RAID-Level

Um bei einem Verbund mehrerer Festplatten die Ausfallsicherheit und den Verwaltungsaufwand zu verbessern wurde 1988 die RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) Technologie entwickelt. Ein RAID-System dient zur Organisation zweier oder mehrerer physikalischer Festplatten eines Computers zu einem logischen Laufwerk, das eine größere Speicherkapazität und/oder einen größeren Datendurchsatz erlaubt als eine physikalische Platte. Während die meisten in Computer verwendeten Techniken und Anwendungen darauf abzielen Redundanzen (das Vorkommen doppelter Daten) zu vermeiden, werden bei RAID-Systemen redundante Informationen gezielt erzeugt, damit beim Ausfall einzelner Komponenten das RAID als ganzes seine Funktionalität behält.

Eine Ausnahme stellt RAID 0 dar: Streng genommen ist dies gar kein RAID, da es keine Redundanz gibt. RAID 0 bietet gesteigerte Transferraten, indem mehrere Festplatten zusammengeschlossen und Schreiboperationen auf allen parallel durchgeführt werden

Im Gegensatz zu den Anfängen der RAID-Technologie ist es heutzutage auch möglich, Platten verschiedener Art und Hersteller zu einem Array zusammenzuschließen. Allein schon aus Performancegründen ist es allerdings nach wie vor empfehlenswert baugleiche Modelle zu benutzen.

 

Software RAID

Hardware RAID

RAID Level 0 – Striping

RAID Level 1– Mirroring

RAID Level 0,1

RAID Level 5

JBOD

Exotische RAID Level ( Level 2, Level 3, Level 4, Level 6, Level 7)

 

Software RAID

Für diese Implementierungsvariante wird keine zusätzliche Hardware benötigt. Die Verwaltung wird komplett von einem auf der Host-CPU laufenden Programm übernommen. Daher die Bezeichnung Software-RAID.

Hardware RAID

Bei dieser Implementierung kommt eine zusätzliche Kontrollerkarte zum Einsatz. Sie übernimmt die Verwaltung und Steuerung der angeschlossenen Laufwerke und stellt zusätzlich noch mehrere Kanäle bereit. Das System, bzw. die CPU wird dadurch stark entlastet. Der einzige Nachteil ist der deutlich höhere Anschaffungspreis als bei der Software-Variante. Heutzutage besitzen jedoch viele Boards, diesen Controller onboard.

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RAID Level 0 – Striping

Bei Raid 0 werden mindestens zwei Festplatten zu einem logischen Laufwerk (Stripe-Set) zusammengefasst. Der große Vorteil von RAID 0 liegt in der optimalen Nutzung der gesamten Kapazität aller beteiligten Laufwerke und im erhöhten Datendurchsatz. Dies gilt besonders dann, wenn sequentiell gelesen oder geschrieben wird. Die zu speichernden Daten werden in Blöcke aufgeteilt und auf die Festplatten verteilt gespeichert. Dadurch sind deutlich schnellere Zugriffe möglich.

Diese Konfiguration trägt die Bezeichnung RAID allerdings zu Unrecht – RAID 0 bietet keine Redundanz. Tatsächlich erhöht sich die Gefahr eines Festplattenfehlers sogar. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Festplatte ausfällt, verdoppelt sich schon bei einem Stripe-Set aus nur zwei Laufwerken. Durch den Zusammenschluss von zwei Festplatten halbiert sich die mittlere Ausfallzeit (MTBF = Meantime between Failure) der gesamten Anordnung. Fällt eine von beiden Festplatten aus, sind sämtliche gespeicherten Daten verloren.

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RAID Level 1 – Mirroring/Duplexing

 

Dieses Verfahren bietet echte Redundanz, da die Daten eines Laufwerks auf einer zweiten Festplatte gespielt werden. RAID 1 stellt einen einfachen, höchst effizienten Weg dar, um hohe Datensicherheit und System-Verfügbarkeit sicherzustellen. Da alle Daten auf zwei identischen Festplatten zwei Mal gespeichert werden, sind selbst bei Ausfall eines Laufwerks die Daten weiterhin verfügbar.

Das defekte Laufwerk kann im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, sofern der Controller dies unterstützt. Die Daten werden dann automatisch wieder auf das neue Laufwerk aufgespielt.

Man spricht von Disk Mirroring, wenn zwei Festplatten auf demselben I/O-Kanal gespiegelt werden. Bei Disk Duplexing verwendet jede Festplatte einen eigenen I/O-Kanal.

Nachteil des Raid 1 sind die entstehenden Mehrkosten, da immer die doppelte physikalische Kapazität der eigentlich benötigten Festplattenkapazität zur Verfügung stehen muss. Auch hier findet wie bei Level 0 keine Fehlerkorrektur statt.

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RAID Level 10 & 0+1

 

RAID 10 und 0+1 kombinieren die Vorteile der Level 0 und 1, schnelleren Datentransfer und erhöhte Ausfallsicherheit. Benötigt werden für ein solches System mindestens vier Festplatten. Jeweils zwei von ihnen sollten identisch sei. Zusammen ergeben sie aber nur die Kapazität von zwei Laufwerken.

Die beiden Bezeichnungen 10 und 0+1 deuten auf den jeweiligen internen Aufbau des Arrays hin. Bei einem RAID-10-Array geht man von zwei Mirror-Arrays (RAID 1) aus. Die zwei so entstehenden logischen Laufwerke werden dann zu einem Stripe-Set (RAID 0) zusammengefasst. Genau andersherum verhält es sich bei einem RAID-0+1-Array: Hier werden zwei Stripe-Sets (RAID 0) gespiegelt (RAID 1).

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RAID Level 5

 

Das bei Professionellen Anwendungen am weitesten verbreitete RAID Level ist die 5. RAID 5 verwirft das Prinzip der Spiegelung zu Gunsten eines Stripe-Sets mit verteilt gespeicherten Redundanzdaten (Parity-Informationen). Durch diesen ausgewogenen Kompromiss wird gute Performance bei gleichzeitig hoher Ausfallsicherheit erzielt. Wie bei Level 4 werden die Daten Blockweise abwechseln auf die Laufwerke geschrieben. Es gibt aber keine gesonderte Platte für die Paritätsdaten.

Nicht zuletzt deshalb ist RAID 5 vor allem im professionellen Umfeld sehr verbreitet.

RAID 5 lässt sich ab mindestens drei Festplatten einsetzen. Dabei ist der RAID-Controller für die Berechnung der Redundanzdaten zuständig. Zusätzlich wird ein Index dieser Redundanzdaten erzeugt und ebenfalls über alle Festplatten verteilt gespeichert. Fällt ein Laufwerk im Betrieb aus, erzeugt das System eine Warnung, arbeitet aber dennoch weiter. Erst wenn eine weitere Festplatte bechaädigt ist, gehen alle Daten verloren.

Ein einzelnes defektes Laufwerk kann im Betrieb ausgetauscht werden. Das System ist nach einem Austausch in der Lage, die darauf gespeicherten Daten aus den Parity-Informationen zu errechnen und wiederherzustellen. Für die Dauer der Wiederherstellung arbeitet das RAID-5-Array mit verringerter Performance.

Bei RAID 5 hängt die insgesamt nutzbare Speicherkapazität von der Anzahl der verwendeten Laufwerke ab. Für die Speicherung der Parity-Informationen wird insgesamt die Größe eines Einzellaufwerks benötigt. Bei einem RAID-5-Array aus drei 250-GByte-Festplatten stehen also lediglich 500 GByte für die Speicherung von Nutzdaten zur Verfügung.

Grundsätzlich sollten nur Festplatten gleicher Größe verwendet werden, idealerweise sogar baugleiche Typen. Theoretisch können auch unterschiedlich große Festplatten eingesetzt werden – das kleinste Laufwerk im Verbund bestimmt dann aber die Größe der Einzelfestplatten, aus denen das RAID-Array zusammengesetzt wird. Besteht das Array beispielsweise aus zwei 250-GByte- und einer 160-GByte-Festplatte, bleiben nur rund 320 GByte für die Datenspeicherung übrig. Der Grund dafür liegt darin, dass auch von den 250-GByte-Laufwerken nur 160 GByte genutzt werden.

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JBOD - Just a Bunch of Disks

 

Bei dieser Anordnung von Festplattenlaufwerken handelt es sich nicht um einen RAID-Standard. Dennoch unterstützen die meisten RAID-Controller auch diese Organisationsform. Hier werden die einzelnen Festplatten einfach hintereinander geschaltet und ergeben so ein großes logischen Laufwerk. Die Kapazitäten der Einzellaufwerke addieren sich dabei.

Ein Geschwindigkeitsvorteil wie bei RAID 0 ergibt sich nicht, da die Zugriffe nicht auf die Laufwerke verteilt werden. Dennoch gilt ähnlich wie für RAID 0, dass alle Daten beim Ausfall nur eines Laufwerks verloren sind. Diese Anordnung wird auch häufig als Disk-Spanning bezeichnet.

 

Exotische RAID Level

RAID Level 2

Hier werden zu jedem Byte zwei Paritätsbit geschrieben. Diese ermöglichen es im Fehlerfall den Fehlerort festzustellen und einen Ein-Bit-Fehler sofort zu korrigieren. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, es arbeitet Bitweise und schreibt daher jedes Bit auf ein extra Laufwerk. Das sind bei 8bit + 2 Paritäts bit = 10bit daher sind auch ganze 10 Festplatten nötig. Praktisch fand diese Variante nur in einzelnen Großrechnern Verwendung und wird so gut wie nie eingesetzt.

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RAID Level 3

Bei RAID Level 3 werden die Bytes abwechselnd auf zwei verschiedene Laufwerke geschrieben, zusätzlich kommt ein Prüfbit auf ein drittes Laufwerk. Diese Variante ist aber auch nur bei großen Daten förderlich, da hier die Leseköpfe aller Platten synchronisiert werden. Gibt es viele kleine Dateien, die angesteuert werden müssen, verlangsamt sich die Lesegeschwindigkeit enorm.

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RAID Level 4

Dieser Raid-Level ist ähnlich dem dritten. Im Unterschied werden hier die Daten nicht Byteweise getrennt, sondern Blockweise getrennt auf die Platten verteilt. Auch eine Synchronisation der Leseköpfe findet nicht statt, so dass diese Variante auch beim Umgang mit vielen kleinen Dateien schnell ist. Jedoch ist der Schreibvorgang bei diesem Level relativ langsam.

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RAID Level 6

Level 6 der RAID-Technik basiert auf RAID5, jedoch wird hier eine zusätzliche Festplatte für Paritätsdaten eingesetzt. So wird die Ausfallsicherheit noch einmal gesteigert. Es können jetzt maximal zwei Platten ausfallen, ohne dass Datenverluste entstehen.

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RAID Level 7

Die exotischste RAID-Variante stellt der Level 7 dar. Hierbei läuft im Raidcontroller ein spezielles Betriebssystem, das mit großen Puffern und schnellen Datenbussen die Geschwindigkeit und Effizienz erhöht. Zusätzlich können auch hier wie bei RAID 6 mehrere Paritätslaufwerke zum Einsatz kommen. Wegen der enormen Anschaffungskosten, ist diese Lösung kaum verbreitet.

 

 

Dieser Artikel:

Einleitung
Entwicklungsgeschichte
Hersteller
Größen
Technik
logischer Aufbau
Speichern der Daten
Übertragungsgeschwindigkeit
Datensicherheit
Schnittstellen
RAID-Level

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