Ausfallsicherheit | Performancesteigerung | RAID | Redundant-Array-of-Independent-Disks

Was ist ein RAID System?

Ein RAID System ist ein Verbund von 2 oder mehr Festplatten mit dem mindestens eins der folgenden Ziele erreicht werden soll:
– Optimierung der Ausfallsicherheit
– Leistungssteigerung durch höhere Datenübertragungsraten
– Erhöhung der Festplattenkapazität durch Logische Laufwerke
– Dynamische Vergrößerung von Logischen Laufwerken im Betrieb der Server
– Tausch von einzelnen Festplatten ohne Herunterfahren der Server
– Kostensenkung durch den Einsatz von viele kleinen (meist günstigeren) Festplatten

Die genaue Arbeitsweise des RAID Systems, also welche Daten auf welcher Festplatte gespeichert werden, wird durch den RAID Level definiert. Am häufigsten sind die RAID Level RAID-0, RAID-1 und RAID-5 im Einsatz.
Neben dem RAID Level unterteilen sich RAID Systeme noch in Hardware-RAID, Host-RAID und Software-RAID

Geschichte

Heute steht RAID für Redundant Array of Independent Disks, zu Deutsch Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten. Die Ursprüngliche Bezeichnung, Redundant Array of Inexpensive Disks, also Redundante Anordnung kostengünstiger Festplatten, wurde erstmals 1987 eingeführt, diese Bezeichnung wird allerdings aus Marketinggründen nicht mehr verwendet.
Seit 1992 wird die Entwicklung und Standardisierung des RAID Konzepts durch das RAB, RAID Advisory Board, welches aus mehr als 50 Herstellern von RAID-Systemen besteht, betreut.

Hardware RAID

Von einem Hardware RAID spricht man, wenn die einzelnen Festplatten bzw. Speichermedien von einer speziell für diesen Einsatz konzipierten Baugruppe, dem RAID-Controller, verwaltet werden. Um lange Kabelwege zu vermeiden befindet sich der RAID-Controller im Normalfall in unmittelbarer Nähe der Speichermedien, dies kann im Gehäuse des eigentlichen Servers sein oder, häufig in Rechenzentren, auch eigenen Gehäuse, dem sogenannten Disk-Array, welches auch die Festplatten enthält.
Ein RAID-Controller besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:
– Einen eigenen Prozessor (CPU)
– Leistungsstarken Cache-Speichern
– Den Anschlüssen für die Speichermedien (SAS, SATA, SCSI)
– Und einer Schnittstelle zur Hauptplatine (Mainboard) der Server
Auf Grund dieser Architektur erreichen Hardware RAID Systeme im Punkt Performance die bestmöglichen Werte, weiterhin wird durch den Einsatz von einem RAID-Controller der Hauptprozessor (CPU) des Servers entlastetet.

Host RAID

Deutlich günstiger als ein „echtes“ Hardware RAID ist das Host RAID, es kann bereits auf der Hauptplatine (Mainboard) des Computers integriert sein oder in Form einer Kartenerweiterung nachträglich installiert werden. Bei einem Host RAID kommt kein zusätzlicher Prozessor (CPU) zum Einsatz, was in Folge sowohl den Hauptprozessor, als auch die Bus Systeme des Computers deutlich mehr belastet.
Realisiert wird dieses Konzept üblicherweise durch eine Software, welche in die Hardwaretreiber, BIOS oder UEFI integriert wurde. Zusammenfassend stellt ein Host RAID lediglich ein Software RAID dar, welches an eine bestimmte Hardware gebunden ist.

Da diese Form des RAID Systems meist nur in nichtprofessionellen Anlagen zum Einsatz kommt, ist es in vielen Fällen auf die RAID-Level RAID 0 und RAID 1 begrenzt.

Software RAID – Host based RAID

Wie es der Name schon vermuten lässt, wird bei einem Software RAID oder auch Host based RAID die Verwaltung der einzelnen Speichermedien bzw. Festplatten von einer Software übernommen. Die benötige Software ist bereits in vielen Betriebssystemen integriert wie zum Beispiel bei Linux, Mac OS und Windows (seit Windows NT), es kann aber auch nachträglich eine andere Verwaltungssoftware verwendet werden.
Bei der Verwendung von einem Software RAID werden alle Festplatten mit einen wahlweise auf der Hauptplatine integrierten oder per Erweiterungskarte Angeschlossenen Festplattencontroller verbunden. Festplattencontroller sind im Gegensatz zu RAID Controllern nicht in der Lage die Organisation des RAID Systems eigenständig zu übernehmen und geben die einzelnen Festplatten ohne RAID als JBOD (Just a Bunch Of Disks – zu deutsch „Nur ein paar Festplatten“ ) an den Computer weiter. Ab diesem Punkt wird die Verwaltung der Speichermedien von der RAID Software übernommen unter Windows Client Betriebssystemen, wie z.B. Windows 7, 8, 8.1 und 10 können hierfür die Bordmittel Datenträgerverwaltung und Diskpart verwendet werden, zusätzlich steht bei der Verwendung von einem Windows Server Betriebssystem wie Windows Server 2012, Windows Server 2012 R2 oder Windows Server 2016 auch der Server Manager bereit um ein Software RAID zu erzeugen, sofern der Server mit grafischer Oberfläche installiert wurde. Eine Anleitung wie die Tools zu bedienen sind finden Sie HIER.
Wie auch bei einem Host RAID verwendet das Software RAID den Hauptprozessor (CPU) des Computers wodurch dieser und auch System-Busse wie PCI deutlich stärker belastet werden als bei einem Hardware RAID. Ebenfalls ist es nachteilig das bei den meisten Software RAID Systemen kein Cache genutzt werden kann, dessen Inhalte bei Stromausfall oder Absturz des Systems verfügbar bleiben, was bei Hardware RAID Controllern mit BBU (Battery Backup Unit) standardmäßig der Fall ist.

RAID 0: Hohe Datenübertragung ohne Redundanz (Striping)

Ein RAID 0 Verbund kann mit 2 oder mehr physischen Festplatten erzeugt werden, wobei die Festplatten in einzelne Blöcke unterteilt werden, welche nach einer Art Reisverschlussprinzip zu einem großen Logischen Laufwerk zusammengefasst werden. Die Größe des logischen Laufwerks entspricht knapp der Summe aus den Kapazitäten der einzelnen Festplatten bzw. Speichermedien.
Durch das oben beschriebene Konzept ergibt sich eine deutliche Steigerung der Datenübertragungsrate sowohl bei schreibenden als auch bei lesenden Zugriffen. Ein weiterer Vorteil ist das annähend die volle Kapazität der einzelnen Festplatten nutzbar ist, was nur bei RAID 0 zutrifft.
Das Hauptproblem bei RAID 0 besteht darin, dass keine Redundanzen gebildet werden und das RAID unbrauchbar bzw. nicht wiederherstellbar wird sobald eine einzelne Festplatte ausfällt. Aus diesem Grund gehört RAID 0 nicht zu den „echten“ RAID Systemen, da es sich genau genommen nur um ein AID (Array of Independent Disks) mit einem gesteigerten Datendurchsatz handelt.

RAID 1: Spiegelung ohne Steigerung der Datenübertragung (Mirroring)

Wie auch bei RAID 0 kann ein RAID 1 System mit 2 oder mehr Festplatten gebildet werden. Bei
RAID 1 werden die Daten in gleicher Form auf allen teilnehmenden Festplatten gespeichert, daher kommt auch die Bezeichnung Mirroring oder zu Deutsch Spiegelung. Durch dieses Konzept kann sogar eine Festplatte aus dem RAID Verbund entfernt werden und in einem anderen Rechner betrieben werden. Zu einem Datenverlust kommt es erst wenn alle Festplatten des Verbunds beschädigt sind.
Da bei RAID 1 gleichzeitig Sektoren von allen Festplatten gelesen werden können, sofern dies vom Controller unterstützt wird, lässt sich die Datenübertragungsrate bei lesenden Zugriffen deutlich erhöhen, bei Schreibzugriffen ist dies nicht der Fall.
Die Nachteile von diesem System sind die hohe Belastungen bei Schreibzugriffen, da jedes Element auf allen Festplatten das RAID Systems geschrieben wird, welches sich nicht nur durch eine nicht gesteigerte Performance äußert, sondern auch durch eine starke Abnutzung aller Festplatten.

RAID 5:

Bei RAID 5 findet das aus RAID 1 bekannte Striping statt, erweitert wird diese Funktionalität mit der Anlage von Paritätsinformationen um die Redundanz zu gewährleisten. Anders als bei RAID 4 werden bei einem RAID 5 System die Paritätsinformationen nicht zentral auf einer Festplatte gespeichert, sondern auf alle Festplatten des Verbunds verteilt.

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