Disk Mirroring (RAID 1)

Was ist Disk Mirroring (RAID 1)?

Disk Mirroring, oder auch Festplattenspiegelung, ist bekannt als RAID 1 und beschreibt die Replikation von Daten auf zwei oder mehr Festplatten. Der Begriff Festplattenspiegelung wird manchmal in einem weiteren Sinne verwendet, um jede Art von Replikation auf Festplatten zu beschreiben, aber in den meisten Fällen ist er im Zusammenhang mit RAID 1 gemeint.

Disk Mirroring stellt sicher, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens eine exakte Kopie der Daten vorhanden ist, falls es zu einem Laufwerksausfall oder einem anderen schwerwiegenden Ereignis kommt. Aus diesem Grund erfordert ein RAID-1-Array mindestens zwei physische Laufwerke, was der typischen Konfiguration entspricht. Es ist möglich, ein Array mit drei oder mehr Laufwerken einzurichten, wenn der RAID-Controller dies unterstützt, aber die meisten IT-Teams entscheiden sich für nur zwei Laufwerke. Wenn sie zusätzliche Redundanz wünschen, sichern sie die Daten möglicherweise auf zusätzlichen Laufwerken, anstatt sie in das RAID-Array zu integrieren.

Das Betriebssystem sieht die Laufwerke in einem RAID 1-Array als eine einzige logische Festplatte. Der Controller des Arrays verwaltet das Festplatten-Array und die damit verbundenen Funktionen und schreibt Daten gleichzeitig auf alle Laufwerke. Die Disks sind im Wesentlichen Spiegelbilder (in Englisch: Mirror) voneinander. Wenn ein Laufwerk ausfällt, schaltet der Controller automatisch auf das andere Laufwerk des Arrays um, wobei der Arbeitsablauf nur minimal gestört wird.

In der Praxis hängt die nahtlose Umschaltung vom verwendeten RAID-System ab. Bei Hardware-RAID erfolgt der Wechsel in der Regel automatisch, bei Software-RAID kann es zu kurzen Unterbrechungen kommen oder ein Neustart kann erforderlich sein. Während der degradierte Zustand aktiv ist – also ein Laufwerk ausgefallen ist – kann die Performance spürbar sinken, bis das defekte Laufwerk ersetzt und der Mirror neu aufgebaut wurde.

Disk Mirroring kann sowohl mit Festplattenlaufwerken (HDDs) als auch mit Solid-State-Laufwerken (SSDs) verwendet werden. Im Idealfall sind die in einem RAID-1-Array verwendeten Laufwerke identisch oder so identisch wie möglich. Die Verwendung nicht zusammenpassender Laufwerke kann zu einer Verschwendung von Hardware-Ressourcen führen. Die Kapazität des Arrays ist auf das kleinste Laufwerk beschränkt, und seine Schreibgeschwindigkeit entspricht der des langsamsten Laufwerks.

Die effektive Gesamtkapazität eines RAID 1 entspricht immer der kleinsten Festplatte im Array. Beispielsweise ergeben zwei Laufwerke mit 1 TB und 2 TB nur 1 TB nutzbare Kapazität. Neuere Controller oder Betriebssysteme (zum Beispiel ZFS, btrfs oder Windows Storage Spaces) können solche Ungleichheiten verwalten, aber dabei gehen meist Kapazitätsvorteile verloren.

Vor- und Nachteile der Festplattenspiegelung

Ein RAID-1-Array kann mit nur einem funktionierenden Laufwerk betrieben werden. Aus diesem Grund kann die Festplattenspiegelung als Teil einer Disaster-Recovery-Strategie (DR) für geschäftskritische Anwendungen eingesetzt werden. Wenn das primäre Laufwerk ausfällt oder aus einem anderen Grund nicht verfügbar ist, schaltet der RAID-Controller den gesamten Datenverkehr auf das andere Laufwerk um und sorgt so für eine sofortige Ausfallsicherung auf die gespiegelte Kopie.

Die gespiegelte Kopie ist bei einem Failover sofort einsatzbereit. Da sie eine exakte Kopie aller Daten enthält, kann sie die aktuellen Workloads nahtlos unterstützen. Die ausgefallene Festplatte kann dann ersetzt und die Daten vom zweiten Laufwerk des Arrays kopiert werden. Um diese Art von Vorgängen zu unterstützen, kann der Controller Funktionen wie Hot-Swapping von Festplatten oder automatischen Wiederaufbau (Auto-Rebuild) bieten.

Der Wiederaufbau (Rebuild) kann insbesondere bei großen Laufwerken über 10 TB mehrere Stunden oder sogar Tage dauern. Während dieser Zeit ist das Array anfälliger: Wenn das zweite Laufwerk ausfällt, gehen alle Daten verloren. Neuere Systeme bieten daher Überwachungsfunktionen, Prüfsummen (zum Beispiel in ZFS) oder sogenannte Scrubbing-Prozesse, um stille Datenfehler frühzeitig zu erkennen und zu korrigieren.

Die Festplattenspiegelung kann auch die Lesevorgänge für bestimmte Workloads verbessern, da Daten parallel von mehreren Laufwerken gelesen werden können, vorausgesetzt, die Laufwerke sind gleichzeitig betriebsbereit. Das Schreiben auf die Laufwerke kann jedoch langsamer sein, da die Daten an mehreren Stellen geschrieben werden. Einige RAID-Controller haben diese Einschränkung reduziert und bieten eine Schreibgeschwindigkeit, die in der Praxis nahe an der einer einzelnen Festplatte liegt.

Vollständig überwunden werden kann die doppelte Schreiboperation allerdings nicht, da jedes Bit an beide Laufwerke übertragen werden muss. Fortgeschrittene Controller und Caches minimieren den Overhead, sodass die tatsächliche Performance stark von der RAID-Implementierung (Hardware, Software, Cache-Nutzung, SSD/HDD) und dem Dateisystem abhängt.

Selbst wenn die Schreibleistung kein Problem darstellt, sind die DR-Funktionen, die mit dem Disk Mirroring einhergehen, mit erheblichen Kosten verbunden. Die Festplattenspiegelung erfordert mindestens doppelt so viel Speicherplatz wie eine einzelne Festplatte. In einer RAID-1-Konfiguration mit zwei 20-Terabyte-Laufwerken wird beispielsweise die Hälfte der Kapazität für redundante Daten benötigt. Das bedeutet, dass das Array nur 20 TB Daten speichern kann, obwohl die Laufwerke zusammen eine Kapazität von 40 TB haben.

Diese 50-Prozent-Effizienz ist ein zentrales Merkmal von RAID 1. Systeme, die Speicherplatz effizienter nutzen, wie RAID 5 oder RAID 6, verwenden Paritätsinformationen anstelle einer vollständigen Kopie. Dafür sind sie komplexer und beim Wiederaufbau deutlich langsamer. RAID 1 bleibt die einfachste und robusteste Redundanzform.

Wichtig ist, dass RAID 1 ausschließlich vor Hardwareausfällen schützt – nicht vor logischen Fehlern wie versehentlichem Löschen, Malware, Softwarefehlern oder Bitrot. Solche Fehler werden ebenfalls gespiegelt. RAID ist daher kein Ersatz für ein Backup.

Wie schneidet RAID 1 im Vergleich zu anderen RAID-Levels ab?

RAID, was für Redundant Array of Independent Disks (redundante Anordnung unabhängiger Festplatten) oder Redundant Array of Inexpensive Disks (redundante Anordnung kostengünstiger Festplatten) steht, ist eine Methode, bei der einzelne physische Laufwerke zu einem einzigen logischen Laufwerk, einem sogenannten RAID-Set, zusammengefasst werden. Ein RAID-Set kann dazu beitragen, die Leistung, die Fehlertoleranz oder beides zu verbessern.

Die Art und Weise, wie Daten auf den Laufwerken eines Arrays gespeichert werden, wird als RAID-Level bezeichnet. Jedes RAID-Level wird durch eine Zahl hinter dem Wort RAID gekennzeichnet. Die gängigsten Levels sind RAID 0, RAID 1, RAID 5 und RAID 6. Das RAID-Level wird in der Regel entsprechend den spezifischen Anforderungen an die Arbeitslast und die Daten ausgewählt. RAID 0 ist das schnellste, RAID 1 das zuverlässigste und RAID 5 und RAID 6 bieten einen Kompromiss zwischen beiden.

RAID 1 ist eine gute Wahl für Anwendungen, die eine hohe Verfügbarkeit und gute Leseleistung erfordern, wie zum Beispiel Transaktionsanwendungen, E-Mail-Server und Betriebssysteme. Es kann jedoch auch teuer sein und möglicherweise die Schreibleistung beeinträchtigen. Obwohl RAID 1 unter bestimmten Umständen die Leseleistung verbessern kann, ist es nicht das beste RAID-Level, um die Leseleistung zu maximieren.

Aufgrund dieser Einschränkungen verwenden nur wenige Speichersysteme der Enterprise-Klasse RAID 1 und entscheiden sich stattdessen für das platzsparende RAID 5 oder RAID 6. In seltenen Fällen verwenden IT-Teams RAID 0, obwohl sie eher RAID 10 (RAID 1+0) verwenden, das RAID 1 und RAID 0 kombiniert.

Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Speichersysteme oder RAID-Controller alle RAID-Levels unterstützen. Beispielsweise unterstützt ein RAID-Controller möglicherweise nur RAID 0 und RAID 1. Vor dem Kauf eines Speichersystems oder RAID-Controllers sollten IT-Teams die spezifischen Anforderungen des Unternehmens in Bezug auf Datenschutz und Wiederherstellung sowie Anwendungsleistung ermitteln.

Auch Software-RAID-Lösungen wie Linux mdadm, Windows Storage Spaces, ZFS oder Btrfs bieten heute RAID-1-Funktionalität. Diese Implementierungen können zusätzliche Prüfsummen, Fehlererkennung, automatische Reparatur und flexible Erweiterung bieten – Funktionen, die herkömmliche Hardware-RAID-Controller meist nicht haben. In Enterprise-Umgebungen wird RAID 1 häufig als Basis für Betriebssysteme, Logs, Datenbanken oder Virtualisierungs-Hosts verwendet, wo Einfachheit und Zuverlässigkeit Vorrang vor Speichereffizienz haben.