Grundlagen von RAID-Systemen
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Autor Thema: Grundlagen von RAID-Systemen  (Gelesen 26656 mal)

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wollex

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Grundlagen von RAID-Systemen
« am: 04. September 2006, 20:28:49 »

In dieser FAQ möchte ich einige Grundlagen zu den meist gebräuchlichen RAID-Levels erläutern.

Ich verzichte bewusst auf RAID\'s die im Heimgebrauch wenig oder keine Anwendung finden.

Um dieses Thema übersichtlich zu halten, habe ich es folgendermaßen unterteilt:

Allgemeines zu RAID

Hardware- oder Software-RAID?

Die gebräuchlichsten RAID-Level

« Letzte Änderung: 01. Januar 1970, 01:00:00 von 1189624106 »
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Thomas

wollex

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Allgemeines zu RAID
« Antwort #1 am: 04. September 2006, 20:29:54 »

Der Begriff RAID stand bei seiner ersten Erwähnung 1987 für: Redundant Array of Inexpensive Disks
heißt soviel wie: \"Redundanter Verbund kostengünstiger Festplatten\"
Man untersuchte damals also, aufgrund sehr hoher Festplattenpreise, mehrere HDD\'s zu einem logischen Laufwerk zusammen zuschliessen.

Die heutige Bezeichnung: Redundant Array of Independent Disks, was übersetzt \"Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten\" bedeutet, basiert auf  folgenden Vorteilen eines RAID\'s:

  • Redundanz = Erhöhung der Ausfallsicherheit
Generell kann RAID als eine Methode gesehen werden, mehrere Festplatten als eine einzige Festplatte anzusprechen. Das jeweilige Betriebssystem erkennt nur ein logisches Laufwerk.
Das es sich bei diesem logischen Laufwerk um ein vom RAID-Controller hergestelltes virtuelles Laufwerk handelt, sieht das Betriebssystem nicht.
Der RAID-Controller übernimmt dabei jede nötige Managementfunktion.
« Letzte Änderung: 27. Juni 2015, 19:33:36 von wollex »
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Thomas

wollex

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Hardware- oder Software-RAID?
« Antwort #2 am: 04. September 2006, 20:31:06 »

Wenn von einem Hardware-RAID die Rede ist, werden handelsübliche Festplatten verwendet, die über einen Controller auf dem Mainboard oder mittels einer zusätzlichen RAID-Controller-Steckkarte zu einem RAID-System zusammengeschlossen werden. Diese Karten sind mit PCI-, aber auch mit PCIe Interface erhältlich.

Alle Aufgaben die der Organisation dienen, werden auf dem RAID-Controller ausgeführt, wodurch die CPU nicht belastet wird.

Allerdings muss der RAID-Controller beim Betriebssystem angemeldet werden! Abhängig vom jeweiligen Betriebssystem sind Treiberprobleme hier keine Seltenheit. Da die Preise für diese RAID-Controller auch für den kleinen Geldbeutel erschinglich sind, werden diese Varianten am häufigsten eingesetzt.

Bei einem Software-RAID übernimmt das Betriebssystem des Rechners sämtliche Aufgaben, die für eine RAID-Implementierung notwendig sind.
Die angeschlossenen Festplatten werden über eine Treiberschnittstelle angesprochen, womit die üblichen Operationen wie Aufsplittung der Daten, bzw. Parity-/Prüfsummenberechnung der CPU zugetragen werden.

Nachteilig ist die höhere Prozessorbelastung durch die RAID-Implementierung. Eine solche Lösung ist extrem von den Entwicklungsständen des Betriebssystems und der Hardware abhängig. Updates können sehr schnell zu Problemen führen, die dann einen Datenverlust zur Folge haben können.
Entscheidender Nachteil ist jedoch der, dass es keine Datensicherheit bei Hardwareschäden gibt!

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Thomas

wollex

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Die gebräuchlichsten RAID-Level
« Antwort #3 am: 04. September 2006, 20:32:22 »

RAID - 0

Anzahl der Laufwerke: 2 oder mehr

Mittels Stripingverfahren werden die Daten auf die sich im Array befindenden Festplatten in \"Streifen\" verteilt.
Das Striping teilt eine Datei in so genannte Stripe-Blocks auf. Die Stripe-Block-Größe lässt sich im BIOS des RAID-Controllers einstellen (Ø 64KB - 512KB).
Fällt eine der Festplatten aus so sind sämtliche Daten aufgrund der fehlenden Paritäts-/Prüfsummenberechnungen verloren und eine Wiederherstellung ist unmöglich!
Bei unterschiedlichen Plattenkapazitäten wird immer die Festplatte mit der geringsten Größe als Stripe-Parameter verwendet.
Als Beispiel: Ein Verbund einer 80GB und einer 60GB Platte bietet letztendlich nur 120GB (also 2 mal 60GB) Speicherkapazität.

Vor- und Nachteile:

+ Performancegewinn
+ hoher Datendurchsatz

– keine Datenausfallsicherheit
– bei Defekt einer einzigen Festplatte – kompletter Datenverlust!


Raid-0 Array aus vier Laufwerken; die Daten werden auf allen Festplatten gleichmäßig als \"Streifen\" abgelegt...




RAID - 1

Anzahl der Laufwerke: 2 oder mehr

Bei diesem Level, auch „Mirroring“ oder \"Spiegelung\" genannt, werden die Daten parallel im Verhältnis 1:1 auf beide Festplatten geschrieben. Da eine Platte stets ein Abbild der anderen enthält, stehen die Daten also doppelt zur Verfügung, ein starkes Argument für hohe Sicherheit.
Fällt nun eine dieser beiden Platten aus, arbeitet das System ungestört mit der verbleibenden Platte weiter. Nach Austausch der defekten Platte, werden die Daten mit der neuen Platte synchronisiert und das Array ist wieder komplett.
Bei unterschiedlichen Plattenkapazitäten wird immer die Festplatte mit der geringsten Größe als Gesamtgröße verwendet.
Als Beispiel: Ein Verbund einer 80GB und einer 60GB Platte bietet letztendlich nur 60GB Speicherkapazität.

Vor- und Nachteile:

+ 1:1 Kopie der beiden Festplatten
+ hoher Datendurchsatz
+ bei Ausfall einer Platte übernimmt die zweite Platte den Betrieb

– nur 50 % Nutzung der vorhandenen Plattenkapazität, dadurch
– höhere Kosten in der Anschaffung der Festplatten



RAID-1 Array aus vier Laufwerken; jeweils zwei Festplatten werden gespiegelt...



RAID - 5

Anzahl der Laufwerke: 3 oder mehr

Die Besonerheit bei diesem RAID-Level ist die Erkennung von Fehlern und deren Korrektur, die Paritätsprüfung. Sie stellt ein sogenanntes Prüfverfahren dar, mit dem Fehler bei Datenübertragungen zuverlässig erkannt werden. Es gilt damit zu verhindern, dass das System mit fehlerhaften Daten weiter arbeitet. Die Nutzdaten werden wie bei RAID - 0 auf die Platten verteilt. Zusätzlich werden die Paritätsinformationen auf allen Laufwerken des Arrays gleichmäßig abgelegt. Fällt nun eine Platte aus, werden die Daten anhand der Fehlerkorrektur dynamisch ersetzt. Allerdings darf nie mehr als eine HDD gleichzeitig ausfallen!
Auch hier gilt; die kleinste Platte im Array gibt die Kapazität der anderen vor.
Als Beispiel: Ein Verbund aus einer 80GB und zwei 60GB ergäben theoretisch 180GB (also 3 mal 60GB), die reine Datenkapazität beläuft sich allerdings nur auf 120GB, da 60GB der Redundanz(Ausfallsicherheit) zum \"Opfer\" fallen.

Vor- und Nachteile:

+ optimale Festplattenauslastung
+ hoher Datendurchsatz bei hoher Datenkapazität
+ bei Ausfall einer Festplatte bleiben die Daten erhalten

– hoher Kostenfaktor

RAID-5 Array aus fünf Laufwerken; die Paritätsinformationen einer Festplatte, werden zur Sicherheit auf einer anderen abgelegt...



RAID - 10 (0+1)

Anzahl der Laufwerke: 4 oder mehr

RAID 10 und 0+1 kombinieren die Vorteile der Level 0 und 1, Performance und Redundanz.
Zwei Paare werden gespiegelt (RAID - 1) und diese wiederrum zu einem Stripe-Set (RAID - 0) zusammengefasst.
Es besteht natürlich auch die Möglichkeit zur Variante 0 + 1. Hierbei werden zwei Stripe-Sets gespiegelt.
Die Schreibzugriffe sind bei diesen Kombinationen sehr schnell, da keine Parität berechnet werden muss. Wenn nun ein Strip-Set ausfällt, stehen die Daten auf dem zweiten Strip-Set noch zur Verfügung, sollte ein weiteres Laufwerk des zweiten Verbundes ausfallen, sind die Daten unwiederbringlich verloren.
Bei einem RAID - 10, bzw. 0+1 ist nur die Hälfte der gesamten Kapazität aller Festplatten nutzbar.

Vor- und Nachteile:

+ optimale Performance bei guter Ausfallsicherheit
+ hoher Datendurchsatz bei hoher Datenkapazität
+ 1:1 Kopie der RAID-Arrays

– nur 50% zur effektiven Datennutzung verfügbar


RAID-10 Array aus vier Laufwerken; zwei Festplatten werden gespiegelt und zu einem Stripe-Set zusammengefasst...

RAID-0+1 Array aus vier Laufwerken; zwei Stripe-Sets werden nochmals gespiegelt...



JBOD

Anzahl der Laufwerke: 2 oder mehr

Bei JBOD - Just a Bench Of Disks, also \"Nur ein Bündel Platten\", handelt es sich nicht um einen RAID-Standard. Da allerdings viele RAID-Controller JBOD unterstützen, möchte ich diese Variante trotzdem  hier erwähnen.
Die Festplatten werden hintereinander geschaltet und so zu einem großen logischen Laufwerk zusammengefasst. Die Speicherkapazität wird addiert. Eine erhöhte Performance ist damit jedoch nicht zu erreichen, da die Zugriffe nicht auf die einzelnen Laufwerke verteilt werden.
JBOD bringt weder Vorteile in der Performance noch in der Datensicherheit mit sich.
Ähnlich RAID - 0 gilt auch hier; fällt eine Platte aus sind alle Daten verloren.

Vor- und Nachteile:

+ mehrere Festplatten können zu einem Laufwerk zusammengefasst werden
– keine Performance
– keine Datensicherheit



JBOD aus drei Laufwerken; die Festplatten werden zu einem logischen Laufwerk verbunden...

Noch etwas grundsätzliches zum Schluss

Ein Raid-System, egal welches, übernimmt niemals die Aufgabe einer Datensicherung!




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« Letzte Änderung: 27. Juni 2015, 19:33:20 von wollex »
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Thomas