Raid-Systeme Cyrus Massoumi Nabil Sahli

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1 Raid-Systeme von Cyrus Massoumi und Nabil Sahli

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung...3 Geschichte...4 Software-Raid vs. Hardware-Raid...5 Anforderungen an die Festplatte...7 Raid-Controller...8 Raid-Level Raid-Level Raid-Level 0 vs. Raid-Level Raid Raid-Level Raid-Level Raid-Level Raid-Level Raid-Level Raid-Level Vergleich der einzelnen Raid-Level...25 Zusammenfassung...27 Quellenangaben...28

3 Einleitung Einleitend wird erläutert, was der Begriff Raid bedeutet und wie das Raid-System funktioniert. Danach wird ein kurzer Überblick über die Geschichte gelieferr, um darauf aufbauend sowohl die Funktionsweise als auch die Unterschiede der einzelnen Raid-Systeme darzustellen. Der Begriff Raid steht für Redundant Array of Independent Disks. Früher war auch oft der Begriff Redundant Array of Inexpensive Disks gebräuchlich. Beim Einsatz von Raid werden mehrere unabhängige Festplatten zusammengeschaltet, um ein großes logisches Laufwerk (Array) zu bilden. Neben den eigentlichen Nutzdaten werden in diesem Array auch Redundanzinformationen gespeichert. Die Redundanzinformationen können die Daten selbst, oder aus mehreren Datenblöcken berechnete Paritätsdaten sein. Durch die Zusammenschaltung zu einem logischen Laufwerk greift das Betriebsystem nicht mehr auf die einzelnen Festplatten, sondern auf das Array zu. Die Verwaltung des Arrays erfordert den gleichen Aufwand wie bei einer einzigen Festplatte. Das eigentliche Ziel von Raid-Systemen ist es, die Verfügbarkeit von Daten zu erhöhen. Raid-Systeme schützen vor einem möglichen Datenverlust bei Ausfall einer oder mehrerer Festplatten. Weiterhin bieten einige Raid-Varianten 1 durch die Parallelisierung der Festplattenzugriffe gegenüber Einzellaufwerken einen Geschwindigkeitsvorteil. Gegen Datenverluste durch Diebstahl, Feuer und ähnliche Natureinflüsse oder unvorsichtige Benutzer bieten Raid-Systeme allerdings keinen Schutz, weshalb sie eine gute Backup Lösung nicht ersetzten können. 3 / 28 1 Eine detaillierte Erklärung der verschiedenen Raid-Varianten erfolgt auf den nächsten Seiten.

4 Geschichte Als die Raid-Technologie vor weniger als 20 Jahren aus der Taufe gehoben wurde, war die Speicherung großer Datenmengen noch eine reichlich knifflige Angelegenheit. Die damals in Rechenzentren gebräuchlichen SLEDs (Single Large Expensive Disks) boten mit zwei bis drei Gigabyte zwar hohe Speicherkapazitäten, waren jedoch extrem teuer. Im Jahre 1987 veröffentlichten D. A. Patterson, G. Gibson und R. H. Katz von der Universität Berkely in Kalifornien ein Forschungspapier, um die damals langsamen Festplattenzugriffe zu beschleunigen und die MTBF 2 (Mean Time Between Failures) zu erhöhen. Sie schlugen vor, die Daten auf vielen kleinen, billigen Festplatten anstatt auf wenigen großen und teuren zu speichern. Aus diesem Grund war die frühere Bezeichnung für Raid - als Gegenstück zu den damaligen SLED Systemen - auch Redundant Array of Inexpensive Disks. In ihrer Studie definierten die drei Wissenschaftler fünf verschiedene Methoden, um die Festplatten miteinander zu verbinden. Diese so genannten Raid-Level haben bis heute Zuwachs erhalten und lassen sich auch in diversen Kombinationen einsetzen. Leider sorgt der Begriff 'Level' immer wieder für Missverständnisse. Es handelt sich hierbei nicht um stufenweise aufbauende Verfahren, sondern um von einander völlig unabhängige Techniken. Seit 1992 wird die Standardisierung von Raid durch das RAB (Raid Advisory Board) geleitet. Das RAB besteht aus etwa 50 Firmen. 4 / 28 2 MTBF ist die mittlere Zeit zwischen zwei Fehlern. MTBF dient als Maß für die Zuverlässigkeit von Geräten oder Anlagen. Je höher der MTBF-Wert, desto zuverlässiger sollte das Gerät sein.

5 Software-Raid vs. Hardware-Raid Die Begriffe Hardware-Raid bzw. Software-Raid erscheinen etwas irreführend, da sowohl Hardware-, als auch Software-Raid zum Betrieb Software benötigen. Die Bezeichnungen stehen nur für unterschiedliche Implementierungen. Software-Raid Wenn Software-Raid zum Einsatz kommt übernimmt eine Software - die auf dem Rechner, in dem das Raid-Array arbeitet - installiert ist die Steuerung des logischen Verbundes. In vielen Fällen wird die Software von dem Betriebssystem mitgeliefert. Software-Raid ist meist die kostengünstigste und einfachste Lösung. Ein Nachteil ist, dass es eine relativ hohe CPU-Belastung verursacht und Plattform-, sowie Betriebssystemspezifisch ist. Wenn Software-Raid auf handelsüblichen Computern eingesetzt wird hat man außerdem nur eine geringe Anzahl an Festplattenanschlüssen, was die mögliche Parallelisierung der Festplattenzugriffe und damit auch die Leistungsfähigkeit stark einschränkt. Hardware-Raid Beim Einsatz von Hardware-Raid übernimmt ein eigener Controller die Steuerung des Raid-Arrays. Dies entlastet die CPU des Rechners und hat somit eine höhere Leistung zur Folge. Ein Nachteil von Hardware-Raid ist, im Vergleich zu Software-Raid, der hohe Preis. Hardware-Raid arbeitet plattformunabhängig, braucht aber zur Verwaltung ebenfalls Software, die auch für ein bestimmtes Betriebssystem angepasst sein muss. Die Tabelle auf der folgenden Seite fasst die wesentlichen Unterschiede zwischen Hardware- und Software-Raid nochmals zusammen. 5 / 28

6 Software-Raid vs. Hardware-Raid Die wesentlichen Unterschiede nochmals im Überblick: Bildquelle: 6 / 28

7 Anforderungen an die Festplatte Die einzelnen Festplatten werden an einen sogenannten Raid-Controller angeschlossen. Diesen Controller gibt es entweder als zusätzliche Steckkarte für das Mainboard, oder mitlerweile immer häufiger bereits direkt auf dem Mainboard verbaut. Auf der folgenden Seite ist beispielhaft ein Raid-Controller dargestellt. Die Situation bei der Wahl des Anschlusses der Festplatte oder des Raid- Controllers hat sich in den letzten Jahren für die Benutzer stark verbessert. Noch vor wenigen Jahren galten strikte Regeln für die Wahl der Festplatten. SCSI (Small Computer System Interface) war als Schnittstelle Pflicht und alle verwendeten Festplatten mussten identische Kapazitäten haben. Weiterhin kam es sehr oft vor, dass in einem Raid-Array nur Festplatten der gleichen Bauserie verwendet werden durften. Heutzutage hat der Benutzer bei der Wahl der Schnittstelle der Festplatte mehr Freiheiten. Zwar kommt im Serverumfeld aufgrund der hohen Leistung nach wie vor SCSI zum Einsatz, aber im Heimbenutzerbereich, oder für kleinere Server und Workstations werden mitlerweile häufig die Standardschnittstellen für Festplatten Ultra-ATA (Advanced Technology Attachments), oder der immer günstiger werdende Ultra-ATA Nachfolger Serial-ATA eingesetzt. Auf aktuellen Mainboards ist normalerweise ein Serial-ATA Controller mit mehreren Anschlüssen verbaut. Auch ist ein Mix von Festplatten verschiedener Hersteller, Bauarten und Kapazitäten gestattet. Dies hat allerdings den Nachteil, dass sich dadurch nicht immer die gesamte Nettokapazität für das Raid-Array benutzen lässt. Da Raid-Systeme gleich große Festplatten voraussetzen wird in einer Mischkonfiguration jedes Laufwerk nur bis zur Kapazität der kleinsten vorhandenen Festplatte genutzt. Wenn man also beispielsweise eine 50 Gigabyte Festplatte mit drei 250 Gigabyte Festplatten kombiniert, stehen nur viermal 50 Gigabyte für das Raid-Array zur Verfügung. 7 / 28

8 Raid-Controller Im Bild sieht man beispielhaft einen Raid-Controller. Die Anschlüsse für die Festplatten sind die beiden Steckplätze links, sowieso die zwei schwarzen Steckplätze in der Mitte: Bildquelle: 8 / 28

9 Raid-Level 0 Beim Raid-Level 0 handelt es sich - wie die Null im Namen schon andeutet - nicht um ein redundantes Speicherverfahren. Es dient lediglich zur Beschleunigen von Festplattenzugriffen. Um dies zu realisieren fasst Raid 0 zwei oder mehr Festplatten zu einem logischen Laufwerk zusammen. Die Daten werden in aufeinanderfolgenden Blöcken (auch Stripes genannt) gleichmäßig über alle Festplatten im Verbund verteilt. Ein Block auf einer Festplatte besteht je nach verwendetem Dateisystem aus mehreren Kilobyte. Ein häufig benutzer Wert sind 64 Kilobyte. Raid 0 bezeichnet man umgangssprachlich auch einfach als Striping. Die Aufteilung ist auf der nächsten Seite dargestellt. Durch das parallele Lesen und Schreiben auf mehreren Laufwerken steigert sich die Datentransferrate. Den größten Nutzen hat man bei großen, zusammenhängenden Daten. Hier macht sich die Geschwindigkeitssteigerung besonders bemerkbar, da Striping parallel auf allen Festplatten arbeitet und dadurch die Transferrate vervielfacht wird. Beim Lesen und Schreiben vieler kleiner Dateien ist die Zugriffszeit der Festplatten der limitierende Faktor. In diesem Scenario erzielt man durch die Verteilung in etwa nur die Leistung einer einzelnen Festplatte. Der Vorteil der höheren Datentransferrate muss mit der Sicherheit der Daten teuer erkauft werden. Wenn aus dem Verbund eine Festplatte ausfällt sind alle Daten verloren. Raid 0 wird häufig eingesetzt, wenn große Datenmengen abgearbeitet werden müssen. Weiterhin hat Raid 0 ein sehr einfaches Design und ist leicht zu implementieren. Wie oben bereits erwähnt, gehen alle Daten verloren wenn eine Festplatte aus dem Verbund ausfällt. Daher sollte Raid 0 niemals in kritischen Umgebungen benutzt werden. Bevorzugte Anwendungsbereiche sind Audio/Video Bearbeitung und allgemein Anwendungen die einen hohen Datendurchsatz verlangen. 9 / 28

10 Raid-Level 0 Raid-Level 0 beschleunigt zwar den Festplattenzugriff, bietet aber keine redundante Speicherung der Daten. Jeder Buchstabe steht für einen Block. Man erkennt die Aufteilung deutlich. Der erste Block wandert auf die erste, der zweite Block auf die zweite Festplatte, usw..: Bildquelle: 10 / 28

11 Raid-Level 1 Das Raid-Level 1 trägt auch die Bezeichnung Mirroring (Spiegelung). Dieser Name sagt bereits aus, wie das Verfahren arbeitet. Alle Schreibzugriffe erfolgen parallel auf zwei Festplatten, so dass jede Festplatte ein Spiegelbild (daher das englische Wort mirroring) der anderen ist. Der offensichtliche große Vorteil ist, dass alle Daten doppelt zur Verfügung stehen. Daraus resultiert, dass selbst nach einem kompletten Festplattenausfall alle Daten erhalten bleiben, da sie ja auf der anderen Festplatte zusätzlich gespeichert sind. Ein großer Nachteil von Raid 1 ist allerdings, dass für die Speicherung von Daten nur die Hälfte der tatsächlichen Speicherkapazität zur Verfügung steht. Wenn man beispielsweise zwei identische Festplatten benutzt, kann man nur eine davon zur eigentlichen Datenspeicherung nutzen. Auf der zweiten Festplatte werden keine neuen Daten, sondern nur eine 1:1 Kopie der Daten der ersten Festplatte gespeichert. Leseoperationen werden auf die beiden Laufwerke verteilt, so dass jedes Laufwerk nur noch etwa die Hälfte der Leseanforderungen zu bearbeiten hat. Allerdings müssen Schreiboperationen immer auf beiden Festplatten durchgeführt werden. Deshalb sind Schreiboperationen höchsten so schnell wie bei einer einzelnen Festplatte. Raid 1 wird häufig zusammen mit Raid 0 zu Raid 0+1 kombiniert. Auf Raid 0+1 wird auf den folgenden Seiten eingegangen. Das ideale Einsatzgebiet von Raid 1 sind Anwendungsbereiche in denen hohe Anforderungen an Datenverfügbarkeit gestellt werden, aber außerdem nur ein kleines Budget zur Verfügung steht. 11 / 28

12 Raid-Level 1 Raid 1 geht auf Nummer Sicher und erzeugt auf einer zweiten Festplatte eine identische Kopie der ersten: Bildquelle: 12 / 28

13 Raid-Level 0 vs. Raid-Level 1 In den jeweiligen Beschreibungen zu Raid 0 und Raid 1 wurden gewisse Aussagen über die Lese- und Schreibleistungen gemacht. Im nun folgenden Vergleich der beiden Varianten soll gezeigt werden, wieweit diese Vermutungen in der Praxis zutreffen. Zusätzlich wurde die Leistung einer einzelnen Festplatte in dem Vergleich berücksichtigt. Der Test 3 wurde mit zwei Hitachi Festplatten mit einer Einzelkapazität von 76 Gigabyte durchgeführt. Die Blockgröße betrug 64 Kilobyte. Als Betriebssystem kam Windows XP zum Einsatz. Bildquelle: Eine einzelne Festplatte erreichte eine Schreibgeschwindigkeit von ~24 Megabyte/Sekunde. Das Stripeset (Raid 0) erzielte den sehr guten Wert von ~38 Megabyte/Sekunde. Hier bestätigt sich die oben gemachte Aussage, dass das parallele Schreiben auf mehreren Laufwerken die Datentransferrate steigert. Raid 1 liefert mit ~20 Megabyte/Sekunde den schlechtesten Wert. Dies bestätigt ebenfalls, dass Schreiboperationen auf beiden Festplatten höchstens so schnell wie auf einem Einzellaufwerk sein können. Beim Lesetest zeigt sich ein ähnliches Bild. Raid 0 liefert ähnlich gute Werte wie im Schreibtest. Es zeigt sich weiterhin, dass die Verteilung der Leseoperationen auf beide Festplatten von Raid 1 keinen Vorteil liefert. Der Wert liegt mit ~25 Megabyte/Sekunde wieder knapp hinter dem des Einzellaufwerks. Dies ist jedoch nicht repräsentativ zu verstehen. Je nach eingesetztem Raid-Controller kann dieser Wert auch leicht über dem eines Einzellaufwerks liegen. Der Kopiertest bestätigt die beiden ersten Ergebnisse. Raid 0 ist der klare Sieger, gefolgt von der Einzelfestplatte. Raid 1 liegt wieder leicht dahinter. 13 / 28 3 Der Test wurde von TecChannel durchgeführt.

14 Raid Das hier beschriebene Verfahren wird je nach Hersteller Raid 0+1, Raid 0/1 oder auch Raid 10 genannt. Raid 0+1 versucht das beste aus zwei Welten zu vereinen. Zum einen das Striping von Raid 0 und die Spiegelung von Raid 1. Somit lassen sich Datensicherheit und Leistung gut kombinieren. Das Zusammenwirken von Aufteilung und Spiegelung lässt sich anhand des Bildes auf der nächsten Seite gut nachvollziehen. Raid 0 erzielt durch das Zusammenschalten mehrerer Festplatten sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben eine Geschwindigkeitssteigerung gegenüber einer einzelnen Festplatte. Die zusätzliche Spiegelung auf weitere Festplatten von Raid 1 sorgt für die Datensicherheit. Die Realisierung eines Raid 0+1 Systems ist in zwei Varianten denkbar. Angenommen es stehen 6 Festplatten zur Verfügung. Nun lassen sich zuerst je 3 Laufwerke stripen (Raid 0) und anschließend diese beiden logischen Laufwerke spiegeln (Raid 1). In diesem Fall hätte man nun zwei sogenannte Stripesets zur Verfügung. Die andere Variante wäre, zuerst je zwei Laufwerke zu spiegeln und dann die drei logischen Laufwerke zu einem Stripeset zu verbinden. Beide Varianten liefern dasselbe Ergebnis, denn bei beiden Methoden steht am Ende die Kapazität von drei Festplatten zur Verfügung. Wenn man die beiden Methoden jedoch von dem Standpunkt der Datensicherheit betrachtet, wird klar, dass das zweite Verfahren dem ersten vorzuziehen ist. Dies wird klar wenn man auf den Ernstfall blickt. Wenn zuerst eine Aufteilung vorgenommen wurde, ist nach einem Festplattenausfall das betroffene Stripeset komplett unbrauchbar. Natürlich stehen die Daten weiterhin auf dem zweiten Stripeset zur Verfügung, wenn jedoch eines der drei Laufwerke des zweiten Verbundes ausfällt, sind alle Daten verloren. Im umgekehrten Fall verliert ein gespiegeltes logisches Laufwerk durch den Ausfall ebenfalls seine Redundanz, aber ein Datenverlust entsteht nur, wenn eine zweite Festplatte dieser Einheit ausfällt. Die Wahrscheinlichkeit eines Totalausfalls sinkt somit auf ein Drittel gegenüber der ersten Methode. Raid 0+1 ist für Anwendungsbereiche geeignet, die eine hohe Leistung verlangen, es aber verschmerzen können, wenn keine absolute Zuverlässigkeit erreicht wird. Durch Aufteilung und Spiegelung werden zur Implementierungen von Raid 0+1 mindestens vier Festplatten benötigt. 14 / 28

15 Raid Aufteilung und Spiegelung: Raid vereint das beste aus zwei Welten. Bildquelle: 15 / 28

16 Raid-Level 2 Raid 2 bietet zusätzlichen Schutz gegen Fehler innerhalb der Festplatten, wird aber aufgrund der aufwendigen Implementierung kaum eingesetzt. Es ist das 'schwarze Schaf' der Raid Familie, weil es das einzige Raid-Level ist, dass keine Standardtechnik, wie Spiegelung, Striping oder Paritäten 4 benutzt. Bei der Verwendung von Raid 2 werden die Daten bitweise aufgeteilt. Raid 2 bietet neben einer Fehlerkorrektur gegen den kompletten Ausfall einer Festplatte als einziges Raid-Level Schutz vor inkonsistenten Daten durch Schreibfehler oder ähnlichem. Alle anderen Raid-Level würden einen solchen Fehler zwar erkennen, aber es wäre unmöglich herauszufinden welche Festplatten aus dem Verbund die falschen Daten geliefert hat. Eine Korrektur ist somit unmöglich. Raid 2 verwendet deshalb neben 8 Bit für Daten noch 2 Bit für den ECC-Code 5. Wie dies funktioniert lässt sich an dem Bild auf der folgenden Seite nachvollziehen. Dadurch lässt sich ein Fehler erkennen und zusätzlich seine Position herausfinden. Raid 2 funktioniert damit wie der ECC-Ram, der bei einem 1-Bit-Fehler nicht mit einem Paritätsfehler den Computer stoppt, sondern das falsche Bit korrigiert. Durch die bitweise Verteilung auf eigene Festplatten sind nicht weniger als 10 Festplatten im Verbund erforderlich. Ein Vorteil von Raid 2 ist, dass sich durch die Möglichkeit des parallelen Zugriffs die Lesegeschwindigkeit auf das achtfache erhöht, allerdings hat Raid 2 auch den Nachteil, dass durch den ECC-Overhead die Leistung bei Schreiboperationen unter die eines Einzellaufwerks sinkt. Aus diesen und anderen Gründen ist Raid 2 das einzige der originalen Raid-Levels aus Berkeley, dass heute kaum eingesetzt wird. 16 / 28 4 Paritäten werden auf den nächsten Seiten im Zusammenhang mit Raid 3 genauer erklärt. 5 Error Correction Code: Verfahren zum Erkennen und Korrigieren von Bitfehlern.

17 Raid-Level 2 Das schwarze Schaf der Raid-Familie. Aufwendig zu implementieren und daher kaum eingesetzt. Das Bild zeigt eine vereinfachte Implementierung mit 7 Laufwerken. Bildquelle: 17 / 28

18 Raid-Level 3 Raid 3 ist das erste Raid-Level das Paritäten verwendet. Im Gegensatz zu Raid 2, was auf Bitebene operiert, teilt Raid 3 die Daten in Bytes auf. Durch die Verwendung von Paritäten wird eine bessere Leistung bei Lese- und Schreiboperationen erzielt. Dies liegt daran, dass die Nutzdaten über die einzelnen Festplatten aufgeteilt werden und nur eine einzige Festplatte zur Speicherung der Paritäten benutzt wird. Bei der Verwendung von Raid 3 treten jedoch Probleme auf, wenn nur kleine Mengen an Daten übertragen werden. Dieser sogenannte Flaschenhals tritt auf, weil jedesmal, egal wie groß oder wie klein die Daten sind, die Parität neu berechnet werden muss. Wenn kleine Mengen an Daten übertragen werden, sind die Daten schon lange gespeichert, bevor die Parität überhaupt berechnet wurde. Das ganze System muss also auf die Erstellung der Parität warten, bevor es weitere Arbeiten durchführen kann. Bei Raid 3 muss eine Leseanforderung auf alle Datenplatten zugreifen um einen Datenblock zu rekonstruieren. Die Paritätsplatte wird beim Lesen nur in Fehlerfällen verwendet. Wie oben bereits erwähnt, benötigt eine Schreibanforderung sowohl die Datenplatten als auch die Paritätsplatte um die Paritätsinformationen neu zu berechnen. Durch das Auslagern der Paritätsinformationen auf eine extra Festplatte ist der Ausfall einer Platte zu kompensieren. Wenn eine Festplatte ausfällt lassen sich die Informationen durch Zuhilfenahme der Paritätsplatte zurückgewinnen. Eine Beispielrechnung, in der gezeigt wird, wie sich die Daten nach einem Ausfall einer Festplatte zurückgewinnen lassen wird auf der nächsten Seite gezeigt. Beim Lesen großer Dateien kann Raid 3 den Geschwindigkeitsvorteil des parallelen Zugriffs ausspielen. Aus diesem Grund wird Raid 3 vor allem bei der Verarbeitung großer zusammenhängender Datenmengen auf Einzelplatzrechnern eingesetzt. 18 / 28

19 Raid-Level 3 Auf dem folgenden Bild sieht man ein Raid 3 System bei dem vier Festplatten eingesetzt werden. Die Paritätsplatte ist gelb gekennzeichnet. Die einzelnen Bytes einer Datei werden gleichmäßig über alle vier Datenplatten verteilt. Mit einem exclusiven Oder (XOR) verknüpft liefern die einzelnen Bytes jeder Festplatte die Paritätsinformationen. Sollte nun die vierte Platte ausfallen, können die Daten mit Hilfe der ersten drei Festplatten, sowie der Paritätsplatte zurückgewonnen werden. Dazu werden die Bytes der ersten drei Festplatten, sowie der Paritätsplatte wieder mit XOR verknüpft. Das Ergebnis liefert genau die ausgefallene vierte Festplatte. Quelle: Datenbanken Vorlesung Prof. Stumme, 19 / 28

20 Raid-Level 4 Wie Raid 3 verwendet Raid 4 für die Paritätsinformationen eine einzige, dedizierte Festplatte, wie im Bild weiter unten zu sehen ist. Im Gegensatz zu Raid 3 verteilt Raid 4 die Daten wieder in Blöcken auf die Festplatten. Durch das blockweise Verteilen auf die Festplatten kann Raid 4 daher effizienter als Raid 3 mit kleinen Leseanforderung umgehen. Dies geht allerdings zu Lasten von Schreibanforderung. Hier müssen sowohl der alte Inhalt des Datenblocks, als auch der Paritätsblock gelesen werden. Anschließend werden der neue Inhalt des Datenblocks und die Parität geschrieben. Insbesondere nachteilig ist, dass jede Schreiboperation auf die eine Paritätsplatte zugreifen muss. Der Wechsel von Byte- zu Block-Striping verbessert verglichen mit Raid 3 die Zugriffszeit, aber die zentrale Paritätsplatte bleibt weiterhin der Flaschenhals. Vorteile bietet Raid 4 in Umgebungen, in denen erheblich mehr Lese- als Schreibzugriffe anfallen. Wegen der fest definierten Paritätsplatte, die wie bei Raid 3 den Flaschenhals darstellt wird in der Praxis fast immer Raid 5 bevorzugt. Bildquelle: 20 / 28

21 Raid-Level 5 Raid 5 ist eine der beliebtesten und im Serverbereich sehr häufig eingesetzte Raid-Variante. Im Gegensatz zu Raid 3 und Raid 4 verteilt Raid 5 die Paritäten gleichmäßig über alle Laufwerke des Verbundes. Beim Einsatz von Raid 4 konnten die Lese- und Schreiboperationen nicht alle Festplatten verwenden, da eine Platte für die Paritätsinformationen verwendet wurde. Dieser Flaschenhals durch die dedizierte Paritätsplatte ist durch die gleichmäßige Verteilung effektiv beseitigt, wie im Bild auf der nächsten Seite zu sehen ist. Dadurch werden höhere Ausfallsicherheit und Fehlertolleranz gewährleistet. Fällt eine der Festplatten aus, werden die Nutzdaten durch die Paritätsinformationen dynamisch ersetzt. Nach wie vor ist der Overhead von Schreiboperationen nicht zu vernachlässigen, da das Schreiben eines Datenblocks die Neuberechnung des zugehörigen Paritätsblocks voraussetzt. Dazu müssen die alten Zustände des Daten- und Paritätsblocks gelesen werden, der neue Paritätsblock aus dem alten und dem neuen Zustand des Datenblocks und dem alten Zustand des Paritätsblocks berechnet werden und dann die neuen Zustände des Daten- und Paritätsblocks geschrieben werden. Durch parallel schreibenden Zugriff auf kleinere Datenblöcke werden in einem Raid 5 System alle Festplatten gleichmäßig belastet. Die Gesamtleistung des Systems wird somit wesentlich gesteigert. Es darf aber nie mehr als eine Platte gleichzeitig ausfallen. Bei der insgesamt nutzbaren Speicherkapazität gilt es zu berücksichtigen, dass für die Speicherung der Paritätsinformationen im Gesamten die Größe einer Einzelfestplatte benötigt wird. Wenn z.b. ein Raid 5 Array mit drei 150 Gigabyte Festplatten benutzt wird, ergibt sich eine Kapazität von 450 GigaByte. Von diesen verbleiben aber nur 300 Gigabyte zur eigentlichen Datenspeicherung. Raid 5 ist die konstengünstigste Möglichkeit, Daten auf mehr als zwei Festplatten mit Redundanz zu speichern. Es werden mindestens drei Festplatten benötigt. Wie oben bereits erwähnt darf nie mehr als eine Platte gleichzeitig ausfallen. Der Ausfall einer zweiten Festplatte hat einen totalen Datenverlust zur Folge. Die maximale Anzahl an Festplatten ist theoretisch unendlich, aber man sollte bedenken, dass die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Festplatten gleichzeitig ausfallen, ernorm steigt, wenn sehr viele Festplatten benutzt werden. 21 / 28

22 Raid-Level 5 Allrounder: Raid 5 beschleunigt durch den Verzicht auf ein dediziertes Paritätslaufwerk die Schreibzugriffe. Bildquelle: 22 / 28

23 Raid-Level 6 Raid 5 ist das letzte Raid-Level, dass von den Entwicklern der Universität Berkeley vorgeschlagen wurde. Einige Modifikationen durch verschiedene Implementierungen resultierten in neuen Raid-Levels, die aber zum Teil kein offizieller Raid Standard sind. Raid 6 ist eine Erweiterung von Raid 5. Es stellt einen Versuch dar, gegenüber Raid 3 bis 5 die Ausfallsicherheit nochmals zu erhöhen. Bei diesen Verfahren darf nur eine Festplatte des Verbundes ausfallen, da sich sonst die Daten nicht mehr rekonstruieren lassen. Während ein Raid 5 System lediglich einen Satz an Paritätsinformationen speichert, sind dies bei Raid 6 zwei. Durch die doppelte Paritäten lässt sich ein Ausfall von bis zu zwei Festplatten kompensieren. Man spricht hier auch von einer zweidimensionalen Parität, was das weiter unten folgende Bild verdeutlicht. Diese zusätzliche Sicherheit hat den großen Nachteil, dass gegenüber Raid 3 und Raid 5 mit deutlich langsameren Schreibzugriffen zu rechnen ist. Durch seine extrem hohe Fehlertolleranz eignet sich Raid 6 sehr gut für kritische Anwendungen, die eine maximale Datenverfügbarkeit verlangen. Bildquelle: 23 / 28

24 Raid-Level 7 Raid 7 ist kein offizieller Raid Standard. Es ist ein Produkt der Firma Storage Computer. Raid 7 ist ähnlich wie Raid 4 aufgebaut, was sich auf dem Bild erkennen lässt. Der größte Unterschied ist, dass auf dem Raid-Controller ein lokales Echtzeitbetriebssystem installiert ist, welches es den einzelnen Festplatten erlaubt unabhängig voneinander zu operieren und Raid 7 somit nicht das Problem des von Raid 4 bekannten Flaschenhalses hat. Neben mehreren großen Pufferspeichern werden in Raid 7 Systemen schnelle Datenbusse eingesetzt, die von der Datenübertragung entkoppeln sind. Dies führt zu einer deutlich schnelleren Datenübertragungsrate. Wegen der extrem hohen Kosten ist Raid 7 in der Praxis allerdings unüblich und auf Spezialanwendungen beschränkt. Bildquelle: 24 / 28

25 Vergleich der einzelnen Raid-Level Auf den vorherigen Seiten wurde jedes Raid-Level ausführlich erklärt. Nun folgt eine Zusammenfassung, welche nochmals auf die Vor- und Nachteil jedes einzelnen Raid-Levels eingeht. Raid 0 bietet einen preiswerten Einstieg in die Raid-Technologie. Die Hauptmerkmale sind gute Leistung und hoher Datendurchsatz. Nachteilig ist jedoch, dass beim Defekt einer einzigen Festplatte der Datenbestand komplett verloren ist. Raid 1 verwaltet 1:1 Kopien der beiden Festplatten. Beim Ausfall einer Platte übernimmt die zweite den Betrieb. Durch die Spiegelung der Festplatte sind jedoch nur 50 Prozent der vorhandenen Plattenkapazität nutzbar. Somit entstehen auch höhere Kosten bei der Anschaffung der Festplatten. Aufgrund des hohen ECC-Overheads und der daraus resultierenden schwachen Leistung bei Schreiboperationen ist Raid 2 heutzutage kaum noch im Gebrauch. Raid 3 und 4 sind die ersten Raid-Level, die Paritäten benutzen. Für die Paritätsinformationen verwenden sie eine einzige, dedizierte Platte. Einen Geschwindigkeitsvorteil erzielt man mit Raid 3 nur beim Lesen großer Dateien. Ein Nachteil von Raid 3 ist die schlechte Leistung bei kleinen Dateien. Raid 4 kann durch die blockweise Verteilung besser mit kleinen Leseanforderung umgehen. Dies geht allerdings zu Lasten von Schreibanforderung. Wegen dem Flaschenhals (die Paritätsplatte) werden beide Raid-Level selten eingesetzt. Eines der beliebtesten Raid-Level ist Raid 5. Es bietet optimale Festplattenauslastung und sehr hohen Datendurchsatz. Raid 5 kann den Ausfall einer Festplatte verkraften. Als Nachteil ist der hohe Kostenfaktor zu nennen. Raid 6 versucht die Datensicherheit gegenüber Raid 5 durch Verwendung von zweidimensionalen Paritäten nochmals zu erhöhen. Es kann den Ausfall von zwei Festplatten im Verbund kompensieren. Raid 7 ist kein offizieller Raid Standard. Es basiert auf Raid 4, hat aber nicht dessen Nachteil des Flaschenhalses. Auf dem Raid-Controller ist ein lokales Echtzeitbetriebssystem installiert. Die Tabelle auf der folgenden Seite fasst nochmals die wichtigsten Eigenschaften der einzelnen Raid-Level zusammen. Jedes Raid Level hat spezifische Vor- und Nachteile. 25 / 28

26 Vergleich der einzelnen Raid-Level Die wichtigsten Eigenschaften jedes Raid-Levels fasst folgende Tablelle zusammen: Bildquelle: (*) Als Faktor gegenüber einem Einzellaufwerk. (**) Worst-case-Angabe. Im günstigsten Fall können n/2 Laufwerke ohne Datenverlust ausfallen. 26 / 28

27 Zusammenfassung Raid-Systeme, vor nicht einmal 20 Jahren an der Universität von Berkeley in Kalifornien entwickelt, stellen seit langem den Standard für effiziente und sichere Datenspeicherung in Serversystemen dar. Durch den raschen Zuwachs an Mainboards mit eingebauten Raid-Controllern wurden sie in den letzten Jahren auch für Heimanwender immer interessanter. Durch den Einsatz von Raid-Systemen lässt sich die Verfügbarkeit von Computersystemen erheblich steigern. Nichtsdesto trotz kann ein Raid-System kein Allheilmittel gegen Datenverluste sein. Für eine nahezu 100 prozentige Ausfallsicherheit müssten alle Komponenten eines Computersystems wie Prozessor, Netzteil, Lüfter usw. redundant ausgelegt sein. Solche Lösungen werden von der Industrie zwar angeboten, sind allerdings nicht preiswert. Zudem ereignen sich Ausfälle von Laufwerken und anderen Komponenten nicht immer unabhängig voneinander. In der Praxis treten gelegentlich Situationen ein, durch die sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Raid-Arrays schlagartig erhöht. Zu diesen Risiken gehören auch Naturkatastrophen wie durch Blitzeinschläge verursachte Überspannungen, Überschwemmungen oder Brände. Weiterhin geht heutzutage eine große Gefahr von Viren aus, die Computersysteme befallen können. Den größten oftmals unterschätzten Risikofaktor stellt weiterhin der Mensch dar. Ein großer Anteil an Datenverlusten lässt sich auf Fehlverhalten von Benutzern oder Administratoren zurückführen. Gelöschte Daten sind auch auf Raid-Systemen verloren. Selbst für das ausgefeilteste Raid-System gilt deshalb: Den einzig wirklich zuverlässigen Schutz gegen Datenverluste bietet ein konsequent geplantes und vorgenommenes Backup! 27 / 28

28 Quellenangaben --- Datenbanksysteme: Eine Einführung, Alfons Kemper & André Eickler --- Das Raid Kompendium --- Redundant Array of Independent Disks --- What is Raid? --- Extremely detailed RAID guide --- Raid im Überblick --- Datenbanken Vorlesung Sommersemester 2004, Prof. Gerd Stumme --- RAID-Level im Überblick --- RAID Tutorial --- Enjoy the power of arrays of... drive letters! 28 / 28

RAID. Name: Artur Neumann

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