4/4] [UUUU]
      bitmap: 2/15 pages [8KB], 65536KB chunk

unused devices: <none>

lshw -c 磁盘

  *-disk
       description: SCSI Disk
       product: DT 101 G2
       vendor: Kingston
       physical id: 0.0.0
       bus info: scsi@0:0.0.0
       logical name: /dev/sda
       version: 1.00
       serial: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
       size: 7643MiB (8015MB)
       capabilities: removable
       configuration: ansiversion=4 logicalsectorsize=512 sectorsize=512
     *-medium
          physical id: 0
          logical name: /dev/sda
          size: 7643MiB (8015MB)
          capabilities: gpt-1.00 partitioned partitioned:gpt
          configuration: guid=6c166e3e-27c9-4edf-9b0d-e21892cbce41
  *-disk
       description: ATA Disk
       product: ST2000DM008-2FR1
       physical id: 0.0.0
       bus info: scsi@1:0.0.0
       logical name: /dev/sdb
       version: 0001
       serial: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
       size: 1863GiB (2TB)
       capabilities: removable
       configuration: ansiversion=5 logicalsectorsize=512 sectorsize=4096
     *-medium
          physical id: 0
          logical name: /dev/sdb
          size: 1863GiB (2TB)
  *-disk
       description: ATA Disk
       product: ST2000DM008-2FR1
       physical id: 0.0.0
       bus info: scsi@2:0.0.0
       logical name: /dev/sdc
       version: 0001
       serial: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
       size: 1863GiB (2TB)
       capabilities: removable
       configuration: ansiversion=5 logicalsectorsize=512 sectorsize=4096
     *-medium
          physical id: 0
          logical name: /dev/sdc
          size: 1863GiB (2TB)
  *-disk
       description: ATA Disk
       product: WDC WD20EZBX-00A
       vendor: Western Digital
       physical id: 0.0.0
       bus info: scsi@3:0.0.0
       logical name: /dev/sdd
       version: 1A01
       serial: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
       size: 1863GiB (2TB)
       capabilities: removable
       configuration: ansiversion=5 logicalsectorsize=512 sectorsize=4096
     *-medium
          physical id: 0
          logical name: /dev/sdd
          size: 1863GiB (2TB)
  *-disk
       description: ATA Disk
       product: WDC WD20EZBX-00A
       vendor: Western Digital
       physical id: 0.0.0
       bus info: scsi@4:0.0.0
       logical name: /dev/sde
       version: 1A01
       serial: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
       size: 1863GiB (2TB)
       capabilities: removable
       configuration: ansiversion=5 logicalsectorsize=512 sectorsize=4096
     *-medium
          physical id: 0
          logical name: /dev/sde
          size: 1863GiB (2TB)

您是否发现设置中可能存在任何错误？您认为添加带有 PCI 卡的 nvme 并将其用于缓存会有帮助吗？

答案1

糟糕的录制表现源于不同的因素：

  • 机械磁盘在随机读写 IO 方面表现非常糟糕。要发现多么糟糕可以，只需附加--sync=1到你的fio命令即可（简而言之：它们是难以置信糟糕，至少与适当的 BBU RAID 控制器或断电保护 SSD 相比）；

  • 由于条带读取/修改/写入，RAID5 具有固有的写入损失。此外，强烈建议避免出于安全原因，请勿将其安装在多 TB 机械磁盘上​​。如果有 4 个磁盘，请认真考虑使用 RAID10；

  • LUKS 提供基于软件的全盘加密，不可避免地会对读取和写入造成（重大）损失；

  • 使用 BTRFS，LVM 完全没有必要。虽然基于 LVM 的胖卷本身不会以任何有意义的方式损害性能，但您仍然会插入另一个 IO 层并面临（更多）对齐问题；

  • 最后，BTRFS 本身并不是特别快。尤其是你的慢速顺序读取可以追溯到 BTRFS 可怕的碎片（因为它是 CoW和强制执行 4K 粒度 - 作为比较，为了从 ZFS 获得良好的性能，在使用机械磁盘时通常应该选择 64K-128K 记录）。

为了进行基准性能比较，我强烈建议重新执行 IO 堆栈，测量每一步的随机和顺序读/写速度。换句话说：

  • 创建 RAID10 阵列并dd在fio原始阵列（没有文件系统）上运行；

  • 如果确实需要全盘加密，请使用 LUKS 创建加密设备并在原始加密设备上重新运行dd+ fio（同样，没有文件系统）。与之前的结果进行比较，以了解其对性能的影响；

  • 尝试两个都XFS 和 BTRFS（运行常规dd+fio快速基准）以了解两种不同的文件系统的行为方式。如果 BTRFS 太慢，请尝试将其替换为叶酸和 XFS（但请记住，在这种情况下，您将丢失用户数据校验和，因此您还需要另一层 -完整性- 本身会造成显著的性能损失）。

如果这一切看起来一团糟，好吧，事实确实如此。通过执行上述所有操作，您只是在刮擦存储性能：必须考虑实际的应用程序行为（而不是完全连续dd或纯随机的fio结果）、缓存命中率、IO 模式对齐等。但是嘿 -很少比没有什么，所以让我们从一些基础的东西开始。

答案2

这是一个老问题，但我遇到了同样的问题并找到了正确的答案这里。希望这能帮助到其他人。

总而言之，您需要增加stripe_cache_size。这可以通过以下方式完成：

echo 16384 > /sys/block/md0/md/stripe_cache_size

确保指向正确的 mdadm 卷。您可以尝试上面链接的答案中讨论的各种值，我使用这个获得了最好的结果。

答案3

简而言之：我认为你的问题可能是你的基准测试使用的是随机写入比 RAID 块大小小得多。

您在使用系统时是否注意到了性能问题？或者，只是基准测试结果看起来很糟糕？对于具有大 512K 块的 RAID 5，16K 随机写入基准测试接近最坏情况。

RAID 5 有一个必须与数据一起更新的奇偶校验块。如果您有一个连续的工作负载，内核可以将其分解为 512K 写入，那么您只需计算新的奇偶校验信息，然后写出数据块和奇偶校验块。一次写入相当于两次写出。

但是，对于比块大小小得多的 16K 写入，您必须先读取旧数据和旧奇偶校验，然后计算新奇偶校验信息，然后写出新数据和奇偶校验。这就是读-读-写-写。一次写入相当于四次 I/O。对于随机写入，即使是世界上最好的 RAID 控制器也无法预测要缓存哪些块。

如果您使用数组来存储大型文件，那么您很幸运：您只是使用了错误的基准来评估其性能。如果您在基准中randwrite简单地更改write为按顺序写入，那么它应该会变得更好！

但是，如果您的工作负载确实由更多随机、小写入组成，那么您将不得不对阵列进行一些更改。4 磁盘 RAID 10 更适合您。但这仍然是旋转介质。它不会震撼您的世界。我猜想 RAID 10 的性能应该是您现在的 2 倍到 3 倍，大约 275 到 400 IOPS，也许在该基准上为 4MiB/s 到 6MiB/s？

至于使用 SSD 进行缓存，也许使用 bcache 之类的东西，您就可以消除冗余。考虑使用两个 SSD 的 RAID 1 进行缓存？考虑到这些驱动器的速度，您肯定不需要 NVMe。SATA 就足够了。

（顺便说一句，不要担心分区与原始设备。这没什么区别。就我个人而言，我不使用分区。）

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