RAID-Systeme

RAID-Systeme sind wichtig, um mehrere physische Speichermedien zu einem logischen Laufwerk zusammenzufassen und dadurch die Datensicherheit oder die Transfergeschwindigkeit zu verbessern.

Aber wie funktioniert ein RAID-System? Wie werden Daten auf verschiedene Laufwerke verteilt und wie kann dadurch eine höhere Datensicherheit erreicht werden?

simpleclub zeigt dir, was hinter RAID steckt!

RAID-Systeme einfach erklärt

Das bedeutet sinngemäß „überschüssige Anordnung unabhängiger Laufwerke“.

Durch RAID werden mehrere physische Massenspeicher, beispielsweise Festplatten, zu einem logischen Laufwerk zusammengefasst. Es gibt verschiedene RAID Level. Jedes RAID Level benutzt eine oder mehrere Verfahren, um entweder den Datendurchsatz oder die Ausfallsicherheit zu erhöhen.

Die verschiedenen Verfahren geben vor, welche Daten auf welcher der verwendeten Festplatten gespeichert werden.

Das erste Verfahren ist das Data Striping. Dabei werden logisch zusammenhängende Daten zerlegt und die entsprechenden Datenblöcke dann auf die Festplatten verteilt. Dadurch erhöhen sich die Lese- und Schreibgeschwindigkeit, weil diese Vorgänge parallel auf allen Festplatten laufen. Das kannst du dir vorstellen, als würden mehre Personen gleichzeitig daran arbeiten einen Satz zu schreiben. Dabei schreibt jeder nur einige Wörter dieses Satzes.

Ein weiteres Verfahren ist das Data Mirroring. Hier werden Daten immer doppelt gespeichert: Einmal auf einer Festplatte und zusätzlich auf einer weiteren, identischen Festplatten, dem Spiegellaufwerk. Dadurch erhöht sich natürlich die Datensicherheit.

Zuletzt gibt es Parity. Hierbei werden aus den Datenstreifen, die durch Striping auf verschiedene Festplatten verteilt vorliegen, Patritätsinformationen berechnet. Diese kannst du dir vorstellen wie eine mathematische Formel. Fällt eine Festplatte aus, können die Daten anhand dieser Formel und den noch vorhandenen Daten wiederhergestellt werden.

RAID-Systeme Definition

RAID-Controller

Das Gehirn in einem RAID-System ist der RAID-Controller. Er entscheidet, gemäß dem eingerichteten RAID-Level, welche Daten auf welche Festplatte geschrieben werden.

Es wird unterschieden zwischen Hardware-RAID und Software-RAID.

Im Hardware-RAID wird die Aufgabe des RAID-Controllers von einer dedizierten Steckkarte übernommen. Dadurch gehen keine Leistungskapazitäten des Computersystems verloren.

Im Software-RAID werden die Aufgaben durch Software erledigt. Es muss also keine gesonderte Hardware gekauft werden. Dafür werden aber Leistungsressourcen des gesamten Systems, insbesondere der verbauten Laufwerke verwendet. Dadurch können andere Prozesse verlangsamt werden.

Achtung: Gerade bei einem Hardware-RAID führt der Ausfall des RAID-Controller in der Regel zu einem Ausfall des gesamten RAID-Systems.

RAID-Systeme Data Striping

Beim Data Striping werden zu speichernde Daten zerlegt und auf verschiedene Festplatten verteilt.

Beim Lesen werden diese Stripes (deutsch Streifen) wieder zusammengesetzt. Da eine Datei von bzw. auf allen verwendeten Festplatten gelesen bzw. geschrieben werden kann, erhöhen sich mit jeder zusätzlichen Festplatte die Lese- und Schreibgeschwindigkeit.

Striping bietet keine Ausfallsicherheit. Sobald ein Laufwerk ausfällt, sind sämtliche Daten verloren.

RAID-Systeme Data Mirroring

Data Mirroring ist ein RAID-Verfahren, in dem Daten nicht nur auf ein Laufwerk geschrieben werden, sondern parallel die gleichen Daten redundant auf ein zweites Laufwerk, das Spiegellaufwerk. Beim Mirroring werden Festplatten also immer als Paar eingesetzt.

Durch Mirroring halbiert sich der nutzbare Speicherplatz. Bei Ausfall einer Festplatte sind jedoch weiterhin sämtliche Daten vorhanden.

RAID-Systeme Parity

Parity (deutsch Parität) ergänzt Striping um ein gewisses Maß an Ausfallsicherheit.

Für die auf Laufwerke verteilten Daten werden Paritätsinformationen berechnet und als Paritätsbits gespeichert. Daraus lassen sich die Daten einer ausgefallenen Festplatte wiederherstellen.

Die Paritätsbits werden über Exklusive-Oder-Verknüpfungen (XOR) berechnet.

Es gibt Even-Parity (deutsch gerade Parität) und Odd-Parity (deutsch ungerade Parität).

Ein Paritätsbit ergibt sich aus der Anzahl mit 1 belegter Bits in einem Stripe.

Bei Even-Parity entspricht eine gerade Anzahl mit 1 belegter Bits dem Paritätsbit 0 und eine ungerade Anzahl dem Paritätsbit 1. Bei Odd-Parity ist es umgekehrt.

RAID-Level

RAID ist in verschiedenen Konfigurationen umsetzbar. Dabei werden die Verfahren Striping, Mirroring, Parity oder Kombinationen daraus angewendet.

Die unterschiedlichen Konfigurationen werden RAID-Level genannt. Nachfolgend werden dir einige RAID-Level vorgestellt.

RAID 0

Bei RAID 0 kommt ausschließlich Striping zum Einsatz. Dadurch steigt die Schreib- und Lesegeschwindigkeit mit jeder verwendeten Festplatte. Für RAID 0 müssen mindestens zwei Laufwerke verwendet werden.

RAID 0 bietet keine Ausfallsicherheit. Sobald es auf einer der Festplatten zu einem Fehler kommt, sind alle Daten verloren.

Unter Umständen sinkt die Datensicherheit, da mit jeder zusätzlichen Festplatte auch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass eine Festplatte ausfällt.

RAID 1

Im RAID Level 1 kommt ausschließlich Mirroring zum Einsatz. Alle Daten werden immer doppelt gespeichert. Auf einem Laufwerk und redundant auf dem dazugehörigen Spiegellaufwerk.

RAID 1 verspricht keine erhöhte Schreibgeschwindigkeit, aber eine hohe Ausfallsicherheit. Durch die Redundanz, also das doppelte Speichern aller Daten, sind bei Ausfall einer Festplatte noch alle Daten vorhanden. Auch mehrere Festplatten können wiederhergestellt werden, solange nicht gleichzeitig Laufwerk und das dazugehörige Spiegellaufwerk ausfallen.

Auch die Lesegeschwindigkeit kann durch RAID 1 erhöht werden, wenn Daten parallel von Laufwerk und Spiegellaufwerk gelesen werden.

In RAID 1 können nur Konfiguration mit gerader Anzahl an Festplatten umgesetzt werden, da immer Plattenpaare aus Laufwerk und Spiegellaufwerk nötig sind.

RAID 0+1 & RAID 1+0

RAID 0+1 (auch RAID 01) kombiniert Striping und Mirroring und auch die Vorteile der beiden Verfahren, also eine hohe Ausfallsicherheit und erhöhte Bitraten.

Bei RAID 0+1 werden die zu speichernden Daten vom RAID-Controller zerlegt und auf mindestens zwei Laufwerke verteilt. Zusätzlich werden von den dabei verwendeten Laufwerken Spiegellaufwerke eingesetzt. Insgesamt werden also mindestens vier Laufwerke benötigt.

Auch die Bezeichnung RAID 1+0 (auch RAID 10) ist möglich. 0+1 meint dabei, dass ein Striping der gespiegelten Daten erfolgt. 1+0 meint, dass die zerlegten Daten gespiegelt werden.

Hinweis: Bei RAID-Kombinationen erfolgt der Aufbau wie in der Benennung von links nach rechts. Bei 10, wird also zuerst RAID 1 aufgebaut und anschließend darauf das RAID 0 aufgebaut. Im Diagramm wird es entsprechend von unten nach oben dargestellt.

RAID 4

RAID 4 verwendet Parity. In diesem RAID Level werden die Paritätsbits der verteilten Daten auf ein zusätzliches Laufwerk, das Prüfsummenlaufwerk geschrieben.

Auch Parity bietet eine höhere Ausfallsicherheit und Daten können schnell gelesen werden. Dabei werden in der Mindestkonfiguration im Gegensatz zu RAID 0+1 nur drei Laufwerke nötig. Achtung: In der Abbildung wird nicht die Mindestkonfiguration dargestellt.

Die Parität muss bei jedem Schreibvorgang neu berechnet werden, was zu einer geringeren Schreibgeschwindigkeit führt.

RAID 5

RAID 5 entspricht weitestgehend RAID 4. Auch hier wird Parity eingesetzt und es gelten die gleichen Vorteile.

Der Unterschied zu RAID 4 besteht darin, dass die Paritätsbits nicht auf ein gesondertes Prüfsummenlaufwerk geschrieben werden, sondern mit jedem Stripe zyklisch auf alle Laufwerke verteilt.

Diese zyklische Verteilung der Parität heißt Rotating Parity Array.

Diese Anordnung vermeidet, dass es beim Schreiben der Paritäten auf einer einzigen Festplatte zu Engpässen kommt.

Insgesamt bietet RAID 5 eine hohe Datensicherheit, bei mehr nutzbarem Speicherplatz als bei RAID 0+1.

Weitere RAID-Level

Es gibt noch einige weitere RAID-Level und Kombinationen aus verschiedenen RAID-Levels. Die Benennung erfolgt bei Kombinationen meist gemäß den Zahlen der kombinierten Level. Beispielsweise heißt eine Kombination aus RAID 5 und RAID 0 RAID Level 50.

Generell stellen alle RAID-Level einen Kompromiss zwischen Datensicherheit, Transfergeschwindigkeit und Kosten dar. Für die Auswahl eines Levels für eine spezifische Anwendung müssen also immer die Anforderung an diese Anwendung betrachtet werden.

Eine höhere Datensicherheit (durch Redundanz) erfordert immer einen höheren Bedarf an physischem Speicherplatz, als letztendlich nutzbar ist. Als Maß dafür, wie viel Speicherplatz verloren geht, um die Redundanz im RAID-System sicherzustellen, ist der Kapazitäts-Overhead.

Der Kapazitäts-Overhead wird in der Regel als Prozentsatz des gesamten Speichers angegeben. Je höher der Kapazitäts-Overhead, desto mehr Speicherplatz wird für die Redundanz verwendet und desto weniger Platz bleibt für die Speicherung von Nutzdaten.

Hier siehst du in einer Tabelle den Kapazitäts-Overhead verschiedener RAID-Level:

Hinweis: Das n steht für die Anzahl der für das RAID verwendeten Laufwerke.

Die 50% bei RAID 1 bedeuten beispielsweise, dass für die Redundanz 50% des verfügbaren Speicherplatzes verloren geht, um die Redundanz zu gewährleisten.

RAID-Systeme Hot-Swapping und Hot-Spare

Hot-Swapping und Hot-Spare sind wichtige Funktionen in RAID-Systemen zur Vermeidung von Datenverlust und zur Maximierung der Verfügbarkeit.

\rhd$\rhd$ Hot-Swapping ermöglicht den Austausch einer defekten Festplatte gegen eine neue, ohne dass das RAID-System heruntergefahren werden muss. Bei einem Festplattenfehler alarmiert das RAID-System den Administrator, der die fehlerhafte Platte entfernt und eine neue einsetzt. Die Daten werden dann automatisch wiederhergestellt, falls die RAID-Konfiguration dies unterstützt.

\rhd$\rhd$ Eine Hot-Spare-Festplatte ist eine zusätzliche Platte, die im System eingebaut ist und im Falle eines Festplattenausfalls automatisch deren Aufgabe übernimmt. Die Wiederherstellung der Daten auf der Hot-Spare-Festplatte beginnt sofort, was die Zeitspanne bis zur vollständigen Wiederherstellung der Datenintegrität verkürzt.

Hot-Swapping und Hot-Spare tragen erheblich zur Redundanz und Zuverlässigkeit von RAID-Systemen bei und sind wichtige Konzepte für Fachinformatiker.

RAID-Systeme Anwendung & Beispiele

Die Paritätsinformationen werden in RAID 5 in einem Rotating Parity Array angeordnet. Aber wie werden diese Paritäten berechnet?

Jedes Paritätsbit stellt eine Prüfsumme aller Bits in diesem Stripe dar.

Eine Prüfsumme kannst du dir als mathematischen Zusammenhang dieser Bits vorstellen, aus dem ein Bitfehler in diesem Stripe wiederhergestellt werden kann.

Vereinfacht kannst du dir vorstellen, dass in der oben dargestellten Matrix die pinken Würfel das Paritätsbit für die Bits in der gleichen Spalte sind.

In den Zeilen ist je ein Bit nicht mehr lesbar (A, B bzw. C). Dieses lässt sich aus dem Paritätsbit und den übrigen Bits wiederherstellen.

War das mit A beschriftete Bit mit einer 1 oder einer 0 belegt?

Angenommen es handelt sich hier um Even-Parity. In diesem Fall müsste man pro ganze Zeile (also die Stripe-Bits und das Paritäts-Bit) insgesamt eine gerade Anzahl an 1en haben. Somit muss das mit A beschriftete Bit also mit einer 0 belegt gewesen sein. In diesem Fall waren B und C entsprechend mit einer 0 belegt.

Analog dazu ist es bei Odd-Parity genau umgekehrt. In diesem Fall müsste man pro ganze Zeile (also die Stripe-Bits und das Paritäts-Bit) insgesamt eine ungerade Anzahl an 1en haben. Somit müsste das mit A beschriftete Bit also mit einer 1 belegt gewesen sein. In diesem Fall waren B und C entsprechend mit einer 1 belegt.

RAID-Systeme Zusammenfassung

In einem RAID-System werden Verfahren eingesetzt, um die Datensicherheit oder bzw. und den Datendurchsatz eines Computersystems zu erhöhen. Dafür werden mehrere physische Laufwerke zu einem logischen Laufwerk zusammengefasst.

Die Verfahren dabei sind:

• Striping: Hier werden die Daten zerlegt und auf mehrere Laufwerke verteilt. Das erhöht die Schreib- und Lesegeschwindigkeit.

• Mirroring: Die Daten werden immer doppelt abgespeichert. Es gibt für jedes Laufwerk ein Spiegellaufwerk, welches die gleichen Daten enthält.

• Parity: Zusätzlich zum Striping werden hier Paritätsinformationen berechnet. Diese werden als Paritätsbits gespeichert. Aus diesen lassen sich Daten wiederherstellen.

Es gibt verschiedene RAID-Level, die jeweils ein oder mehrere dieser Verfahren anwenden.

Jedes RAID-Level stellt einen Kompromiss zwischen Datensicherheit, Transfergeschwindigkeit und Kosten dar. Für einen Anwendungsfall sollte die Auswahl eines RAID-Levels immer zu den jeweiligen Anforderungen passen.

Hier siehst du in Balkendiagrammen, welches Maß an Datensicherheit, Kosten sowie weiterer Faktoren die vorgestellten RAID-Level bieten: