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RAID ist eine bewährte Methode zum Schutz von Anwendungsdaten auf Festplatten und Solid-State-Speichern, wobei die verschiedenen RAID-Typen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Schutzniveau und Leistung und den Kosten bieten. Je größer die Leistung oder das Schutzniveau, desto höher die Kosten.
Der RAID-Level eines Arrays definiert den Grad der Leistung oder des Schutzes, den das RAID-Array bietet. Früher gab es nur einige wenige RAID-Stufen. Mit der Weiterentwicklung der Storage-Systeme hat sich jedoch die Anzahl der RAID-Level erhöht.
Bei einer RAID-Konfiguration werden einzelne physische Laufwerke zu einem RAID-Verbund zusammengeschlossen. Der RAID-Satz stellt alle physischen Laufwerke als eine einzige logische Festplatte dar. Die logische Festplatte wird als Logical Unit Number (LUN) bezeichnet.
Verbesserungen der RAID-Leistung und -Verfügbarkeit haben dazu geführt, dass RAID eine praktikable Option bleibt, auch wenn neuere, alternative Technologien verfügbar geworden sind. Erasure Coding und SSDs sind zuverlässige – wenn auch teurere – Alternativen, und mit zunehmender Speicherkapazität steigt auch die Wahrscheinlichkeit von RAID-Array-Fehlern. Dennoch unterstützen die Speicherhersteller weiterhin RAID-Levels in ihren Speicher-Arrays.
Um RAID und seine Vorteile vollständig zu verstehen, ist es wichtig, die verschiedenen RAID-Level aufzuschlüsseln und zu erkennen, was jeder Level am besten kann:
- RAID 0: Festplatten-Striping.
- RAID 1: Spiegelung von Festplatten.
- RAID 1+0: Festplattenspiegelung und Striping.
- RAID 2: Striping und Hamming-Code-Parität.
- RAID 3: Paritätsfestplatte.
- RAID 4: Paritätsfestplatte und Block-Level-Striping.
- RAID 5: Festplatten-Striping mit Parität.
- RAID 5+0: Festplatten-Striping und verteilte Parität.
- RAID 6: Festplatten-Striping mit doppelter Parität.
- Adaptives RAID: Option zur Verwendung von RAID 3 oder RAID 5.
- RAID 7: Nicht-Standard mit Caching.
Obwohl es so viele RAID-Levels gibt, werden nur einige von ihnen häufig verwendet. RAID 0, 1, 1+0, 5, 5+0 und 6 sind die populärsten Level.
RAID-Levels erklärt
RAID-Level lassen sich in drei Kategorien unterteilen: Standard, Nicht-Standard und verschachtelt (nested). Standard-RAID-Levels bestehen aus den grundlegenden RAID-Typen mit den Nummern 0 bis 6. Ein Nicht-Standard-RAID-Level ist auf die Standards eines bestimmten Unternehmens oder Open-Source-Projekts abgestimmt. Zu Nicht-Standard-RAID gehören RAID 7, adaptives RAID, RAID-S und Linux md RAID 10. Nested RAID bezieht sich auf Kombinationen von RAID-Leveln wie RAID 10 (RAID 1+0) und RAID 50 (RAID 5+0).
Welches RAID-Level Sie verwenden, sollte von Ihren Leistungs- und Redundanzanforderungen abhängen. Von den Standard-RAID-Levels ist RAID 0 das schnellste, RAID 1 das zuverlässigste und RAID 5 eine gute Kombination aus beidem. Welches RAID für Ihr Unternehmen am besten geeignet ist, hängt von der gewünschten Datenredundanz, der Länge der Aufbewahrungsfrist, der Anzahl der Festplatten, mit denen Sie arbeiten, und der Bedeutung, die Sie der Datensicherung gegenüber der Leistungsoptimierung beimessen, ab.
Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung der in Speicher-Arrays am häufigsten verwendeten RAID-Levels. Nicht alle Anbieter von Speicher-Arrays unterstützen jeden RAID-Typ. Erkundigen Sie sich daher bei Ihren Anbietern, welche RAID-Typen für ihre Datenspeicher verfügbar sind.
RAID 0: Festplatten-Striping
RAID 0 ist ein einfaches Festplatten-Striping. Alle Daten werden in Chunks auf alle SSDs oder HDDs des RAID-Sets aufgeteilt. RAID 0 bietet eine hohe Leistung, da die Benutzer die Last der Datenspeicherung auf mehrere physische Laufwerke verteilen. RAID 0 verwendet keine Festplattenparität, mit der sichergestellt wird, dass die Daten erfolgreich geschrieben wurden, wenn sie von einem Laufwerk auf ein anderes übertragen werden. Da RAID 0 keine Parität verwendet, verfügt es nicht über Datenredundanz oder Fehlertoleranz.
Vorteile: Die Leistung ist der Hauptvorteil von RAID 0. Das Striping von Daten über mehrere Festplatten bietet mehr Bandbreite als ein einzelnes Laufwerk und vervielfacht die Anzahl der IOPS, die für das Lesen/Schreiben von Daten zur Verfügung stehen. RAID 0 ist einfach zu implementieren und hat die geringsten Overhead-Kosten aller RAID-Typen, da es Festplattenplatz nur zum Speichern von Daten verwendet. Es geht kein Speicherplatz durch Overhead oder Datenredundanz verloren. Es wird weitgehend unterstützt.
Nachteile: RAID 0 bietet die schlechteste Data Protection aller RAID-Level. Da RAID 0 keine Parität hat, fällt beim Ausfall einer Festplatte der gesamte RAID-Satz aus. Die Administratoren müssen die ausgefallene Festplatte ersetzen, den RAID-Satz rekonstruieren und die Daten aus einem Backup wiederherstellen.
Einsatz: Die fehlende Redundanz von RAID 0 bedeutet, dass es zur Datenspeicherung für nicht unternehmenskritische Anwendungen verwendet werden sollte. Es ist gut geeignet für Anwendungen, bei denen Daten mit hoher Geschwindigkeit gelesen und geschrieben werden.
RAID 1: Spiegelung von Festplatten
RAID 1 verwendet Festplattenspiegelung (Disk Mirroring), das heißt alle Daten werden auf zwei separate physische Festplatten geschrieben. Die Festplatten sind im Wesentlichen Spiegelbilder voneinander. Fällt eine Platte aus, können die Daten von der anderen Platte abgerufen werden. Für RAID 1 sind mindestens zwei Festplatten erforderlich, obwohl die meisten Speicherhersteller den Benutzern die Möglichkeit bieten, größere Spiegelsätze zu erstellen.
Vorteile: RAID 1 ist eine gute Wahl für Benutzer, die eine Data Protection der Einstiegsklasse benötigen und für die eine einzelne Festplatte ein angemessenes Leistungsniveau bietet. Wenn die primäre Festplatte des RAID-Sets ausfällt, bietet das Set ein sofortiges Failover, indem es die Spiegelplatte in die Lage versetzt, die ausgefallene Festplatte zu ersetzen.
Nachteile: Die Schreibgeschwindigkeit kann langsamer sein, da die Daten auf zwei Festplatten geschrieben werden müssen, obwohl einige Speicher-Controller diesen Engpass beseitigen. Ein weiterer Nachteil von RAID 1 ist, dass doppelt so viel Speicherplatz benötigt wird, da die Daten auf zwei Festplatten statt nur auf eine geschrieben werden.
Einsatz: RAID 1 eignet sich gut für Benutzer, die Leistung auf einer einzigen Festplatte und eine hohe Verfügbarkeit auf Einstiegsniveau benötigen. RAID 1 wird häufig zum Schutz des Betriebssystems eines Servers eingesetzt, da es eine zweite Kopie der Boot-Platte des Servers bereitstellt.
RAID 10: Festplattenspiegelung und Striping
RAID 10, das auch als RAID 1+0 bezeichnet wird, ist ein verschachtelter RAID-Level (Nested RAID), der Festplattenspiegelung und Striping kombiniert. Die Daten werden normalerweise zuerst gespiegelt und dann gestriped. Die Spiegelung von Striping-Sets erfüllt dieselbe Aufgabe, ist aber weniger fehlertolerant als Striping-Spiegelsets. RAID 10 erfordert mindestens vier physische Festplatten.
Vorteile: RAID 10 profitiert von den Leistungsfähigkeiten, die durch die Verwendung von RAID 0 bereitgestellt werden. Die Daten werden auf zwei oder mehr Laufwerke verteilt, und mehrere Lese-/Schreibköpfe auf den Laufwerken können gleichzeitig auf Teile der Daten zugreifen, was zu einer schnelleren Verarbeitung führt. Da RAID 1 verwendet wird, sind die Daten bei RAID 10 vollständig geschützt. Wenn eine Festplatte innerhalb des Satzes ausfällt oder nicht mehr verfügbar ist, kann die Spiegelkopie übernehmen.
Nachteile: Wenn ein Laufwerk in einem Stripe-Set ausfällt, müssen Sie auf die Daten des anderen Stripe-Sets zugreifen, was die Leistung bei einem Failover beeinträchtigen kann. Außerdem sind für RAID 10 mindestens vier Festplatten erforderlich, was es teurer macht als einige andere RAID-Level. Wie bei RAID 1 geht die Hälfte der Gesamtkapazität des Arrays durch die Redundanz verloren.
Einsatz: Die Redundanz und hohe Leistung von RAID 10 machen es zu einer guten Wahl für Vorgänge, die minimale Ausfallzeiten erfordern. Es ist auch optimal für I/O-intensive Anwendungen, wie E-Mail, Webserver, Datenbanken und Anwendungen, die eine hohe Festplattenleistung benötigen.
RAID 2: Striping und Hamming-Code-Parität
RAID 2 strippt Daten auf Bit-Ebene und verwendet Hamming-Code, um Parität zu bieten und Fehler zu erkennen. Die Parität lieferte eine Prüfsumme über die auf die Festplatten geschriebenen Daten. Die Paritätsinformationen wurden zusammen mit den Originaldaten geschrieben. Der Server, der auf die Daten eines hardwarebasierten RAID-Sets zugreift, erkannte nicht, wann eines der Laufwerke im RAID-Set defekt war. In diesem Fall verwendete der Controller die Paritätsinformationen, die auf den funktionierenden Festplatten des RAID-Sets gespeichert waren, um die verlorenen Daten wiederherzustellen.
Vorteile: Data Protection ist ein wesentlicher Vorteil von RAID 2. Die durch den Hamming-Code bereitgestellte Parität sorgte für Datenredundanz und Fehlertoleranz.
Nachteile: RAID 2 ist komplexer als andere RAID-Level. Es ist zudem kostspieliger als einige andere Levels, da es ein zusätzliches Laufwerk erforderte.
Einsatz: Hamming-Codes werden bereits als Error Correction Codes in Festplattenlaufwerken verwendet, so dass RAID 2 nicht mehr eingesetzt wird.
RAID 3: Paritätsfestplatte
RAID 3 verwendet eine Paritätsfestplatte (Parity Disk), um die von einem RAID-Controller generierten Paritätsinformationen auf einer von den eigentlichen Datenplatten getrennten Platte zu speichern, anstatt sie wie bei RAID 5 zusammen mit den Daten zu strippen. RAID 3 erfordert mindestens drei physische Festplatten.
Vorteile: RAID 3 bietet einen hohen Durchsatz, was es zu einer guten Wahl für die Übertragung großer Datenmengen macht.
Nachteile: RAID 3 erfordert ein zusätzliches Laufwerk für die Parität. Da die Paritätsdaten auf einer separaten Festplatte gespeichert werden, ist die Leistung von RAID 3 schlecht, wenn viele kleine Datenanfragen gestellt werden, wie bei einer Datenbankanwendung. Darüber hinaus kann die Paritätsfestplatte zu einem Single Point of Failure werden.
Einsatz: RAID 3 eignet sich gut für Anwendungen, die eine lange, sequenzielle Datenübertragung erfordern, wie zum Beispiel Videoserver.
RAID 4: Paritätsfestplatte und Block-Level-Striping
RAID 4 verwendet eine dedizierte Paritätsfestplatte zusammen mit Block-Level-Striping auf allen Festplatten, um Daten zu schützen. Bei RAID 4 wird die Anzahl der Bits auf mehreren Festplatten addiert und die Summe auf der separaten Paritätsfestplatte gespeichert. Diese gespeicherten Bits werden bei der Datenwiederherstellung verwendet, wenn ein Laufwerk ausfällt.
Vorteile: Mit Striping können Daten von jeder Festplatte gelesen werden. RAID 4 eignet sich gut für den sequenziellen Datenzugriff.
Nachteile: Die Verwendung einer dedizierten Paritätsplatte kann zu Leistungsengpässen bei Schreibvorgängen führen, da alle Schreibvorgänge über die dedizierte Platte laufen müssen.
Einsatz: Da es inzwischen Alternativen wie RAID 5 gibt, wird RAID 4 kaum noch verwendet.
RAID 5: Festplatten-Striping mit Parität
RAID 5 verwendet Festplatten-Striping mit Parität. Wie bei anderen RAID-Levels, die Striping verwenden, werden die Daten auf alle Festplatten im RAID-Verbund verteilt. Die Paritätsinformationen, die zur Rekonstruktion der Daten im Falle eines Festplattenausfalls benötigt werden, sind ebenfalls diagonal über die Festplatten des RAID-Sets verteilt. RAID 5 ist einer der am häufigsten verwendeten RAID-Level, da er ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Datenverfügbarkeit bietet. RAID 5 erfordert mindestens drei physische Festplatten.
Vorteile. Die kombinierte Verwendung von Daten-Striping und Parität verhindert, dass eine einzelne Festplatte zu einem Engpass wird. RAID 5 bietet eine gute Leseleistung, die fast mit der von RAID 0 vergleichbar ist. Da die Paritätsdaten über alle Laufwerke im RAID-Satz verteilt sind, kann ein RAID-5-Array auch dann noch funktionieren, wenn eine Festplatte im Array ausfällt. Wenn ein Fehler auftritt, ermöglichen die meisten RAID-5-Implementierungen den Hot Swap der ausgefallenen Festplatte.
Nachteile: Die Schreibleistung von RAID-5-Laufwerken ist aufgrund der Paritätsdatenberechnung langsamer als die Leseleistung. Dieser RAID-Level hat längere Recovery-Zeiten und stellt potenziellen Datenverlust dar, wenn ein zweites Laufwerk während einer Wiederherstellung ausfällt. RAID 5 erfordert außerdem einen komplexeren Controller als andere RAID-Level.
Einsatz: RAID 5 ist eine gute Option für Anwendungs- und Dateiserver mit einer begrenzten Anzahl von Laufwerken.
RAID 50: Festplatten-Striping und verteilte Parität
RAID 50, auch bekannt als RAID 5+0, ist ein weiterer verschachtelter RAID-Level, der Striping und verteilte Parität kombiniert, um die Vorteile beider zu nutzen. Für RAID 50 sind mindestens sechs Festplatten erforderlich.
Vorteile: Die Data-Protection-Funktionen von RAID 50 sind eine Stufe über RAID 5. Während RAID 5 nur den Ausfall einer einzigen Festplatte überstehen kann, kann RAID 50 den Ausfall mehrerer Festplatten überdauern, solange diese Ausfälle nicht im selben Array auftreten. Im Falle eines einzelnen Festplattenausfalls wird die Leistung nicht so stark beeinträchtigt wie bei RAID 5, da nur eine der RAID-5-Anordnungen betroffen ist.
Nachteile: Da RAID 50 mindestens sechs Festplatten benötigt, ist es potenziell teurer als andere RAID-Typen. Außerdem sind ein hochentwickelter Controller und synchronisierte Festplatten erforderlich.
Einsatz: RAID 50 eignet sich für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.
RAID 6: Festplatten-Striping mit doppelter Parität
RAID 6 erhöht die Zuverlässigkeit gegenüber RAID 5, indem es die Paritätsdaten auf mehrere Festplatten verteilt und die Überlappung von I/O-Vorgängen zur Leistungssteigerung ermöglicht. RAID 6 verwendet zwei Paritäts-Stripes, die zwei Festplattenausfälle innerhalb des RAID-Sets ermöglichen, bevor Daten verloren gehen. RAID 6 ermöglicht die Datenwiederherstellung bei gleichzeitigen Laufwerksausfällen, was bei Laufwerken mit größerer Kapazität und längeren Wiederherstellungszeiten häufiger vorkommt. RAID 6 erfordert mindestens vier Laufwerke.
Vorteile: Die doppelte Parität bei RAID 6 schützt vor Datenverlusten, wenn ein zweites Laufwerk ausfällt. Der prozentuale Anteil der nutzbaren Datenspeicherkapazität steigt mit dem Hinzufügen von Festplatten zu einem RAID 6-Array. Über das Minimum von vier Festplatten hinaus verbraucht RAID 6 weniger Speicherkapazität als RAID-Levels, die Spiegelung verwenden.
Nachteile: RAID 6 hat eine geringere Leistung als RAID 5. Die Leistung kann erheblich beeinträchtigt werden, wenn zwei Laufwerke gleichzeitig wiederhergestellt werden müssen. RAID 6 kann teurer sein, da es zwei zusätzliche Festplatten für die Parität benötigt. RAID 6 erfordert einen speziellen Controller. RAID-Controller-Coprozessoren werden häufig mit RAID 6 verwendet, um Paritätsberechnungen durchzuführen und die Schreibleistung zu verbessern.
Einsatz: RAID 6 ist eine gute Option für die langfristige Datenspeicherung. Es wird häufig für Laufwerke mit großer Kapazität verwendet, die für die Archivierung oder plattenbasierte Datensicherung eingesetzt werden. Mit mehr Datenschutzfunktionen als RAID 5 ist RAID 6 auch eine gute Wahl für unternehmenskritische Anwendungen.
Adaptives RAID: Option zur Verwendung von RAID 3 oder RAID 5
Bei adaptivem RAID kann der RAID-Controller selbst entscheiden, wie die Parität auf den Festplatten gespeichert werden soll. Er wählt zwischen RAID 3 und RAID 5, je nachdem, welcher RAID-Satztyp für die Art der auf die Festplatten geschriebenen Daten besser geeignet ist.
RAID 7: Non-Standard mit Caching
RAID 7 ist ein nicht standardisierter RAID-Level - basierend auf RAID 3 und RAID 4 -, der Caching hinzufügt und proprietäre Hardware erfordert. Dieser RAID-Level ist im Besitz und unter dem Warenzeichen der inzwischen aufgelösten Storage Computer Corp.