通过替换 ZFS 镜像池中的磁盘来扩容

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通过替换 ZFS 镜像池中的磁盘来扩容

原文链接：

上次更新于 2023 年 07 月 16 日发布于 2023 年 06 月 24 日

ZFS 镜像池的磁盘更换与容量扩展

开始

自家服务器的硬盘使用量即将超过 80%^ 1^，再加上使用已经超过了 10 年，因此判断还是该更换硬盘了。于是我购买了新的硬盘并进行了更换。本文记录了实际进行硬盘更换的过程。

尽管本文作者的服务器操作系统是 FreeBSD，但是即使在 Linux 上使用 ZFS 的情况下，ZFS 相关操作也是类似的（作者也在 Linux 上使用 ZFS）。

服务器存储配置

目标服务器的操作系统是 FreeBSD，作为系统存储有一台 256GB 的 SSD，作为数据存储有两台 2TB 的硬盘，全部使用 ZFS 配置。为了数据保护，两台硬盘配置为 ZFS 镜像，因此尽管有两台硬盘，但容量上等同于一台。本次将两台 2TB 的硬盘更换为各自 6TB 的硬盘。

更換操作前的檢查

在實際進行更換操作之前，請確認當前狀況。使用 zpool list 來確認硬碟的使用量等信息如下所示。

$ zpool list
NAME    SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP  HEALTH  ALTROOT
zroot   228G  16.8G   211G        -         -    12%     7%  1.00x  ONLINE  -
zvol0  1.81T  1.49T   333G        -         -     5%    82%  1.00x  ONLINE  -
$

zroot 是用於系統的 SSD。而 zvol0 是此次更換的硬碟目標，可以看到 ZFS 鏡像配置的使用量達到了 82%。

配置的详细信息可以在 zpool list -v 和 zpool status 中查看。

$ zpool list -v zvol0
NAME             SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  
zvol0           1.81T  1.49T   333G        -         -     5%    82%  1.00x    ONLINE  -
  mirror-0      1.81T  1.49T   333G        -         -     5%  82.1%      -    ONLINE
    gpt/ndisk2      -      -      -        -         -      -      -      -    ONLINE
    gpt/ndisk1      -      -      -        -         -      -      -      -    ONLINE
$

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: ONLINE
  scan: scrub repaired 0B in 05:36:58 with 0 errors on Tue Jan 17 08:40:57 2023
config:

        NAME            STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0           ONLINE       0     0     0
          mirror-0      ONLINE       0     0     0
            gpt/ndisk2  ONLINE       0     0     0
            gpt/ndisk1  ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors
$

从这些信息我们可以看出，ndisk1 和 ndisk2 的磁盘分区已经设置成了镜像。实际上，这 3 个存储设备分别是 ada0（固态硬盘）、ada1（硬盘）、ada2（硬盘），硬盘分区的配置如下。

$ gpart show ada1 ada2
=>        40  3907029088  ada1  GPT  (1.8T)
          40  3907029088     1  freebsd-zfs  (1.8T)

=>        40  3907029088  ada2  GPT  (1.8T)
          40  3907029088     1  freebsd-zfs  (1.8T)

$ gpart show -l ada1 ada2
=>        40  3907029088  ada1  GPT  (1.8T)
          40  3907029088     1  ndisk1  (1.8T)

=>        40  3907029088  ada2  GPT  (1.8T)
          40  3907029088     1  ndisk2  (1.8T)

$

可以看出 ada1 和 ada2 都是采用 GPT 格式，ada1 的用于 ZFS 的分区命名为 ndisk1，ada2 的分区则命名为 ndisk2。

使用镜像配置更换硬盘的步骤

不仅限于 ZFS，对于镜像（RAID 1）配置的两个硬盘都需要更换的步骤，大概有以下两种方法。

使用新硬盘准备镜像，然后从现有镜像复制数据，复制完成后再进行更换。或者先更换再从原始硬盘复制数据。
更换一侧硬盘，使用镜像功能同步数据，完成后再更换另一侧硬盘重新同步数据

使用前一种方法，数据复制只需一次，但同时需要连接 3 台或 4 台硬盘，还需要考虑 SATA 接口数量等。在这种情况下，虽然硬盘可以使用 USB 连接，但由于 USB 2.0 传输速度慢，复制所需时间较长，因此最好使用 USB 3.0。

作者选择了后一种逐一更换的方法。这种方法在更换硬盘时可能会有些影响，但即使在同步期间（性能会有所降低），也能像平常一样继续使用服务器，这是其优点。

硬盘更换和数据同步

注意：在 ZFS 镜像中更换驱动器时

在更换 ZFS 镜像中的驱动器时，请注意在执行任何操作（如 zpool detach zvol0 gpt/ndisk2 ）之前最好不要从 ZFS 池中移除 ndisk2。因为一旦使用 zpool detach 命令将 ndisk2 从池中移除，ndisk2 中的数据将被视为已清除。如果在数据同步到新硬盘时发生 ndisk1 读取错误，并且需要用 ndisk2 重新进行同步，那么一旦 ndisk2 被移除，就无法再次使用它进行同步了。如果只是关闭电源并移除 ndisk2，那么 ndisk2 中的数据将保持与 ndisk1 相同，这样即使发生意外，也可以使用 ndisk2 进行重新同步。

更换第一台硬盘

首先更换第一台硬盘，将包含 ndisk2 分区的硬盘取出进行更换。关闭服务器并切断电源，取下旧硬盘，连接新硬盘后通电。

启动后确认 zvol0 的状态。

$ zpool list
NAME    SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  ALTROOT
zroot   228G  16.8G   211G        -         -    12%     7%  1.00x    ONLINE  -
zvol0  1.81T  1.49T   333G        -         -     5%    82%  1.00x  DEGRADED  -
$

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: DEGRADED
status: One or more devices could not be opened.  Sufficient replicas exist for
        the pool to continue functioning in a degraded state.
action: Attach the missing device and online it using 'zpool online'.
   see: https://openzfs.github.io/openzfs-docs/msg/ZFS-8000-2Q
  scan: scrub repaired 0B in 05:36:58 with 0 errors on Tue Jan 17 08:40:57 2023
config:

        NAME                      STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0                     DEGRADED     0     0     0
          mirror-0                DEGRADED     0     0     0
            12897545936258916783  UNAVAIL      0     0     0  was /dev/gpt/ndisk2
            gpt/ndisk1            ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

两个硬盘应该构成镜像，但其中一个 gpt / ndisk2 不见了，只剩下一个，因此在 HEALTH 或 STATE 方面显示为 DEGRADED。另外，在 zpool status 中，显示了 gpt / ndisk2 所在位置的 config：部分中不见了，而是显示为“12897545936258916783”，并以“was /dev/gpt/ndisk2”结尾。稍后将使用此 ID。

创建备用分区

为备用硬盘准备工作，要进行 GPT 初始化，并准备用于 ZFS 的分区。

首先，使用 GPT 初始化硬盘。

$ gpart show ada1
gpart: No such geom: ada1.
$ gpart create -s gpt ada1
ada1 created
$ gpart show ada1
=>         40  11721045088  ada1  GPT  (5.5T)
           40  11721045088        - free -  (5.5T)

$

然后为 ZFS 分配分区。我将新分区命名为 sdisk1 以区别于旧分区。

$ gpart add -t freebsd-zfs -a 4k -l sdisk1 ada1
ada1p1 added
$ gpart show ada1
=>         40  11721045088  ada1  GPT  (5.5T)
           40  11721045088     1  freebsd-zfs  (5.5T)

$ gpart show -l ada1
=>         40  11721045088  ada1  GPT  (5.5T)
           40  11721045088     1  sdisk1  (5.5T)

$

同步第一台数据

由于已准备好新分区，因此将用 sdisk1 替换旧 ndisk2。为此操作使用 zpool replace 。

通常情况下，您需要指定构成池的设备作为 zpool replace 的源设备，但是在这种情况下，由于设备已被取下，因此没有这样的设备。在这种情况下，请指定显示的 ID，即 zpool status zvol0 。

$ zpool replace zvol0 12897545936258916783 gpt/sdisk1
$

这将开始同步来自 ndisk1 的镜像到 sdisk1。

同期在后台进行，如前所述，在此期间通常可以正常使用服务器。由于数据量大约为 1.5TB，因此同步需要相当长的时间，而在此期间如果无法了解进展情况，可能会感到有些不安。在 ZFS 中可以通过 zpool status 确认同步进度，从而获得结束时间的大致参考。

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: DEGRADED
status: One or more devices is currently being resilvered.  The pool will
        continue to function, possibly in a degraded state.
action: Wait for the resilver to complete.
  scan: resilver in progress since Sat Jan 28 14:25:44 2023
        12.8G scanned at 596M/s, 600K issued at 27.3K/s, 1.49T total
        0B resilvered, 0.00% done, no estimated completion time
config:

        NAME                        STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0                       DEGRADED     0     0     0
          mirror-0                  DEGRADED     0     0     0
            replacing-0             DEGRADED     0     0     0
              12897545936258916783  UNAVAIL      0     0     0  was /dev/gpt/ndisk2
              gpt/sdisk1            ONLINE       0     0     0
            gpt/ndisk1              ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors
$

在 status: 下显示 One or more devices is currently being resilvered 和 resilver^ 3^ 中（同步中）的状态。在 action: 下显示指示等待 resilver 完成。而在 scan: 中显示处理量和预计时间，但正如 no estimated completion time 所示，同步刚开始时由于无法预知时间，因此不会显示。

过一段时间，将会显示预计完成时间，但根据经验，在这个阶段这些时间通常不可靠。

$ zpool status zvol0
===== <省略> =====
  scan: resilver in progress since Sat Jan 28 14:25:44 2023
        265G scanned at 664M/s, 6.51G issued at 16.3M/s, 1.49T total
        6.51G resilvered, 0.43% done, 1 days 02:27:43 to go
===== <省略> =====
$

进一步确认后，显示需要大约 14 小时才能完成。

$ zpool status zvol0
===== <省略> =====
  scan: resilver in progress since Sat Jan 28 14:25:44 2023
        289G scanned at 488M/s, 18.6G issued at 31.4M/s, 1.49T total
        18.6G resilvered, 1.22% done, 13:38:30 to go
===== <省略> =====
$

一小时后再次确认时，显示时间已减少到约 6 小时，但第一台镜像的同步最终花了约 15 个半小时。以下是第一台同步完成时检查到的 zpool list 和 zpool status 的结果。

$ zpool list -v zvol0
NAME             SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  ALTROOT
zvol0           1.81T  1.49T   333G        -         -     5%    82%  1.00x    ONLINE  -
  mirror-0      1.81T  1.49T   333G        -         -     5%  82.1%      -    ONLINE
    gpt/sdisk1      -      -      -        -         -      -      -      -    ONLINE
    gpt/ndisk1      -      -      -        -         -      -      -      -    ONLINE
$

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: ONLINE
  scan: resilvered 1.49T in 15:34:45 with 0 errors on Sun Jan 29 06:00:29 2023
config:

        NAME            STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0           ONLINE       0     0     0
          mirror-0      ONLINE       0     0     0
            gpt/sdisk1  ONLINE       0     0     0
            gpt/ndisk1  ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors
$

HEALTH 和 STATE 均为 ONLINE，无错误发生，第一台同步顺利完成。

第二个硬盘的同步

由于第二个硬盘的更换和同步步骤与第一个完全相同，因此只记录命令的执行和结果。

更换第二个硬盘并启动。

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: DEGRADED
status: One or more devices could not be opened.  Sufficient replicas exist for
        the pool to continue functioning in a degraded state.
action: Attach the missing device and online it using 'zpool online'.
   see: https://openzfs.github.io/openzfs-docs/msg/ZFS-8000-2Q
  scan: resilvered 1.49T in 15:34:45 with 0 errors on Sun Jan 29 06:00:29 2023
config:

        NAME                      STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0                     DEGRADED     0     0     0
          mirror-0                DEGRADED     0     0     0
            gpt/sdisk1            ONLINE       0     0     0
            13953654332474917058  UNAVAIL      0     0     0  was /dev/gpt/ndisk1

errors: No known data errors
$

镜子用隔板准备

# gpart create -s gpt ada2
ada2 created
# gpart show ada2
=>         40  11721045088  ada2  GPT  (5.5T)
           40  11721045088        - free -  (5.5T)

# gpart add -t freebsd-zfs -a 4k -l sdisk2 ada2
ada2p1 added
# gpart show ada2
=>         40  11721045088  ada2  GPT  (5.5T)
           40  11721045088     1  freebsd-zfs  (5.5T)

# gpart show -l ada2
=>         40  11721045088  ada2  GPT  (5.5T)
           40  11721045088     1  sdisk2  (5.5T)

#

启动第二台同步

$ zpool replace zvol0 13953654332474917058 gpt/sdisk2
$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: DEGRADED
status: One or more devices is currently being resilvered.  The pool will
        continue to function, possibly in a degraded state.
action: Wait for the resilver to complete.
  scan: resilver in progress since Sun Jan 29 13:38:15 2023
        12.8G scanned at 692M/s, 492K issued at 25.9K/s, 1.49T total
        0B resilvered, 0.00% done, no estimated completion time
config:

        NAME                        STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0                       DEGRADED     0     0     0
          mirror-0                  DEGRADED     0     0     0
            gpt/sdisk1              ONLINE       0     0     0
            replacing-1             DEGRADED     0     0     0
              13953654332474917058  UNAVAIL      0     0     0  was /dev/gpt/ndisk1
              gpt/sdisk2            ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

第二台同步大约需要 14 小时。

$ zpool status zvol0
  pool: zvol0
 state: ONLINE
  scan: resilvered 1.49T in 14:11:00 with 0 errors on Mon Jan 30 03:49:15 2023
config:

        NAME            STATE     READ WRITE CKSUM
        zvol0           ONLINE       0     0     0
          mirror-0      ONLINE       0     0     0
            gpt/sdisk1  ONLINE       0     0     0
            gpt/sdisk2  ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors
$

容量扩展

交换和数据同步已顺利完成，但仍有一些工作要做。因为仅仅更换了硬盘，2TB→6TB 的容量扩展还没有生效。

再次确认 zvol0 的容量时，SIZE 显示为 1.81T，与更换前相同。但仔细观察到 EXPANSZ 显示为 3.62T，可知有 3.62TB 的扩展空间。

$ zpool list zvol0
NAME    SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  ALTROOT
zvol0  1.81T  1.49T   333G        -     3.62T     5%    82%  1.00x    ONLINE  -
$

这个容量扩展的设置是 ZFS 池的 autoexpand 属性。首先检查当前的 autoexpand 值，通常默认为 off。

$ zpool get autoexpand zvol0
NAME   PROPERTY    VALUE   SOURCE
zvol0  autoexpand  off     default
$

尝试将 autoexpand 设置为 on。

$ zpool set autoexpand=on zvol0
$ zpool get autoexpand zvol0
NAME   PROPERTY    VALUE   SOURCE
zvol0  autoexpand  on      local
$

但仅仅将 autoexpand 设置为 on 并不会改变容量。

$ zpool list zvol0
NAME    SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  ALTROOT
zvol0  1.81T  1.49T   333G        -     3.62T     5%    82%  1.00x    ONLINE  -
$

为了扩展容量，您需要设置 autoexpand=on 并执行 zpool online -e 。

$ zpool online -e zvol0
missing device name
usage:
        online [-e] <pool> <device> ...
$

由于忘记指定设备名称导致错误😅，但在正常情况下，指定设备名称是必需的。当使用 -e 选项时，好像可以不指定设备名称。无论如何，在 zpool online -e 中，只需指定池内的任何一个设备名称即可解决问题。

如果重新指定设备名称并执行，容量增加到了 5.45TB^ 4^。

$ zpool online -e zvol0 gpt/sdisk1
$ zpool list zvol0
NAME    SIZE  ALLOC   FREE  CKPOINT  EXPANDSZ   FRAG    CAP  DEDUP    HEALTH  ALTROOT
zvol0  5.45T  1.49T  3.97T        -         -     1%    27%  1.00x    ONLINE  -
$

这次在更换硬盘后，我们修改了 autoexpand 属性，如果在更换之前设置好，那么在第二台同步完成后容量将会自动扩展。此外，autoexpand 不仅在镜像中可以使用，在 raidz 等配置中也同样适用。

2023 年 07 月 16 日添加：收到关于使用 zpool online -e 进行扩展时不需要设置 autoexpand 属性的指示。autoexpand 属性被用于自动扩展容量的设置。

更换完成后

由于新硬盘的传输速度提高，我能感受到整体性能有所提升。虽然 CPU 已经使用了 10 年以上，但主要用途是文件服务器，所以似乎可以继续使用。

因为在 ZFS 中采用写时复制的方式进行数据更新，当剩余空间不足时，与其他文件系统相比性能会急剧下降(在硬盘上更为明显)，因此不建议使用到容量的极限。使用到什么程度会导致性能下降取决于工作集的配合，因此不能简单地说清空容量是否会对 ZFS 的性能造成影响，就算是其他文件系统中不受影响的剩余空间，在 ZFS 中也可能导致性能下降。
即使将 ndisk2 分离，使用 zpool import -D 可以恢复数据，但我没有尝试过。
「resilver」这个词是我开始使用 ZFS 时了解到的，原意是指擦拭银饰品，但在 ZFS 中表示 RAID 正在进行恢复。
硬盘的 TB 容量以十进制表示，所以 6TB 相当于 6,000,000,000,000 字节，而以二进制表示的 1TB 是 1,099,511,627,776 字节，因此是 5.45TB。