AHCI vs. RAID: Funktionen, Unterschiede und Nutzung

Überblick über AHCI

AHCI ist der Standard für die Speicherschnittstelle, über die Software – in der Regel ein Betriebssystem – mit SATA-Geräten kommunizieren kann. Intel führte AHCI im Jahr 2004 als Ersatz für die veraltete Parallel ATA/Integrated Drive Electronics-Schnittstelle (PATA/IDE) ein.

AHCI ermöglicht es, einige der Fähigkeiten von SATA-Geräten auf der Betriebssystemseite zu nutzen. So gewährleistetSATA beispielsweise die Unterstützung von Hot-Swapping-Geräten, das heißt die Möglichkeit, ein neues Gerät an einen Computer anzuschließen, ohne den Computer neu starten zu müssen. AHCI ermöglicht es Windows-, Unix- und Linux-Betriebssystemen, Hot Swapping zu nutzen.

Native Command Queuing (NCQ) auf Festplatten ist eine wichtige Funktion, die mit SATA auf der Hardwareseite und AHCI auf der Betriebssystemseite eingeführt wurde. Anstatt mit einem traditionellen seriellen Befehlswarteschlangenprozess (first-in, first-out) zu arbeiten, ermöglicht NCQ Festplatten, einschließlich SSDs, die Optimierung der Handhabung gleichzeitiger Speichervorgänge. Die Vorteile sind je nach Art des verwendeten Speichergeräts unterschiedlich. Für Festplatten bedeutet NCQ, dass sich die Lese-/Schreibköpfe weniger oft bewegen müssen. Die Bewegung der Schreib-/Leseköpfe ist einer der größten Verursacher von Latenzzeiten bei Festplattenlaufwerken. Die Optimierung ihrer Bewegung führt zu einer Leistungssteigerung.

AHCI bietet auch Vorteile für SSDs, wie beispielsweise eine verbesserte Unterstützung für große Dateiübertragungen, aber die geringe Tiefe der Warteschlange begrenzt die Anzahl der I/O-Anforderungen, die sie bedienen kann. Um SSDs in die Lage zu versetzen, Befehlswarteschlangen zu vermeiden, die die Leistung verlangsamen können, sind Umgehungen erforderlich. Selbst mit NCQ impliziert die Notwendigkeit, Befehle in eine Warteschlange zu stellen, dass es irgendwo eine Verzögerung gibt, die die Bildung einer Warteschlange erfordert.

Um das Problem der Warteschlangenbildung dauerhaft zu lösen, ersetzt der NVMe-Standard ältere Schnittstellen, wie zum Beispiel SATA, und führt neue Befehlsverwaltungsfunktionen ein. NVMe wurde für Flash-Speicher entwickelt, wodurch die Nachteile der Unterstützung moderner Speichermedien mit alten Protokollen beseitigt werden.

Überblick über RAID

RAID wurde erstmals 1987 eingesetzt. Heute ist RAID weitaus leistungsfähiger als frühere Versionen. Neuere Technologien, wie beisipelsweise Erasure Coding, beginnen jedoch, es in Rechenzentren zu verdrängen.

RAID ist ein Data-Protection- und Verfügbarkeitsmechanismus, mit dem ein Speichersystem nach dem Verlust einer oder mehrerer Festplatten oder SSDs weiter betrieben werden kann. Dazu gehört in der Regel die Möglichkeit, den Inhalt einer ausgefallenen Festplatte wiederherzustellen, sobald diese ersetzt wurde.

Administratoren können RAID-Volumes auf jedem Computer mit mehreren Speichergeräten erstellen, wenn der Computer oder das Speichersystem RAID unterstützt. Einige PCs unterstützen möglicherweise keine RAID-Option. Einige Speicher-Arrays, so genannte JBODs, unterstützen kein RAID. Auch wenn die Hardware RAID nicht von Haus aus unterstützt, ermöglicht das Windows-Betriebssystem die Behandlung von JBODs als softwarebasiertes RAID-Array.

Bei modernen PCs wird durch die Aktivierung von RAID an den SATA-Ports auf dem Motherboard in der Regel auch die AHCI-Unterstützung aktiviert. Mit RAID können Administratoren Folgendes tun:

• Mehrere Speichergeräte installieren – Festplatten und SSDs – und sie als ein einziges Volume verwenden.
• Datenredundanz aktivieren, um das Speichersystem vor Laufwerksausfällen zu schützen.
• Leistung optimieren, indem die Speichervorgänge auf mehrere Geräte statt auf eine einzige Festplatte verteilt werden.

Administratoren benötigen mindestens zwei Festplatten als Teil einer RAID-Gruppe. Die meisten RAID-Strukturen erfordern jedoch eine größere Anzahl von Festplatten. Ein System mit zwei Festplatten kann eine Speicherspiegelung oder RAID 1 aktivieren, das heißt jedes Mal, wenn Daten auf eine Festplatte geschrieben werden, kopiert der RAID-Controller diese Daten auf die zweite Festplatte. Wenn also eine Festplatte ausfällt, ist immer noch eine doppelte Kopie vorhanden.

Alternativ können Administratoren Striping oder RAID 0 verwenden, um den Computer anzuweisen, Daten gleichzeitig auf beide Festplatten zu schreiben. Während die Spiegelung lediglich der Datenredundanz dient, verbessert das Striping die Lese-/Schreibleistung. Der Nachteil von Striping ist jedoch, dass keine Redundanz gegen den Ausfall einer Festplatte schützt. Fällt eine Platte in der Gruppe aus, so fällt die gesamte Gruppe aus.

Zudem werden bei Stripe-Sets in der Regel mehr als zwei Festplatten verwendet. Ebenso werden bei RAID-1-Implementierungen Daten auf mehr als eine redundante Festplatte gespiegelt. Einige Unternehmen erstellen beispielsweise Drei-Wege-Spiegelungen, die zu drei unabhängigen Kopien der Daten führen.

RAID 5 und RAID 6 sind die gängigsten anderen RAID-Level. Beide verwenden Parität, um die Daten vor Geräteausfällen zu schützen. Mit RAID 5 kann ein System den Verlust einer einzigen Festplatte verkraften. Bei RAID 6können zwei Festplatten ausfallen und trotzdem betriebsbereit sein.

Einige der neueren RAID-Systeme kombinieren mehrere RAID-Level in einem. RAID 10, das manchmal auch als RAID 1+0 bezeichnet wird, erstellt beispielsweise einen gespiegelten Streifensatz (Stripe Set). Wie RAID 0 verbessert RAID 10die Leistung des Speichergeräts, indem es die Daten über mehrere Festplatten verteilt. Der gesamte Stripe-Satz wird dann auf einen zweiten Stripe-Satz gespiegelt, der bei Ausfall einer Festplatte einspringen kann.

Der Vergleich zwischen SATA und IDE

Integrated Drive Electronics (IDE) wurde 1986 entwickelt und in den 1990er und frühen 2000er Jahren intensiv genutzt. Ursprünglich als Parallel ATA oder PATA bekannt, dienten IDE-Festplatten dazu, frühere Festplattenstandards zu ersetzen, zum Beispiel Festplatten, die einen Controller mit begrenzter Lauflänge oder modifizierter Frequenzmodulation benötigten.

Es war zwar möglich, ein RAID-Array aus IDE-Festplatten zu erstellen, aber die Hardware schränkte die RAID-Levels ein, die Administratoren verwenden konnten. Ein einziger IDE-Controller konnte zwei miteinander verkettete Festplatten unterstützen, die sich ein einziges Kabel teilten. Die meisten PCs verfügten damals über zwei IDE-Anschlüsse, so dass das System maximal vier IDE-Festplatten aufnehmen konnte. Im Gegensatz dazu verfügen die meisten modernen PCs über sechs SATA-Anschlüsse.

Während sich sowohl die SATA- als auch die IDE-Standards weiterentwickelt haben, ist der unterstützte Datendurchsatz ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den beiden Hardware-Optionen. SATA hat schon immer einen höheren Durchsatz als IDE unterstützt. Die maximale Übertragungsrate für eine IDE-Festplatte beträgt 133 MB/s. Im Gegensatz dazu unterstützten die SATA-Festplatten der ersten Generation Übertragungen mit 1,5 Gbit/s, während moderne SATA-Hardware bis zu 6 Gbit/s ermöglicht.

AHCI vs. RAID oder AHCI und RAID?

AHCI und RAID werden manchmal miteinander verglichen, weil beides Speichertechnologien sind. Dennoch kann man keinen wirklichen Vergleich zwischen den beiden anstellen, da sie unterschiedlichen Zwecken dienen. AHCI ist eine Architektur auf Hardwareebene, die es Systemen ermöglicht, die Verwendung von SATA-Festplatten zu unterstützen. RAID ist eine logische Festplattenstruktur, die Administratoren entweder auf der Hardware- oder der Softwareebene erstellen können.

Administratoren erstellen RAID-Arrays in der Regel auf AHCI-Hardware. Viele Motherboards unterstützen eine Hardware-RAID-Funktion, die es Administratoren ermöglicht, SATA-Festplatten als RAID-Array zu behandeln. Selbst wenn eine solche Funktion nicht vorhanden ist, kann die Datenträgerverwaltungskonsole des Windows-Betriebssystems Festplatten auf Softwareebene zu einem RAID-Array zusammenstellen. In ähnlicher Weise kann Windows Storage Spaces physische Festplatten in Speicherpools gruppieren, um daraus RAID-Volumes zu erstellen.

Die Leistung hängt von mehreren Faktoren ab und ist sehr unterschiedlich. Der erste Faktor ist die SATA-Schnittstelle. SATA 1 unterstützte eine maximale Geschwindigkeit von 1,5 Gbit/s, während SATA 2 mit 3 Gbit/s lief. SATA-3-Anschlüsse der aktuellen Generation unterstützen eine Höchstgeschwindigkeit von 6 Gbit/s. Allerdings arbeiten Festplatten oft langsamer als der Anschluss liefern kann. Dies gilt insbesondere für stark fragmentierte Festplatten.

Wenn ein RAID-Array aus den SATA-Festplatten eines Systems gebildet wird, wirkt sich auch der RAID-Typ auf die Leistung aus. Hardware-RAID-Arrays sind beispielsweise schneller als Software-RAID. In ähnlicher Weise wirkt sich auch der RAID-Level auf die Leistung aus:

• Bei RAID-0-Arrays werden die Daten auf mehrere Festplatten verteilt, was die Leistung verbessert. Wenn ein solcher Satz beispielsweise drei Festplatten enthält, ist die Lese-/Schreibgeschwindigkeit theoretisch dreimal so hoch wie bei einer einzelnen Festplatte.
• RAID 1 bietet Datenredundanz, liefert aber keine zusätzliche Leistung über die einer einzelnen Festplatte hinaus. Je nach Implementierung führen einige RAID-1-Arrays zu einer verringerten Schreibleistung aufgrund des Overheads, der beim Schreiben von Daten auf mehrere Festplatten entsteht.
• RAID 5 und 6 Arrays liegen in der Regel zwischen der Leistung von RAID 0 und RAID 1. Wie RAID 0 sind auch RAID 5 und 6 Stripe-Sets und profitieren von Daten, die sich über mehrere Festplatten erstrecken. Diese Arrays sind jedoch darauf ausgelegt, Festplattenausfälle zu überstehen. Daher müssen sie für jeden Schreibvorgang Paritätsdaten berechnen und die Paritätsinformationen zusammen mit den auf die Festplatte geschriebenen Daten speichern. Der mit den Paritätsdaten verbundene Overhead verringert die Leistung des Arrays gegenüber einem vergleichbaren RAID-0-Array erheblich.

Darüber hinaus verlieren Administratoren einen Teil der Kapazität des Arrays, weil Paritätsdaten gespeichert werden müssen. Im Falle eines RAID-5-Arrays entspricht der Overhead dem einer ganzen Festplatte. Bei einem RAID-6-Array entspricht der Overhead dem von zwei Festplatten. Wenn ein Array beispielsweise aus fünf 1-TB-Festplatten besteht und für RAID 5 konfiguriert ist, beträgt seine nutzbare Kapazität 4 TB. Wenn dasselbe Array für RAID 6 konfiguriert ist, beträgt seine nutzbare Kapazität 3 TB. Während ein RAID-5-Array einen Festplattenausfall überstehen kann, kann ein RAID-6-Array zwei gleichzeitige Festplattenausfälle überstehen.

AHCI vs. RAID: Einsatzmöglichkeiten, Vorteile und Funktionen

Administratoren können RAID und AHCI unabhängig voneinander, aber auch zusammen verwenden. Der Aufbau eines RAID-Arrays auf AHCI-Hardware ermöglicht eine breite Hardwarekompatibilität, da der AHCI-Standard die Verwendung von HDD- und SSD-SATA-Festplatten ermöglicht.

Die Unterstützung von Hot Swapping durch AHCI ist ein Vorteil. RAID-Arrays sind häufig so konzipiert, dass sie im Falle eines Festplattenausfalls Schutz vor Datenverlust bieten. Die Kombination eines fehlertoleranten RAID-Arrays mit AHCI-Hardware bedeutet, dass das RAID-Array im Falle eines Festplattenausfalls den Betrieb des Speichersystems aufrechterhalten kann. Es ist dann möglich, die ausgefallene Festplatte zu ersetzen und das RAID-Array wiederherzustellen, ohne das System offline zu nehmen.

Viele PCs sind mit einer einzigen SATA-Festplatte ausgestattet, obwohl die PC-Hardware die Erstellung eines RAID-Verbunds problemlos ermöglicht. Ebenso ist es möglich, ein RAID-Array mit anderen Architekturen als AHCI zu erstellen. Administratoren, die ein hochleistungsfähiges RAID-Array benötigen, verwenden zum Beispiel häufig NVMe-Festplatten im Gegensatz zu SATA-Festplatten. Die NVMe-Architektur verringert die Latenz und unterstützt eine höhere Anzahl von IOPS als AHCI.

Fazit zu AHCI vs. RAID

Bei der Diskussion über AHCI und RAID ist es wichtig zu wissen, wo diese beiden Konzepte in der gesamten Speichergeräteumgebung einzuordnen sind. AHCI gewährleistet die volle Funktionalität von SATA-Geräten. RAID bietet Spiegelungs- und Striping-Funktionen, die für die Datensicherung entscheidend sind.

Wenn Sie diese Grundlagen richtig anwenden, erhalten Sie eine voll funktionsfähige Speicherumgebung.