Raid-Level und -Typen erklärt:Vor- und Nachteile

Was ist RAID?

RAID (Redundant Array of Independent Disks) ist eine Einrichtung, die aus mehreren Festplatten zur Datenspeicherung besteht. Sie sind miteinander verbunden, um Datenverlust zu verhindern und/oder die Leistung zu beschleunigen. Das Vorhandensein mehrerer Festplatten ermöglicht den Einsatz verschiedener Techniken wie Festplatten-Striping , Datenträgerspiegelung , und Parität .

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über RAID-Typen, ihre Vor- und Nachteile und ihre Anwendungsfälle .

RAID-Stufen und -Typen

RAID-Level werden in die folgenden Kategorien eingeteilt:

• Standard-RAID-Level
• Nicht standardmäßige RAID-Stufen
• Verschachtelte/Hybrid-RAID-Ebenen

Außerdem können Sie auswählen, wie RAID auf Ihrem System implementiert werden soll. Daher können Sie zwischen Hardware-RAID, Software-RAID und Firmware-RAID wählen.

In der folgenden Liste werden die Standard-RAID-Stufen (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) und beliebte Nicht-Standard- und Hybridoptionen (RAID 10) erläutert.

RAID 0:Striping

RAID 0, auch Stripeset oder Stripeset genannt, erfordert mindestens zwei Festplatten. Die Festplatten werden zu einem einzigen großen Volume zusammengeführt, in dem die Daten gleichmäßig über die Anzahl der Festplatten im Array gespeichert werden.

Dieser Prozess wird als Festplatten-Striping bezeichnet und beinhaltet das Aufteilen von Daten in Blöcke und das gleichzeitige/sequenzielle Schreiben auf mehrere Festplatten. Das Konfigurieren der Stripeset-Festplatten als einzelne Partition erhöht die Leistung, da mehrere Festplatten gleichzeitig Lese- und Schreibvorgänge ausführen. Daher wird im Allgemeinen RAID 0 implementiert, um Geschwindigkeit und Effizienz zu verbessern.

Es ist wichtig zu beachten, dass, wenn ein Array aus Festplatten unterschiedlicher Größe besteht, jede auf die kleinste Festplattengröße im Setup beschränkt ist. Das bedeutet, dass ein Array aus zwei Festplatten, von denen eine 320 GB und die andere 120 GB groß ist, tatsächlich eine Kapazität von 2 x 120 GB (oder insgesamt 240 GB) hat.

Bestimmte Implementierungen ermöglichen es Ihnen, die verbleibenden 200 GB für andere Zwecke zu verwenden. Darüber hinaus können Entwickler mehrere Controller (oder sogar einen pro Festplatte) implementieren, um die Leistung zu verbessern.

RAID 0 ist die kostengünstigste Art der redundanten Festplattenkonfiguration und lässt sich relativ einfach einrichten. Dennoch enthält es keine Redundanz, Fehlertoleranz oder Partei in seiner Zusammensetzung. Daher können Probleme auf einer der Festplatten im Array zu einem vollständigen Datenverlust führen. Aus diesem Grund sollte es nur für unkritische Speicher verwendet werden, wie z. B. temporäre Dateien, die an anderer Stelle gesichert wurden.

Vorteile von RAID 0

• Kosteneffizient und einfach zu implementieren.
• Erhöhte Lese- und Schreibleistung.
• Kein Overhead (Gesamtkapazitätsnutzung).

Nachteile von RAID 0

• Bietet keine Fehlertoleranz oder Redundanz.

Wann Raid 0 verwendet werden sollte

RAID 0 wird verwendet, wenn Leistung Priorität hat und Zuverlässigkeit nicht. Wenn Sie Ihre Laufwerke optimal nutzen möchten und Datenverlust nichts ausmacht, entscheiden Sie sich für RAID 0.

Andererseits muss eine solche Konfiguration nicht zwangsläufig unzuverlässig sein. Sie können auf Ihrem System Festplatten-Striping zusammen mit einem anderen RAID-Array einrichten, das Datenschutz und Redundanz gewährleistet.

RAID 1:Spiegelung

RAID 1 ist ein Array, das aus mindestens zwei Festplatten besteht, auf denen dieselben Daten gespeichert werden, um Redundanz zu gewährleisten. Die häufigste Verwendung von RAID 1 besteht darin, ein gespiegeltes Paar aus zwei Festplatten einzurichten, bei dem der Inhalt der ersten Festplatte auf der zweiten gespiegelt wird. Deshalb wird eine solche Konfiguration auch Spiegelung genannt.

Anders als bei RAID 0, wo der Fokus ausschließlich auf Geschwindigkeit und Leistung liegt, ist das primäre Ziel von RAID 1 die Bereitstellung von Redundanz. Es eliminiert die Möglichkeit von Datenverlust und Ausfallzeiten, indem ein ausgefallenes Laufwerk durch seine Kopie ersetzt wird.

In einem solchen Setup ist das Array-Volume so groß wie die kleinste Festplatte und funktioniert so lange, wie ein Laufwerk in Betrieb ist. Abgesehen von der Zuverlässigkeit verbessert die Spiegelung die Leseleistung, da eine Anfrage von jedem der Laufwerke im Array verarbeitet werden kann. Andererseits bleibt die Schreibleistung gleich wie bei einer Platte und entspricht der langsamsten Platte in der Konfiguration.

Vorteile von RAID 1

• Erhöhte Leseleistung.
• Bietet Redundanz und Fehlertoleranz.
• Einfach zu konfigurieren und einfach zu bedienen.

Nachteile von RAID 1

• Verwendet nur die Hälfte der Speicherkapazität.
• Teurer (benötigt doppelt so viele Fahrer).
• Erfordert das Herunterfahren Ihres Computers, um das ausgefallene Laufwerk zu ersetzen.

Wann Raid 1 verwendet werden sollte

RAID 1 wird für unternehmenskritische Speicher verwendet, die ein minimales Datenverlustrisiko erfordern. Abrechnungssysteme entscheiden sich häufig für RAID 1, da sie mit kritischen Daten umgehen und eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.

Es eignet sich auch für kleinere Server mit nur zwei Festplatten, sowie wenn Sie eine einfache Konfiguration suchen, die Sie problemlos (auch zu Hause) einrichten können.

Raid 2:Striping auf Bit-Ebene mit dedizierter Hamming-Code-Parität

RAID 2 wird heute in der Praxis kaum noch eingesetzt. Es kombiniert Bit-Level-Striping mit Fehlerprüfung und Informationskorrektur. Diese RAID-Implementierung erfordert zwei Festplattengruppen – eine zum Schreiben der Daten und eine andere zum Schreiben von Fehlerkorrekturcodes. RAID 2 erfordert auch einen speziellen Controller für das synchronisierte Drehen aller Festplatten.

Anstelle von Datenblöcken verteilt RAID 2 Daten auf Bitebene über mehrere Festplatten. Zusätzlich verwendet es die Humming Error Ode Correction (ECC) und speichert diese Informationen auf der Redundanzplatte.

Das Array berechnet die Fehlercodekorrektur im laufenden Betrieb. Beim Schreiben der Daten werden sie auf die Datenfestplatte gestrippt und der Code auf die Redundanzfestplatte geschrieben. Andererseits wird beim Lesen von Daten von der Festplatte auch von der Redundanzfestplatte gelesen, um die Daten zu überprüfen und gegebenenfalls Korrekturen vorzunehmen.

Vorteile von RAID 2

• Zuverlässigkeit.
• Die Fähigkeit, gespeicherte Informationen zu korrigieren.

Nachteile von RAID 2

• Teuer.
• Schwierig zu implementieren.
• Gesamte Festplatten für ECC erforderlich.

Wann Raid 2 verwendet werden sollte

RAID 2 ist heute keine gängige Praxis, da die meisten seiner Funktionen jetzt auf modernen Festplatten verfügbar sind. Aufgrund seiner Kosten und Implementierungsanforderungen wurde dieses RAID-Level bei Entwicklern nie populär.

Raid 3:Striping auf Bit-Ebene mit dedizierter Parität

Wie RAID 2 wird auch RAID 3 in der Praxis kaum eingesetzt. Diese RAID-Implementierung verwendet Bit-Level-Striping und eine dedizierte Paritätsfestplatte. Aus diesem Grund sind mindestens drei Laufwerke erforderlich, von denen zwei zum Speichern von Datenstreifen und eines für die Parität verwendet werden.

Um synchronisiertes Spinning zu ermöglichen, benötigt RAID 3 auch einen speziellen Controller. Aufgrund seiner Konfiguration und des synchronisierten Disk-Spinnings erreicht es bei sequentiellen Operationen bessere Leistungsraten als bei zufälligen Lese-/Schreiboperationen.

Vorteile von RAID 3

• Guter Durchsatz bei der Übertragung großer Datenmengen.
• Hohe Effizienz mit sequentiellen Operationen.
• Resilienz bei Festplattenausfällen.

Nachteile von RAID 3

• Nicht geeignet für die Übertragung kleiner Dateien.
• Komplex zu implementieren.
• Schwierig als Software-RAID einzurichten.

Wann Raid 3 verwendet werden sollte

RAID 3 wird heute nicht mehr häufig verwendet. Seine Funktionen sind für eine begrenzte Anzahl von Anwendungsfällen von Vorteil, die hohe Übertragungsraten für lange sequenzielle Lese- und Schreibvorgänge erfordern (z. B. Videobearbeitung und -produktion).

Raid 4:Striping auf Blockebene mit dedizierter Parität

RAID 4 ist ein weiteres unbeliebtes Standard-RAID-Level. Es besteht aus Daten-Striping auf Blockebene über zwei oder mehr unabhängige Diss und eine dedizierte Paritätsfestplatte.

Die Implementierung erfordert mindestens drei Festplatten – zwei zum Speichern von Datenstreifen und eine zum Speichern von Parität und Bereitstellen von Redundanz. Da jede Festplatte unabhängig ist und kein synchronisiertes Drehen stattfindet, ist kein Controller erforderlich.

Die RAID 4-Konfiguration ist anfällig für Engpässe, wenn Paritätsbits für jeden Datenblock auf einem einzelnen Laufwerk gespeichert werden. Solche Systemengpässe haben einen großen Einfluss auf die Systemleistung.

Vorteile von RAID 4

• Schnelle Lesevorgänge.
• Geringer Speicheraufwand.
• Gleichzeitige E/A-Anforderungen.

Nachteile von RAID 4

• Engpässe, die sich stark auf die Gesamtleistung auswirken.
• Langsame Schreibvorgänge.
• Die Redundanz geht verloren, wenn die Paritätsfestplatte ausfällt.

Wann Raid 4 verwendet werden sollte

In Anbetracht seiner Konfiguration eignet sich RAID 4 am besten für Anwendungsfälle, die das sequentielle Lesen und Schreiben von Datenprozessen großer Dateien erfordern. Dennoch wurde RAID 4, genau wie RAID 3, in den meisten Lösungen durch RAID 5 ersetzt.

Raid 5:Striping mit Parität

RAID 5 gilt als die sicherste und am weitesten verbreitete RAID-Implementierung. Es kombiniert Striping und Parität, um eine schnelle und zuverlässige Einrichtung zu ermöglichen. Eine solche Konfiguration bietet dem Benutzer eine Speichernutzung wie bei RAID 1 und die Leistungseffizienz von RAID 0.

Dieses RAID-Level besteht aus mindestens drei Festplatten (und höchstens 16). Daten werden in Datenstreifen aufgeteilt und auf verschiedene Festplatten im Array verteilt. Dies ermöglicht hohe Leistungsraten aufgrund schneller Lesedatentransaktionen, die gleichzeitig von verschiedenen Laufwerken im Array durchgeführt werden können.

Paritätsbits werden gleichmäßig auf alle Festplatten verteilt, nachdem jede Datensequenz gespeichert wurde. Diese Funktion stellt sicher, dass Sie im Falle eines ausgefallenen Laufwerks immer noch Zugriff auf die Daten von Paritätsbits haben. Daher bietet RAID 5 Redundanz durch Paritätsbits anstelle von Spiegelung.

Vorteile von RAID 5

• Hohe Leistung und Kapazität.
• Schnelle und zuverlässige Lesegeschwindigkeit.
• Toleriert den Ausfall eines einzelnen Laufwerks.

Nachteile von RAID 5

• Längere Wiederherstellungszeit.
• Verwendet die Hälfte der Speicherkapazität (aufgrund der Parität).
• Falls mehr als eine Festplatte ausfällt, gehen Daten verloren.
• Komplexer zu implementieren.

Wann Raid 5 verwendet werden sollte

RAID 5 wird aufgrund seiner hohen Effizienz und optimierten Speicherung häufig für Datei- und Anwendungsserver verwendet. Darüber hinaus ist es die beste und kostengünstigste Lösung, wenn kontinuierlicher Datenzugriff Priorität hat und/oder Sie ein Betriebssystem auf dem Array installieren müssen.

Raid 6:Striping mit doppelter Parität

RAID 6 ist ein RAID 5 ähnliches Array mit einer zusätzlichen doppelten Paritätsfunktion. Aus diesem Grund wird es auch als Double-Parity-RAID bezeichnet.

Dieses Setup erfordert mindestens vier Laufwerke. Das Setup ähnelt RAID 5, enthält jedoch zwei zusätzliche Paritätsblöcke, die über die Festplatte verteilt sind. Daher verwendet es Striping auf Blockebene, um die Daten über das Array zu verteilen, und speichert zwei Paritätsblöcke für jeden Datenblock.

Striping auf Blockebene mit zwei Paritätsblöcken ermöglicht zwei Festplattenausfälle, bevor Daten verloren gehen. Das bedeutet, dass RAID im Falle eines Ausfalls zweier Festplatten die erforderlichen Daten immer noch rekonstruieren kann.

Seine Leistung hängt davon ab, wie das Array implementiert ist, sowie von der Gesamtzahl der Laufwerke. Schreibvorgänge sind im Vergleich zu anderen Konfigurationen aufgrund der doppelten Paritätsfunktion langsamer.

Vorteile von RAID 6

• Hohe Fehler- und Laufwerksausfalltoleranz.
• Speichereffizienz (wenn mehr als vier Laufwerke verwendet werden).
• Schnelle Lesevorgänge.

Nachteile von RAID 6

• Die Wiederherstellungszeit kann bis zu 24 Stunden dauern.
• Langsame Schreibleistung.
• Komplex zu implementieren.
• Teurer.

Wann Raid 6 verwendet werden sollte

RAID 6 ist eine gute Lösung für geschäftskritische Anwendungen, bei denen Datenverluste nicht toleriert werden können. Daher wird es häufig für die Datenverwaltung in Verteidigungssektoren, im Gesundheitswesen und im Bankwesen verwendet.

Raid 10:Spiegelung mit Striping

RAID 10 ist Teil einer Gruppe, die als verschachteltes oder Hybrid-RAID bezeichnet wird, was bedeutet, dass es eine Kombination aus zwei verschiedenen RAID-Leveln ist. Im Fall von RAID 10 kombiniert das Array Spiegelung der Ebene 1 und Striping der Ebene 0. Dieses RAID-Array wird auch als RAID 1+0 bezeichnet.

RAID 10 verwendet logische Spiegelung, um dieselben Daten auf zwei oder mehr Laufwerke zu schreiben, um Redundanz bereitzustellen. Wenn eine Platte ausfällt, gibt es ein gespiegeltes Abbild der Daten, die auf einer anderen Platte gespeichert sind. Darüber hinaus verwendet das Array Striping auf Blockebene, um Datenblöcke auf verschiedene Laufwerke zu verteilen. Dies verbessert die Leistung sowie die Lese- und Schreibgeschwindigkeit, da auf die Daten gleichzeitig von mehreren Datenträgern zugegriffen wird.

Um eine solche Konfiguration zu implementieren, benötigt das Array mindestens vier Laufwerke sowie einen Festplattencontroller.

Vorteile von RAID 10

• Hochleistung.
• Hohe Fehlertoleranz.
• Schnelle Lese- und Schreibvorgänge.
• Schnelle Wiederherstellungszeit.

Nachteile von RAID 10

• Begrenzte Skalierbarkeit.
• Kostspielig (im Vergleich zu anderen RAID-Levels).
• Verwendet die Hälfte der Speicherplatzkapazität.
• Schwieriger einzurichten.

Wann Raid 10 verwendet werden sollte

RAID 10 wird häufig in Anwendungsfällen verwendet, die das Speichern großer Datenmengen, schnelle Lese- und Schreibzeiten und eine hohe Fehlertoleranz erfordern. Dementsprechend wird dieser RAID-Level häufig für E-Mail-Server, Webhosting-Server und Datenbanken implementiert.

Nicht-Standard-RAID

Die oben genannten RAID-Level gelten als Standard- oder häufig verwendete RAID-Implementierungen. Es gibt jedoch unzählige Möglichkeiten, redundante Arrays unabhängiger Festplatten einzurichten.

Dementsprechend haben viele Open-Source-Projekte und Unternehmen ihre eigenen Konfigurationen erstellt, um ihren Bedürfnissen gerecht zu werden. Infolgedessen gibt es viele nicht standardmäßige RAID-Implementierungen, wie zum Beispiel:

• RAID-DP
• Linux MD RAID 10
• RAID-Z
• Laufwerkerweiterung
• Entclustertes RAID

Verschachteltes (Hybrid-)RAID

Sie können zwei oder mehr Standard-RAID-Level kombinieren, um eine bessere Leistung und Redundanz zu gewährleisten. Solche Kombinationen werden als verschachtelte (oder hybride) RAID-Level bezeichnet.

Hybrid-RAID-Implementierungen werden nach den RAID-Leveln benannt, die sie enthalten. In den meisten Fällen enthalten sie zwei Zahlen, deren Reihenfolge das Schichtungsschema darstellt.

Zu den beliebten Hybrid-RAID-Levels gehören:

• RAID 01 (Striping und Mirroring; auch bekannt als „Mirror of Stripes“)
• RAID 03 (Striping auf Byte-Ebene und dedizierte Parität)
• RAID 10 (Datenträgerspiegelung und direktes Striping auf Blockebene)
• RAID 50 (verteilte Parität und Straight Striping auf Blockebene)
• RAID 60 (Dual Parity und Straight Striping auf Blockebene)
• RAID 100 (ein Stripe von RAID 10s)

RAID-Implementierungstypen

Es gibt drei Möglichkeiten, RAID zu verwenden, die sich danach unterscheiden, wo die Verarbeitung stattfindet.

Hardwarebasiertes RAID

Bei der Installation der Hardware Setup stecken Sie eine RAID-Controller-Karte in einen schnellen PCI-Express-Steckplatz auf dem Motherboard und verbinden sie mit den Laufwerken. Externe RAID-Laufwerksgehäuse mit integrierter Controller-Karte sind ebenfalls erhältlich.

Softwarebasiertes RAID

Für die Software Setup verbinden Sie die Laufwerke direkt mit dem Computer, ohne einen RAID-Controller zu verwenden. In diesem Fall verwalten Sie die Datenträger über die Dienstprogrammsoftware des Betriebssystems.

Firmware-/treiberbasiertes RAID

Firmware-basiertes RAID (auch als treiberbasiertes RAID bekannt) sind RAID-Systeme, die häufig direkt auf dem Motherboard gespeichert sind. Alle seine Operationen werden von der CPU des Computers ausgeführt, nicht von einem dedizierten Prozessor.