Speichermedien
Bei Computern ist ein Speichermedium jede Technologie - einschließlich Geräte und Materialien -, die zum Platzieren, Aufbewahren und Abrufen elektronischer Daten verwendet wird. Der Begriff bezieht sich auf ein physisches Gerät oder eine Komponente in einem Computersystem, das Informationen über Anwendungen und Benutzer empfängt und speichert. Die Pluralform dieses Begriffs sind Speichermedien.
Zu den frühen Formen von Speichermedien gehörten Lochstreifen (Punched Tape). In das Papier gestanzte Löcher entsprachen einem einzelnen Datenbit. Ein Lesegerät für die Lochstreifen interpretierte jedes Loch und wandelte es in eine Zahl um. Lochstreifensysteme wurden vom Magnetband (Tape) verdrängt, das sich schließlich zur Magnetdiskette entwickelte.
Wie Speichermedien funktionieren
Die im Computerspeicher verwendeten Medien empfangen Nachrichten in Form von Daten über Softwarebefehle vom Computersystem. Die Befehle bestimmen die Art der Datenspeicherung auf der Grundlage ihres Geschäftswerts, der Auswirkungen auf die Einhaltung von Vorschriften oder anderer Faktoren. Beim Tiered Storage (mehrstufiger Speicher) werden Daten auf der Grundlage automatisierter Software-Richtlinien zwischen Platten-, Flash- und Cloud-Speicher verschoben.
Ein Speichermedium kann ein internes Speichermedium eines Computergeräts sein, zum Beispiel die Festplatte eines Computers oder ein Wechseldatenträger, wie eine externe Festplatte oder ein USB-Flash-Laufwerk. Es gibt verschiedene Arten von Speichermedien, darunter Magnetband, nichtflüchtige (non-volatile) Speicherkarten, rotierende Festplatten und Solid-State Drives (SSDs), die auf nichtflüchtigem Flash-Speicher basieren.
Der Begriff Speicher umfasst alle Daten und kann entweder primärer oder sekundärer Speicher sein. Primärer Speicherbezieht sich auf Daten, die zum schnellen Abruf durch den Prozessor eines Computers im Memory gehalten werden. Sekundärspeicher sind Daten, die auf Festplatte oder Band gespeichert werden, um die Sicherung und langfristige Aufbewahrung zu gewährleisten.
Ein Speichergerät kann eine Art Speichermedium oder ein Stück Speicherhardware sein, das mit Speichermedien ausgestattet ist. Speicher-Arrays entkoppeln zum Beispiel Speichermedien von Servern. Speicher-Arrays enthalten elektromechanische Festplattenlaufwerke (HDDs), SSDs oder eine Kombination aus beidem, die an separate Server und Netzwerke angeschlossen sind.
Speichermedien können auf vielfältige Weise für den Zugriff angeordnet werden. Einige bekannte Anordnungen umfassen:
- Redundant Array of Independent Disks (RAID)
- Network-Attached Storage (NAS)
- Storage Area Network (SAN).
SAN-Arrays wurden ursprünglich mit HDDs entworfen, bis zum Aufkommen von All-Flash-Arrays, die ausschließlich mit SSDs ausgestattet waren. Hybride Flash-Arrays vermischen die beiden Speichermedien in einem integrierten System, wobei die Festplatte eine Kapazitätsschicht neben einer schnelleren Flash-Schicht bietet.
Beispiele für Speichermedien sowie deren Vor- und Nachteile sind im Folgenden aufgeführt.
Festplatte
Eine Festplatte (Hard Disk Drive, HDD) bietet eine Alternative mit hoher Kapazität zu magnetischen Speichermedien. Sie enthält Metallplatten, die mit einer magnetischen Schicht überzogen sind. Die Platten drehen sich normalerweise kontinuierlich, wenn ein Computer eingeschaltet ist, und speichern Daten in verschiedenen Sektoren auf der Magnetplatte.
Die Magnetplatte bleibt das vorherrschende Medium für Backup-Speichergeräte, aktive Archive und langfristige Aufbewahrung. Ein plattenbasiertes Sicherungsgerät umfasst Schnittstellen zur Replikation von Datenkopien, wie Klone und Snapshots, auf tertiäre Geräte oder eine Hybrid Cloud.
HDDs sind aufgrund ihrer steigenden Kapazitäten und der Möglichkeit, Daten auf der Platte neu zu schreiben, in Plattenarrays von Unternehmen nach wie vor beliebt. Im Jahr 2017 führte Western Digital eine 14-TByte-Festplatte ein, die damit die größte zu dieser Zeit auf dem Markt war. Seit 2018 gibt es auch 16-TByte-Festplatten auf dem Markt. Ein Nachteil von HDDs ist die Abhängigkeit von beweglichen internen Mechanismen wie Aktuatoren, Motoren und Spindeln, die ausfallen und das Laufwerk beschädigen können.
Einige HDDs verwenden als Alternative zur herkömmlichen magnetischen Aufzeichnung das Shingled Magnetic Recording (SMR). Die SMR-Methode ermöglicht eine größere Flächendichte, da die Daten auf teilweise überlappende Spuren auf der Platte geschrieben werden können. SMR-Laufwerke arbeiten optimal mit Daten, die kontinuierlich geschrieben werden, wie zum Beispiel bei der plattenbasierten Archivierung und Backups. Seagate und Western Digital gehören zu den führenden Herstellern von SMR-basierten Platten.
RAID
RAID funktioniert, indem Daten auf mehreren Festplatten platziert werden und Input/Output-Operationen (I/O-Operationen) sich auf ausgewogene Weise überlappen können, wodurch die Leistung verbessert wird. Falls ein Laufwerk ausfällt, werden die Daten vor anderen Laufwerken geschützt.
Da die Verwendung mehrerer Platten die MTBF erhöht, verbessert die redundante Sicherung von Daten auch die Fehlertoleranz.
Optische Disks
Die Technologie der optischen Disk verwendet Laser zum einmaligen Schreiben und zum vielfachen Lesen (Write Once Read Many, WORM-)Daten. Durch den Einsatz von Lasern können auf optischen Platten mit hoher Dichte mehr Daten gespeichert werden als auf magnetischen HDDs. Zu den Arten von optischen Speichermedien gehören Blu-ray, DVDsund CD-ROMs für schreibgeschützte Daten.
Flash-Speicher
Flash-Speicher (Flash Memory) ist nicht von beweglichen mechanischen Teilen abhängig. Dadurch haben Flash-Geräte Geschwindigkeitsvorteile gegenüber herkömmlichen Platten. Im Flash-Speicher müssen Datenblöcke gelöscht werden, damit neue Daten auf den Mikrochip geschrieben werden können.
Die beiden Haupttypen von Flash-Speichern sind NAND und NOR. Die Namen werden durch ihre jeweiligen Logikgatter definiert. Diese Speichertypen werden als Speichermedien in SSDs verwendet.
Der NAND Flash Memory wird in Blöcken geschrieben und gelesen, die kleiner als das Gerät sind, während NOR Flash Memory die Bytes unabhängig voneinander liest und schreibt. Beide Flash-Typen werden in der Unterhaltungselektronik und bestimmten Anwendungen in medizinischen und industriellen Anwendungsfällen eingesetzt. NAND-Flash ist für eine höhere Dichte und höhere Beständigkeit als NOR bekannt, so dass es sich für Unternehmen zur Verwendung in Massenspeichern eignet. NOR dient häufig als Ersatz für Laufwerke mit RAM und Read Only Memory (ROM).
Single-Level Cell NAND speichert ein Bit Daten pro Flash-Zelle, die entweder als programmierter (0) oder gelöschter (1) Zustand vorliegen. Multi-Level Cell (MLC) NAND speichert mehr als ein Datenbit pro Flash-Zelle. Enterprise MLC wird mit Verbesserungen zur Unterstützung von mehr Schreibzyklen als herkömmliches MLC hergestellt. Triple-Level Cellspeichert drei Datenbits pro Zelle und QLC sichert vier Bits per Zelle..
Flash-Speichergeräte werden zwischen Verbrauchergeräten und Unternehmensspeicher aufgeteilt, wobei es einige Überschneidungen gibt. Smartphones, Tablets und andere Verbrauchergeräte sind Speicherkarten, die sich in Kapazität und Preis unterscheiden.
Solid State Drive (SSD)
Ein SSD wird in x86-Computern installiert, damit Unternehmen serverseitigen Flash als Alternative oder Ergänzung zu NAS-Systemen verwenden können. Formfaktoren umfassen:
- Add-in-Karten, die einen seriellen PCIe-Anschluss (PCIe) verwenden.
- Disk-on-Module-Flash-Boot-Laufwerke, die an das Motherboard eines Computers angeschlossen werden.
- Duale Inline-Speichermodule (DIMMs) platzieren Flash nahe der Hauptplatine in DRAM-Steckplätzen (Dynamic Random Access Memory) als Leistungscache.
- MiniSATA-Laufwerke und 2-SSDs, die in dünnen Laptops verwendet werden.
- Storage Class Memory (SCM), einschließlich nichtflüchtiger DIMMs mit DRAM als adressierbarem Speicher und Flash als Backup-Medium. Die 3D-XPoint-Technologie - entwickelt von Intel und Micron - ist ein Beispiel für SCM.
SSDs wurden ursprünglich entwickelt, um die Vorteile der bestehenden Serial-Attached SCSI (SAS)- und Serial-Advanced Technology Attachment (SATA)-Protokolle zu nutzen.
Die Entwicklung des NVMe (Nonvolatile Memory Express)-Protokolls nutzt ungenutzte PCIe-Ports in einem Computer aus, um einer Anwendung die direkte Kommunikation mit einem Datenspeichergerät zu ermöglichen. PCIe-basierte NVMe-SSDs zielen darauf ab, Latenzzeiten zu reduzieren und den Durchsatz zu erhöhen. Die meisten gängigen SSDs unterstützen PCIe, SAS und SATA. NVMe over Fabrics (NVMe-oF) stellt die nächste erwartete Phase dar, in der NVMe-Befehle die Übertragung von Daten zwischen einem Host und einem Flash-Speichergerät über eine Ethernet-, Fibre Channel- oder InfiniBand-Verbindung ermöglichen.
USB-Laufwerke
USB-Flash-Laufwerke (auch USB-Sticks genannt) sind auch als Nearline-Speicher bekannt, ein Speichermedium, das nicht ständig mit Netzwerkservern oder dem Internet verbunden ist. Im Allgemeinen macht dies die meisten Wechseldatenträger, wie verschlüsselte Kassetten oder SATA-Laufwerke, sicher vor der Infektion durch Trojaner, Virenoder Würmer.
Ein USB-Flash-Laufwerk bezieht sich speziell auf das Gehäuse für das Gerät; das Speichermedium ist ein interner Flash-Speicher, der als integrierter Memory konzipiert ist, ähnlich dem Design von SSDs, jedoch in kleinerem Maßstab. Diese kleinen Geräte gleiten in jeden USB-Anschluss, um Daten zu übertragen oder zu kopieren.
Obwohl USB-Laufwerke von Verbrauchern aufgrund ihrer Bequemlichkeit weit verbreitet sind, kann diese Benutzerfreundlichkeit in Unternehmen ein Sicherheitsrisiko darstellen. Die meisten Unternehmen verbieten ihren Mitarbeitern aus Sicherheitsgründen, persönliche USB-Laufwerke am Arbeitsplatz zu benutzen, es sei denn, sie sind ausdrücklich dazu berechtigt.
Andere austauschbare Flash-Speichermedien sind die Secure Digital-Karte/MicroSD-Karte, Secure Digital High Capacity-Karte, CompactFlash-Karte, SmartMedia-Karte, Sony Memory Stick, MultiMediaCard und die xD-Picture-Karte, die alle hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik zu finden sind.
Band (Tape)
Das Band war bis in die 1990er Jahre ein dominierendes Backup-Speichermedium, wurde aber nach und nach von der Magnetplatte verdrängt. Bandsysteme sind nach wie vor in Gebrauch, aber der Anwendungsfall konzentriert sich jetzt auf die Archivierung mit hoher Kapazität zur Erhaltung von Daten. Bandsysteme haben sich in Bezug auf Dichte und Ausdauer weiter verbessert, was weitgehend auf die Fortschritte beim Linear Tape Open (LTO)-Format zurückzuführen ist. LTO-8 erhöht die komprimierte Kapazität pro Band auf 32 TByte und fast 13 TByte an unkomprimierten Daten.
Bandbibliotheken bestehen aus Hunderten und Aberhunderten von physischen Bändern, die in einem System präsentiert werden, das es den Anwendern ermöglicht, Bänder hinzuzufügen oder zu entfernen, den Standort eines Bandes zu verfolgen und Mount-Punkt für den Zugriff auf die Daten auf dem Band festzulegen.
Ein Ableger sind virtuelle Bandbibliothekssystemen für die Datensicherung, bei denen eine Reihe von physischen Festplatten der Sicherungssoftware als Band präsentiert wird. Die Daten werden sequentiell wie auf ein Band geschrieben, aber das Lesen und Schreiben erfolgt schneller, da sie von der Magnetplatte abgerufen werden.
