Harddrive - Tips & Tricks zum Geräteanschluß: Raid System

RAID (Redundant Array of Independent Disks)-Systeme bestehen immer aus mehreren einzelnen Festplatten, möglichst vom gleichen Hersteller und einer einheitlichen Kapaztität, die dem Nutzer und dem Betriebssystem vom RAID- Controller als eine einzige grosse Festplatte präsentiert wird.

Intern verteilt ein RAID-Controller die Daten einer jeden Datei beim Schreiben gleichmässig über alle in diesem Array vorhandenen Festplatten, so dass beim Lesen der Datei die Daten von allen Platten gleichzeitig geholt werden. Der Vorteil dabei ist, dass die resultierende Lesegeschwindigkeit, im Idealfall, die Addition der Transfergeschwindigkeit aller Platten ist. Bei drei benutzten Festplatten also in etwa drei mal so hoch ist wie bei einer einzelnen Platte, bei 4 Platten viermal so hoch.

Die Obergrenze wird durch die maximale Geschwindigkeit des öbertragungssystems beschränkt. In aktuellen Computersystemen ist das der PCI-Bus.

Nur die Transfergeschwindigkeit, nicht die Zugriffsgeschwindigkeit verbessert sich, das wird immer wieder gerne verwechselt und vermischt.

Bei den verwendeten Festplatten müssen alle verwendeten Platten bzw. Partitionen die gleiche Grösse besitzen. Daher ist es erforderlich, immer Festplatten des gleichen Typs zu verwenden. Kaufen die sie Platten am besten aus einer einzigen Charge. Mit unterschiedlich grossen Partitionen erreicht man keinen Geschwindigkeitsvorteil!

Um Ausfälle und Datenverluste zu minimieren, wenn z.B eine der Festplatten ausfällt, sind die Daten der anderen Festplatten oft auch nicht mehr zu gebrauchen das Risiko erhöht mit jeder eingesetzten Festplatte. Daher gibt es verschiedene Varianten von RAID Systemen, RAID-Level, genannt, die je nach Einsatzgebiet und Ressourcen eine bestimmte Gewichtung der Faktoren Geschwindigkeit, Preis und Datensicherheit erlauben.

Alle diese Systeme sind "Hot-pluggable" konfiguriert, d.h. bei Ausfall einer einzigen Festplatte kann diese im laufenden Betrieb und aller Regel nach ohne Datenverlust ersetzt werden.

Für den normalen Computeranwender, der Briefe schreibt und ein wenig Musik speichert, als Beispiel, ist ein RAID-System überflüssig. Es genügt wenn hier einmal pro Woche ein BackUp erstellt wird.

Ein Benutzer der professionell DV Material schneidet und schnell und sicher Zugriff auf grosse Datenmengen haben muss, macht ein RAID-System auf jeden Fall einen Sinn. Wechselbare Festplatte vermutlich auch.

Ein Administrator der vielen Clients schnell eine Menge an Daten zur Verfügung stellen muss benötigt ein RAID-System. Wird Schnelligkeit und Sicherheit gross geschrieben ist das ausschliesslich ein Hardware RAID-Level 5.

Ich denke das man mit diesen drei einfachen Beispielen sehr schnell herausbekommt ob man ein Kandidat für ein RAID-System ist oder nicht. Verwendet man Betriebsysteme die RAID von Haus aus unterstützen vereinfacht sich dieses Frage etwas da ausser einer weiteren Festplatte keine Anschaffung notwendig ist.

Auf zwei oder mehr Festplatten wird parallel zugegriffen. Dadurch lässt sich bei Lese- und Schreibzugriffen die Transferrate erheblich steigern. Die Zugriffszeit bleibt natürlich gleich hoch. Alle Daten werden doppelt auf zwei vorhandene Laufwerke geschrieben. Redundante Daten, also eine hohe Datensicherheit, die Geschwindigkeit ist nur so gross wie die eines Einzellaufwerkes. Das Prinzip ist wie ein kontinuierliches automatisches Backup aller verfügbaren Daten.

Ein einfaches Verfahren zur Erhöhung der Datensicherheit: Alle Daten werden parallel auf zwei Festplatten geschrieben. Der Datenbestand beider Festplatten ist also identisch. Nachteile dieses 'Primitiv-RAID' sind die 50%-ige Platzverschwendung und die immer noch relativ grosse Datenunsicherheit. Im Falle eines Schreibfehlers auf einer Festplatte lässt sich nämlich bei RAID 1 nicht bestimmen, welche der beiden HDDs die richtigen Daten gespeichert hat.

Eine erweiterte Form des Mirrorings ist das Disk-Duplexing. Hierbei sind nicht nur zwei Festplatten, sondern auch zwei Hostadapter vorhanden, so dass auch bei Ausfall eines Hostadapters weiter gearbeitet werden kann. Zur Erhöhung der Datensicherheit wird RAID 1 gern mit einem anderen RAID Level kombiniert.

Bei diesem Verfahren werden die Daten ähnlich wie bei RAID 0 über zwei oder mehr Festplatten verteilt. Zusätzlich wird eine Festplatte mit einer Prüfsumme nach dem Hamming-Code beschrieben. Der Hamming-Code ist in der Lage kleinere Fehler im Datenbestand nicht nur zu erkennen, sondern auch zu beheben. Durch das dedizierte Laufwerk für den Fehlercode wird RAID 2 recht langsam. Ausserdem ist es durch die in allen modernen Festplatten enthaltenen Fehlerprüfcodes obsolet geworden.

Level 0 + 1 werden kombiniert. Grosse Geschwindigkeit und Datensicherheit ist gewährleistet, es werden mehrere Festplatten dafür benötigt, mindestens aber 4 Stück. Zwei Festplatten dienen dabei einem schnellen Stripe-Array, und beide werden zur Sicherheit nochmal auf zwei weiteren Platten gespiegelt.

Eine vor allem in der Performance verbesserte Alternative zu RAID 2. Es arbeitet wiederum auf Basis eines Stripe Set und speichert die redundante Fehlerinformation auch auf einem separaten Laufwerk. Im Unterschied zu RAID 2 wird aber eine XOR-Verknüpfung als Redundanzcode verwendet. Bei Ausfall einer Festplatte ist es möglich alle Daten während des Betriebs aus den Daten der anderen Festplatten zu errechnen. Es tritt also kein Datenverlust auf.

RAID 3 ist recht flink, aber seine Leistung bricht bei kleinen, unzusammenhängenden Datenblöcken schnell zusammen. Gut für grosse Datentransfers.

Das sogenannte Sector Striping verteilt die Daten in grösseren Blöcken als RAID 3 auf die verschiedenen Festplatten. Ansonsten wird ebenfalls ein Laufwerk mit XOR Prüfsumme verwendet. Der Vorteil des Stripings geht durch den Flaschenhals der dedizierten Festplatte für den Fehlercode verloren. Nur bei Lesezugriffen kann das Striping seine Vorteile ausspielen.

Auch hier werden die Daten über drei oder mehr Festplatten verteilt und eine XOR Prüfsumme wird erzeugt. Allerdings wird die Prüfsumme nicht wie bei den anderen RAID Levels auf einer dedizierten Festplatte untergebracht, sondern ist über alle Laufwerke verteilt ('Striped Parity'). Dadurch entsteht kein Flaschenhals. RAID 5 bietet hohe Datensicherheit und ist durch seine gute Performance heute sehr beliebt. Da das Berechnen XOR Prüfsumme und die Verteilung der Informationen auf die einzelnen HDDs recht aufwendig ist, wird auf RAID 5 Hostadaptern meist ein eigener 'RAID 5 Chip' eingesetzt.

Hier werden alle Prüfsummendaten nicht auf eine eigene Festplatte geschrieben sondern auf alle vorhandenen Festplatten verteilt. Level 5 bietet eine sehr gute Balance zwischen Geschwindigkeit, Sicherheit und der Anzahl der notwendigen Platten. Software RAID 5 wird von Windows 2000 Server und Linux direkt unterstützt.

Neben der Erhöhung der Ausfallsicherheit bieten RAID-Systeme einige Techniken, um im Fehlerfall möglichst schnell wieder eine redundante Datenhaltung aufbauen zu können:

- Hot Swapping:
Während des laufenden Serverbetriebs kann eine defekte Festplatte durch eine nue ausgetauscht werden. Das betroffene Laufwerk wird dazu vom Hostadapter automatisch abgeschaltet und die neue Festplatte wird automatisch eingerichtet und in das RAID-System eingebunden. Der Serverbetrieb kann währenddessen weitergehen.

- Hot Standby:
Eine zusätzliche Festplatte wartet in ausgeschaltetem Zustand auf einen eventuellen Defekt einer der Platten des Arrays. Tritt dieser ein, so wird die bisher ungenutzte Festplatte automatisch hochgefahren und die defekte Platte wird deaktiviert. So wird ohne Benutzereingriff trotz Defekts immer höchste Redunanz bewahrt.

Tabelle 7: RAID Level / Systeme
RAID	Bezeichnung	Prüfcode	min. Daten HDDs	+ Prüf HDDs

0	Stripe Set	kein	2	-
1	Disk-Mirroring	kein	1	1
2	Stripe Set	Hamming Code dediz.	2	1
3	Stripe Set	XOR dediziert	2	1
4	Sector Striping	XOR dediziert	2	1
5	Stripe Set	XOR verteilt	2	1
6	Stripe Set	2x XOR verteilt	2	2

SCSI-Festplatte waren früher für RAID-Systeme die einzige Möglichkeit. RAID wurde generell nur in Servern eingesetzt. Heute jedoch sind RAID-Systeme auch für den Heimanwender erschwinglich und dank der fortgeschrittenen Technik eine gute Wahl.

Der Vorteil von SCSI-Arrays ist das bis zu 15 SCSI Festplatten an einem einzigen RAID-Controller angeschlossen werden dürfen. Hier darf die SCSI-Kabellänge grösser sein um die Platten z.B auch extern in einem anderen, externen Gehäuse unterzubringen. Generell gelten aber die üblichen SCSI Tips.

Die maximale verfügbarte Kabellänge bei EIDE-Festplkatten kann bei der Unterbringung aller Platten in einem Gehäuse Probleme verursachen. Es müssen genügend freie IDE-Kanäle vorhanden sein. Optimal ist ein Kanal pro IDE-Festplatte, ein normales Computer Mainboard stellt 2 IDE Kanäle zur Verfügung. Jeder zusätzliche EIDE-Controller nochmal zwei. Günstige IDE RAID-Cointroller bieten zwei Kanäle, besserere Controller vier Kanäle.

Vom Preis her sind IDE-Festplatten immer günstiger. Von der Geschwindigkeit dürfte sich heute ein SCSI-RAID und ein IDE-RAID nichts mehr geben. Es ist alles gleich schnell, Abhängig davon was man machen will.

Bei einem Software-RAID übernimmt immer die CPU die Steuerung der Datenverteilung der einzelnen Festplatten, in Betriebssystemen wie Linux oder Windows NT/2000/XP, MacOS X sind verschiedene Versionen von RAID schon integriert.

In reinen Hardware-RAIDs gilt der Vorteil das man Systemunabhängig ist und das so gut wie keine Prozessorbelastung anfällt. Hier übernimmt ein RAID-Controller die Steuerungsaufgaben und eventuell auch die Rechenarbeit für die Prüfsummenerstellung.

Dieses RAID kann an verschiedene Betriebssysteme angebunden werden, auch welche die selbst kein RAID beherrschen, das RAID-System erscheint als eine normale Festplatte.

Eine gute Festplattenperformance erhält man nur bei einer kleinen Fragmentierung aller auf dem System gespeicherten Daten. Das war schon immer so. Fragmentiert werden die Daten im Laufe der Zeit immer, es hängt in der Hauptsache von der Art der Nutzung ab wie stark sie in einem gewissen Zeitraum fragmentiert.

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