tonda55 - Fotolia

RAID 0-10: Die unterschiedlichen Typen und ihre Vorteile

Daten lassen sich in Festplatten- und SSD-Systemen durch RAID-Level besser schützen. Wir erklären, wie die einzelnen RAID-Level funktionieren und wo ihre Vor- und Nachteile liegen.

RAID stand ursprünglich für „Redundant Array of Inexpensive Disks“ (zu Deutsch: redundantes Array günstiger Festplatten). Das Akronym wurde allerdings zum korrekteren „Redundant Array of Independent Disks“ (zu Deutsch: redundantes Array unabhängiger Festplatten) aktualisiert. Aber der Zweck von RAID hat sich nicht geändert.

RAID ist eine gängige Methode zum Schutz von Anwendungsdaten auf Festplatten und Solid-State-Speichern, wobei verschiedene RAID-Typen den Schutzgrad gegen den Preis ausbalancieren. Je größer der Schutz, desto höher die Kosten. Mit der Weiterentwicklung der Datenspeicherung hat sich auch die Anzahl der RAID-Levels erhöht.

RAID ist eine Möglichkeit, einzelne physische Laufwerke zu einem RAID-Set zusammenzufassen. Das RAID-Set stellt alle physischen Laufwerke als eine logische Festplatte auf einem Server dar. Die logische Festplatte wird als Logical Unit Number (LUN) bezeichnet.

Verbesserungen der RAID-Leistung und -Verfügbarkeit haben dazu geführt, dass RAID auch dann noch verwendet wird, wenn neuere, alternative Technologien verfügbar werden. 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 erklären, was sie jeweils am besten können.

  • RAID 0: Festplatten-Striping
  • RAID 1: Festplattenspiegelung
  • 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

Die RAID-Level im Überblick

RAID-Level können in drei Kategorien unterteilt werden: Standard, Nicht-Standard und verschachtelt (nested). Standard-RAID-Level 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 festgelegt. Nicht-Standard-RAID umfasst RAID 7, adaptives RAID, RAID S und Linux md RAID 10. Verschachteltes 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 der Art der Anwendung abhängen, die Sie auf Ihrem Server ausführen. RAID 0 ist am schnellsten, RAID 1 ist am zuverlässigsten und RAID 5 ist eine gute Kombination aus beidem. Welches RAID für Ihr Unternehmen am besten geeignet ist, hängt von der gewünschten Datenredundanz, der Länge des Aufbewahrungszeitraums, der Anzahl der Festplatten, mit denen Sie arbeiten, und der Bedeutung ab, die Sie der Datensicherung gegenüber der Leistungsoptimierung beimessen.

Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung der verschiedenen RAID-Typen, die am häufigsten in Speicher-Arrays verwendet werden. 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 einfaches Festplatten-Striping. Alle Daten werden in Chunks auf alle SSDs oder HDDs im RAID-Set verteilt. RAID 0 bietet eine hohe Leistung, da Sie die Last der Datenspeicherung auf mehr physische Laufwerke verteilen. RAID 0 verwendet keine Festplattenparität, mit der sichergestellt wird, dass Daten erfolgreich geschrieben wurden, wenn sie von einem Laufwerk auf ein anderes verschoben 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 und Schreiben von Daten zur Verfügung stehen. RAID 0 ist einfach zu implementieren und hat die niedrigsten Kosten aller RAID-Typen, da es den Festplattenplatz nur zum Speichern von Daten verwendet. Es wird weithin unterstützt, und da bei RAID 0 keine Parität erzeugt wird, gibt es keinen Overhead beim Schreiben von Daten auf RAID-0-Festplatten.

Nachteile: RAID 0 hat den schlechtesten Datenschutz von allen RAID-Leveln. Da RAID 0 keine Parität hat, sind beim Ausfall einer Festplatte die Daten auf dieser Festplatte nicht verfügbar, bis sie von einer anderen Festplatte neu geschrieben werden können.

Geeignet für: Das Fehlen von Redundanz bedeutet, dass RAID 0 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.

Abbildung1: RAID 0
Abbildung1: RAID 0

RAID 1: Spiegelung der Festplatte (Disk Mirroring)

RAID 1 verwendet Festplattenspiegelung, was bedeutet, dass alle Daten auf zwei separate physische Festplatten geschrieben werden. Die Festplatten sind im Wesentlichen Spiegelbilder voneinander. Wenn eine einzelne Festplatte ausfällt, können die Daten von der anderen Festplatte wiederhergestellt werden. RAID 1 erfordert mindestens zwei Festplattenlaufwerke.

Vorteile: Die Spiegelung von Festplatten ist gut für schnelle Lesevorgänge. RAID 1 ist auch für Disaster-Recovery-Situationen nützlich, da es ein sofortiges Failover bietet. Wenn das primäre Laufwerk nicht mehr funktioniert, kann das sekundäre, gespiegelte Laufwerk übernehmen, da die Daten, das Betriebssystem und die Anwendungssoftware dort repliziert sind.

Nachteile: Die Schreibgeschwindigkeiten sind langsamer, da die Daten zweimal auf die Festplatten geschrieben werden müssen. Ein weiterer Nachteil von RAID 1 ist, dass sich der benötigte Speicherplatz verdoppelt, da alle Daten zweifach gespeichert werden.

Geeignet für: RAID 1 eignet sich gut für Hochleistungs- und Hochverfügbarkeitsanwendungen, einschließlich E-Mail, Betriebssysteme und Transaktionsanwendungen. Seine Failover-Fähigkeit macht es zu einer guten Wahl für unternehmenskritische Anwendungen.

Abbildung 2: RAID 1
Abbildung 2: RAID 1

RAID 1+0: Plattenspiegelung und Striping

RAID 1+0, das auch als RAID 10 bezeichnet wird, ist ein verschachtelter RAID-Level, der Festplattenspiegelung und Striping kombiniert. Die Daten werden normalerweise zuerst gespiegelt und dann gestriped. Die Spiegelung von Striped-Sets erfüllt die gleiche Aufgabe, ist aber weniger fehlertolerant als Striping-Spiegelsets. RAID 1+0 erfordert mindestens vier physische Festplatten.

Vorteile: RAID 10 profitiert von den Leistungsmöglichkeiten, 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 es RAID 1 verwendet, sind die Daten von RAID 10 vollständig geschützt. Wenn das ursprüngliche Laufwerk ausfällt oder nicht verfügbar ist, kann die Spiegelkopie die Daten übernehmen.

Nachteile: Wenn Sie ein Laufwerk in einem Stripe-Set verlieren, müssen Sie auf Daten aus dem anderen Stripe-Set zugreifen, da Stripe-Sets keine Parität haben. Bei der Verwendung von RAID 1 werden die Daten bei RAID 10 vollständig dupliziert, wodurch sich die erforderliche Speicherkapazität verdoppelt. Da mindestens vier Festplatten erforderlich sind, ist RAID 10 teurer als andere RAID-Level.

Geeignet für: 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 E/A-intensive Anwendungen, wie E-Mail, Webserver, Datenbanken und Anwendungen, die eine hohe Festplattenleistung benötigen.

Abbildung 3: RAID 10 (1+0)
Abbildung 3: RAID 10 (1+0)

RAID 2: Striping und Hamming-Code-Parität

RAID 2 strippt Daten auf Bit-Ebene und verwendet den Hamming-Code, um Parität zu bieten und Fehler zu erkennen. Die Parität liefert eine Prüfsumme über die auf die Festplatten geschriebenen Daten. Die Paritätsinformationen werden zusammen mit den Originaldaten geschrieben. Der Server, der auf die Daten eines hardwarebasierten RAID-Sets zugreift, weiß nie, wenn eines der Laufwerke im RAID-Set defekt ist. Wenn das passiert, verwendet der Controller die Paritätsinformationen, die auf den weiterhin funktionierenden Festplatten im RAID-Satz gespeichert sind, um die verlorenen Daten wiederherzustellen.

Vorteile. Ein wesentlicher Vorteil von RAID 2 ist die Datensicherheit. Die durch den Hamming-Code bereitgestellte Parität sorgt für Datenredundanz und Fehlertoleranz.

Nachteile: RAID 2 ist komplexer als andere RAID-Level. Es ist auch kostspieliger als einige andere Level, da es ein zusätzliches Laufwerk erfordert.

Geeignet für: Heutzutage werden Hamming-Codes bereits in den Error Correction Codes von Festplatten verwendet, sodass RAID 2 nicht mehr eingesetzt wird.

Abbildung 4: RAID 2
Abbildung 4: RAID 2

RAID 3: Paritätsfestplatte (Parity Disk)

RAID 3 verwendet eine Paritätsfestplatte, um die von einem RAID-Controller erzeugten Paritätsinformationen auf einer separaten Festplatte von den eigentlichen Datenfestplatten zu speichern, anstatt sie mit den Daten zu stripen, wie bei RAID 5. RAID 3 erfordert mindestens drei physische Festplatten.

Vorteile: RAID 3 bietet einen hohen Durchsatz und ist daher eine gute Wahl für die Übertragung großer Datenmengen.

Nachteile: RAID 3 erfordert ein zusätzliches Laufwerk für die Parität. Da die Paritätsdaten auf einem separaten Laufwerk gespeichert werden, ist die Leistung von RAID 3 schlecht, wenn viele kleine Datenanforderungen vorliegen, wie bei einer Datenbankanwendung.

Geeignet für: RAID 3 funktioniert gut bei Anwendungen, die eine lange, sequenzielle Datenübertragung erfordern, zum Beispiel Videoserver.

Abbildung 5: RAID 3
Abbildung 5: RAID 3

RAID 4: Paritätsfestplatte und Block-Level-Striping

RAID 4 verwendet eine dedizierte Paritätsfestplatte zusammen mit Block-Level-Striping über Festplatten hinweg, 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 zur Datenwiederherstellung verwendet, wenn eine Platte ausfällt.

Vorteile: Striping ermöglicht das Lesen von Daten von jeder Festplatte. RAID 4 ist gut für sequentiellen Datenzugriff geeignet.

Nachteile: Die Verwendung einer dedizierten Paritätsplatte kann zu Leistungsengpässen bei Schreibvorgängen führen, da alle Schreibvorgänge an die dedizierte Platte gehen müssen.

Geeignet für: Da inzwischen Alternativen wie RAID 5 verfügbar sind, wird RAID 4 nicht mehr häufig verwendet.

Abbildung 6: RAID 4
Abbildung 6: RAID 4

RAID 5: Festplatten-Striping mit Parität

RAID 5 verwendet Festplatten-Striping mit Parität. Wie bei anderen RAID-Leveln, die Striping verwenden, werden die Daten über alle Festplatten im RAID-Set verteilt. Die Paritätsinformationen, die zur Rekonstruktion der Daten im Falle eines Festplattenausfalls benötigt werden, sind ebenfalls diagonal über die Festplatten im RAID-Set verteilt. RAID 5 ist die gängigste RAID-Methode, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Verfügbarkeit erreicht. 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 einen guten Durchsatz und eine Leistung, die der von RAID 0 entspricht. Da die Paritätsdaten über alle Festplatten im RAID-Satz verteilt sind, ist RAID 5 einer der sichersten RAID-Typen und bietet Datenredundanz und Zuverlässigkeit. RAID-5-Laufwerke können im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, wodurch Ausfallzeiten vermieden werden.

Nachteile: Die Schreibleistung auf RAID-5-Laufwerken ist aufgrund der Paritätsdatenberechnung langsamer als die Leseleistung. Dieser RAID-Level leidet auch unter längeren Wiederherstellungszeiten und möglichem Datenverlust, wenn ein zweites Laufwerk während einer Wiederherstellung ausfällt. RAID 5 erfordert außerdem einen anspruchsvolleren Controller als andere RAID-Level.

Geeignet für: RAID 5 ist eine gute Option für Anwendungs- und Dateiserver mit einer begrenzten Anzahl von Laufwerken.

Abbildung 7: RAID 5
Abbildung 7: RAID 5

RAID 5+0: Festplatten-Striping und verteilte Parität

RAID 5+0, auch bekannt als RAID 50, ist ein weiterer verschachtelter RAID-Level, der Striping und verteilte Parität kombiniert, um die Vorteile von beiden zu nutzen. RAID 50 hat eine Mindestanforderung von sechs Festplatten.

Vorteile: RAID 50 bietet eine schnellere Schreibleistung als RAID 5. Seine Datenschutzfunktionen sind ebenfalls eine Stufe über RAID 5, und die Wiederherstellungszeit ist schneller. Im Falle eines Festplattenausfalls wird die Leistung nicht so stark beeinträchtigt wie bei RAID 5, da nur eines der RAID-5-Arrays betroffen ist.

Nachteile: Da RAID 50 sechs Festplatten benötigt, ist es potenziell teurer als andere RAID-Typen. Und wie RAID 5 benötigt es auch einen anspruchsvolleren Controller und synchronisierte Festplatten.

Geeignet für: RAID 50 eignet sich gut für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, und für solche, die mit hohen Datenübertragungsraten und -anforderungen zurechtkommen müssen.

Abbildung 8: RAID 50 (5+0)
Abbildung 8: RAID 50 (5+0)

RAID 6: Festplatten-Striping mit doppelter Parität

RAID 6 erhöht die Zuverlässigkeit, indem Daten auf mehrere Festplatten verteilt werden und E/A-Operationen sich überlappen können, um die Leistung zu verbessern. RAID 6 verwendet zwei Paritäts-Stripes, die zwei Festplattenausfälle innerhalb des RAID-Sets zulassen, 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. Jenseits des Minimums von vier Festplatten verbraucht RAID 6 weniger Speicherkapazität als RAID-Level, die Spiegelung verwenden.

Nachteile: RAID 6 hat eine geringere Leistung als RAID 5. Die Leistung kann erheblich beeinträchtigt werden, wenn zwei Festplatten gleichzeitig wiederhergestellt werden müssen. RAID 6 kann teurer sein, da es zwei zusätzliche Festplatten für die Parität benötigt. RAID 6 erfordert einen speziellen Controller, und RAID-Controller-Coprozessoren werden oft mit RAID 6 verwendet, um Paritätsberechnungen durchzuführen und die Schreibleistung zu verbessern.

Geeignet für: 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.

Abbildung 9: RAID 6
Abbildung 9: RAID 6

Adaptives RAID: Option zur Verwendung von RAID 3 oder RAID 5

Adaptives RAID lässt den RAID-Controller herausfinden, wie die Parität auf den Festplatten gespeichert werden soll. Er wählt zwischen RAID 3 und RAID 5, je nachdem, welcher RAID-Settyp bei der Art der Daten, die auf die Festplatten geschrieben werden, besser funktioniert.

RAID 7: Nicht-Standard mit Caching

RAID 7 ist ein Nicht-Standard-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 Corporation.

Fortsetzung des Inhalts unten

Erfahren Sie mehr über Disk-Systeme

ComputerWeekly.de

Close