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Network Attached Storage NAS V1.16 (c) Stor IT Back 2021


Network Attached Storage - NAS / File Server / Dateiserver

Das NAS System (Network Attached Storage) oder der File Server stellt den Usern im Netzwerk Speicherplatz zur Verfügung. Das sind meistens Office-Daten und die sogenannten Home-Laufwerke (Home Folder), aber natürlich auch andere Daten. Gerade bei den Office-Daten ist der gemeinsame (schreibende) Zugriff wichtig und von zentraler Bedeutung. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Datensicherung. Bei einem zentralen System benötigt man auch nur eine zentrale Datensicherung. Dies spart Kosten und vereinfacht die Handhabung und Überwachung.
Bei den zentralen Home Laufwerken können die User sogar den PC wechseln und sie haben immer ihre persönliche Umgebung, die vom NAS kommt, zur Verfügung. Ein Client PC muss also nicht gesichert werden und kann im Fehlerfalle direkt aus einem Image wieder neu aufgebaut werden.

Aber nicht nur Clients kann ein Network Attached Storage Dateien zur Verfügung stellen. Auch in Server Umgebungen ist dies möglich. Ein einfaches Beispiel sind Webserver, die von einem zentralen NAS Server die Daten bekommen. Jedes Webserver-Frontend hat exakt die gleichen Daten und diese müssen auch nur einmal zentral geändert werden.


Historie der Fileserver

Der Fileserver (Network Attached Storage) ist entstanden, weil der Speicherbedarf der PC-Clients im Windows-Zeitalter stetig gestiegen ist. Eine dezentrale Aufrüstung der PCs mit eigenen Festplatten macht immer dann keinen Sinn, wenn mehrere Personen auf die Daten zugreifen müssen. Ein einfaches Beispiel: Ein Buchhalter schreibt eine Rechnung an einem PC und ein anderer Buchhalter möchte diese Rechnung am nächsten Tag für einen Kunden ausdrucken. Wenn diese Rechnung auf der lokalen Festplatte des einen Buchhalters liegt, kann der zweite sie nicht ausdrucken, bzw. er muss zu dem PC des Kollegen. Einfacher wird der ganze Ablauf, wenn alle Daten zentral auf einem Dateiserver (= Network Attached Storage, NAS Server) liegen, auf den alle Nutzer Zugriff haben, die dieselben Daten benötigen. Wichtig ist hierbei jedoch, dass nicht unbefugte Personen Zugriff auf alle Daten bekommen. Dies muss, gerade bei größeren Firmen, administrierbar bleiben.


Aufbau von NAS Storage und File Server

Ein NAS Server ist der Speicherplatz für die Clients (und auch Server) im Netzwerk. Diese erreichen ihren Speicherplatz über das LAN (Local Area Network) oder das WAN (Wide Area Network). Das heißt anders als beim DAS-System ist die Hauptverbindung für ein NAS das Netzwerk, heute meist Ethernet. NAS - Network Attached Storage Intern ist ein NAS-System wie ein Server (daher auch Dateiserver) aufgebaut. Die wichtigsten Bestandteile sind die Netzwerkkarte, der RAID-Controller und die Festplatten oder SSDs. Diese Bestandteile bestimmen die Qualität des Gesamtsystems und natürlich auch den Preis. Nicht zu vergessen sind natürlich die NAS-Software und das Betriebssystem. Beide bestimmen Performance und Verfügbarkeit entscheidend mit. Für die Hardware werden einmal Standard-Server eingesetzt, zum anderen Komponenten, die speziell nur für den Einsatz im Network Attached Storage entwickelt wurden.

Für die Standard-Hardware spricht einmal der Preis und zum anderen auch die allgemeine Verfügbarkeit der Komponenten. Fällt das Mainboard aus, so kann es leicht ersetzt werden, ebenso andere Komponenten. Damit lassen sich kostengünstige und trotzdem leistungsfähige Systeme aufbauen.

Der Vorteil für spezielle NAS-Server ist die 100 % Kompatibilität der Komponenten untereinander und zum Betriebssystem. Es passt einfach alles zusammen, optimal abgestimmt. Probleme mit nicht kompatibler Hardware tauchen nicht auf, das System kann zuverlässiger und sicherer betrieben werden. Probleme können allerdings bei Ausfällen auftreten, dort wird exakt die passende spezielle Hardware benötigt. In diesem Fall ist ein Wartungs- oder Servicevertrag mit dem Hersteller unerlässlich.

Aber was spricht noch für die spezielle NAS Hardware? In diesem Fall können hochredundante Systeme aufgebaut werden. Sie bestehen zum Beispiel aus zwei Controller oder zwei Serverboards in einem Gehäuse. Sollte jetzt eine CPU ausfallen oder RAM defekt sein, so kann der andere Controller unverzüglich übernehmen. Der Ausfall ist entweder kaum spürbar oder sehr kurz.

Und ein nicht zu vernachlässigbarer Vorteil ist die Lieferung aller Komponenten aus einer Hand. Sollte das System unvorhersehbare Reaktionen zeigen, so kann nicht der Software-Hersteller die Schuld auf den Hardware-Hersteller schieben und umgekehrt. Es ist ja der gleiche Support. Dies ist zwar selten, aber wenn es auftritt nur sehr schwer zu beherrschen.
Es haben sich 2 Betriebssysteme NAS - interner Aufbau für NAS-Server durchgesetzt. Dies sind einmal ein klassisches (oder auch angepasstes) Linux Betriebssystem mit SMB/CIFS-Software (Samba) und zum anderen eine Windows Server Variante (Windows Storage Server in der aktuellen Version) mit NFS-Erweiterungen. Einige Hersteller bieten proprietäre Systeme an, die meist von der Entwicklung aus dem Linux oder FreeBSD-Umfeld stammen.

Der Vorteil des Windows NAS (Windows Storage Server bzw. jetzt neu Windows Server IoT for Storage) ist die 100 % Kompatibilität zur Windows-Familie. So kann zum Beispiel die DFS Replikation (DFS-R) genutzt werden, was mit Samba nicht möglich ist.
Damit erhält man ein System mit den Vorteilen der Windows-Welt, aber auch die Nachteile. Soll das NAS in heterogene Welten integriert werden, so haben meist die Unix- bzw. Linux-Systeme mehr Vorteile.

Insgesamt hat auch der NAS Server mit einem Unix- / Linux-Betriebssystem eine sehr gute Implementierung des SMB/CIFS Protokolls. Die meisten Anwendungen lassen sich ohne Probleme realisieren, eine Integration in das Windows AD ist kein Problem. Interessante Features kommen aus dem Linux-Umfeld, so ist meist eine Replizierung auf ein zweites System möglich, SnapShots sind integriert und stabile Filesysteme bieten eine gute Grundlage für eine sichere Datenhaltung.

Bei der Auswahl des richtigen NAS Server muss also sowohl die vorhandene Infrastruktur, wie auch besondere Anforderungen an das Network Attached Storage berücksichtigt werden. Von der Bedienung her bringen beide NAS-Familien ähnliche Oberflächen mit. Meist sind sie browser-basierend aufgebaut und recht einfach zu bedienen. Beim Windows Storage Server bzw. IoT for Storage kann zusätzlich noch die normale Windows Oberfläche genutzt werden.

Neben den reinen Network Attached Storage bieten viele Storage-Hersteller sogenannte Unified Storage Systeme an. Dies beinhaltet einen blockbasierenden Speicherplatz zusammen mit einem filebasierenden Storage. Also ein SAN oder DAS Storage zusammen mit einem NAS. Dies macht immer dann Sinn, wenn beide Dienste benötigt werden. Soll also zum Beispiel ein Hypervisor-Cluster mit Blockspeicher über Fibre Channel versorgt werden, aber auch viele PCs mit Filestorage per SMB/CIFS, so bietet sich diese Möglichkeit an. Die Unified Storage Systeme bieten dann meist auch noch einen Objekt-Speicher mit an.


Zusätzliche Services auf NAS-Systemen

Vom eigentlichen Ansatz her ist der Network Attached Storage ein reiner Fileserver. Jedoch benötigt auch ein Fileserver weitere Funktionen, wie zum Beispiel einen Virenscanner oder eine Backup-Software. Auf Linux-NAS-Servern ist meist die Installation von Software nicht möglich. Die Windows Storage Server in allen Versionen bieten jedoch, wie ein übliches Windows, die Möglichkeit Virenscanner und Backup-Software zu installieren.

Jedoch birgt dies die Gefahr, das System durch inkompatible oder unstabile Software zu gefährden. Die Verfügbarkeit kann eingeschränkt werden. Auch auf der Linux-Seite werden Lösungen angeboten. So kann zum Beispiel eine Viren-Scanner-Software integriert sein und Backup-Clients können aktiviert werden. Als Virenscanner ist meist die OpenSource Software ClamAV integriert und optional können kommerzielle Versionen aktiviert werden. Andere bieten eine API-Schnittstelle für den Virenscanner an. Der Virenscanner läuft in diesem Fall auf einem externen Server und greift über die API zu.

NAS-Server mit großen Datenmengen kommen irgendwann an Systemgrenzen oder sprengen das Backup-Fenster. Auch hierbei gibt es Lösungen. So können durch eine HSM-Funktion selten genutzte Daten auf kostengünstigen Speicher verschoben werden. Dies spart Plattenkapazität und verkürzt das Backup-Fenster.

Durch eine Deduplizierung der Daten kann Plattenplatz eingespart werden. Mehrfach vorhandene Dateien werden nur noch einmal gespeichert und mit Verweisen (Stub-Files) zum zentralen Speicherort versehen. Jederzeit erreichbar, aber ohne Platzverschwendung.
Kommen wir noch einmal zurück zum Backup. Dies ist ja gerade bei großen Datenmengen sehr wichtig. Wenn man aber jetzt keinen Backup-Client auf einem Network Attached Storage installieren kann? Bei vielen NAS-Systemen ist eine Backup-Schnittstelle installiert. Dies ist das Network Data Management Protocol (NDMP). Damit ist eine Sicherung über die meisten Backup-Software-Produkte möglich.


Vorteile der NAS Server

Der größte Vorteil vom Network Attached Storage ist die schnelle und unkomplizierte Installation und Integration in ein vorhandenes Netzwerk. Sie besitzen ein optimiertes Betriebssystem für Filesystem-Dienste. Damit sind sie bei gleicher Hardware-Ausstattung leistungsfähiger als ein vergleichbarer Server mit einem klassischen Windows- oder Linux-Betriebssystem. Weiterhin werden NAS-Systeme zu günstigen Preisen angeboten, zum Teil liegen sie sogar bei einem geringeren Preis pro Gigabyte als DAS-Systeme (und dann braucht man ja auch noch einen Server dazu). Dies liegt zum großen Teil an den produzierten Stückzahlen, aber auch am standardisierten Aufbau. Die kostengünstigen Systeme sind "einfache" Server mit meist SATA-Platten und einem kostengünstigen SATA-RAID-Controller (oder einem Software-RAID). Die Produktpalette reicht bis zum voll-redundanten SAS-Platten-NAS mit Snap-Shot, remote Mirroring und Scale-out Features. Diese Systeme haben dann auch ihren Preis.

Die Enterprise-Lösungen der Hersteller bieten Cluster-Funktionalitäten, NAS-to-NAS-Spiegelungen und umfangreiche Administrationsoberflächen. Meist sind auch SAN-Funktionalitäten erhältlich, entweder über Fibre Channel oder iSCSI.

Verschiedene NAS-Systeme finden Sie in den Angeboten Network Attached Storage der Stor IT Back. In einem Angebot ist ein Autoloader für eine lokale Datensicherung integriert, andere sind modulare Systeme. Die Enterprise-Lösungen werden bei uns genau auf Ihre Anforderungen zugeschnitten, fragen Sie nach diesen NAS-Lösungen.


Nachteile der File Server und Dateiserver

Ein mögliches Problem kann auftreten, wenn sehr viele Clients auf das NAS zugreifen und dabei sehr große Datenmengen transportieren, dann kann das LAN schnell überlastet werden. Das Laden von Dokumenten wird langsam und kann sogar abbrechen. Auch andere Funktionen des LANs werden gestört. Vor dem Kauf eines NAS-Systems sollte das vorhandene Netz analysiert und die Auslastung ermittelt werden. Ersetzt ein NAS-System vorhandene Windows- oder Netware-Fileserver, so kann auch eine Reduzierung der Netzlast erreicht werden.
Ein weiterer Nachteil von NAS-Systemen tritt immer dann auf, wenn nicht-erweiterbare Systeme im Einsatz sind. Ist ein solches NAS-System an seiner Kapazitätsgrenze, so wird einfach ein weiteres System angeschafft. Von den Hardwarekosten ist dies vertretbar, jedoch spielen dann Personalkosten, Datensicherungskosten und die Nebenkosten (Strom, Kühlung) eine wesentlich größere Rolle. Schnell sind die geringeren Anschaffungskosten durch die Nachteile aufgebraucht, die Lösung wird teurer und teurer. Viele höherwertige Systeme lassen sich stufenlos erweitern, durch weitere Funktionen aufwerten und sind als Enterprise-Lösung einsetzbar.
Wichtig ist auch die Auswahl der richtigen Lösung. Wird für den hochverfügbaren Einsatz im Unternehmen ein Home-NAS verwendet, dann kann dies mit geringer Performance, aber auch mit Datenverlust enden.


Skalierbarkeit vom Network Attached Storage

Bisher wurden Scale-out-NAS-Systeme meist nur von großen Unternehmen genutzt. Sie ermöglichen eine Skalierung von Datenmenge und Performance in einem System. Damit fallen also viele Nachteile von verteilten NAS-Servern weg, da die Scale-out-Systeme wie ein einzelnes NAS administriert und verwaltet werden.

Aber wie sieht so ein Scale-out-NAS in der Praxis aus? Es besteht aus verschiedenen Knoten, in denen Speicherplatz und Netzwerkschnittstellen zur Verfügung gestellt werden. Wird zum Beispiel mehr Speicherplatz benötigt, so kann einfach ein neuer Knoten integriert werden. So wächst das Gesamtsystem an. Wie die Daten jetzt zwischen den Knoten verteilt werden, dass ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Häufig werden die Daten redundant über die Knoten verteilt, so dass zusätzlich auch noch die Verfügbarkeit erhöht wird. Es kann ein Knoten ausfallen und alle Daten sind weiterhin verfügbar. Eventuell fehlen Zugriffspfade, also kann die Performance unter Umständen geringer sein, aber alles ist weiterhin zugreifbar.

Wichtig ist hierbei, dass das Gesamtsystem einen sogenannten Global Namespace zur Verfügung stellt. In dem Global Namespace werden alle Ressourcen des Scale-out-NAS zentral verwaltet. Ob die einzelnen Nodes jeweils eigene Filesysteme nutzen oder verschiedene Filesysteme in einem Node oder ein Filesystem über verschiedene Nodes verteilt ist, wird alles dort hinterlegt und die Clients bekommen alle Informationen aus dem Name-Space. Wird jetzt zum Beispiel ein neuer Share oder ein neues Filesystem benötigt, dann wird dies in dem Global Namespace administriert und von dort auf die einzelnen Nodes übertragen. Damit kann auch ein Node entfernt werden, ohne etwas manuell an Freigaben oder Berechtigungen zu ändern.

Andere Hersteller realisieren diesen Ansatz über ein globales Filesystem. In diesem Fall "hängt" sich ein neuer Node ebenfalls in das Filesystem hinein und bringt Speicherkapazität und Performance mit. Die Verwaltung liegt also im Filesystem, ebenso Verfügbarkeit und Skalierbarkeit. Selbstverständlich muss dieses Filesystem extrem skalierbar sein, sowohl in Kapazität wie auch in der Anzahl von Dateien. Die Systeme sind daher meist auf Big Data Anwendungen zugeschnitten worden.

Wofür kann ein Scale-out-NAS also eingesetzt werden?
1. Skalierbarkeit des Speicherplatzes
2. Skalierbarkeit der Performance (Rechenleistung)
3. Skalierbarkeit der Zugriffsperformance (Netzwerkschnittstellen)
4. Verbesserung der Redundanz durch zusätzliche Nodes
5. K-Fall Vorsorge durch Verteilung der Nodes an verschiedene Standorte
6. Austausch der Nodes im laufenden Betrieb
7. Zentrale Administration aller File-Services

Immer mehr kleine und mittelständische Unternehmen müssen deutlich mehr Daten verwalten. Ein Großteil der Daten sind filebasierend, von klassischen Officedaten bis zu Big Data. Darauf haben die Hersteller von Scale-out-NAS Systemen reagiert und bieten auch in diesem Segment bezahlbare Lösungen an.


NAS Server mit Hardware-RAID oder ZFS?

Bei einem klassischen NAS Server für professionelle Anwender ist eigentlich ein Hardware-RAID-Controller ein MUSS. Der Controller sorgt für maximale Sicherheit und beste Performance. Er verbindet die vorhandenen physikalischen Platten über einen RAID-Level zu einer großen virtuellen Festplatte. Auf diese virtuelle Festplatte legt das NAS-System dann ein Filesystem an. Eine klare Aufgabenverteilung: Der RAID-Controller übernimmt das RAID und das NAS übernimmt das Filesystem. Da ein Hardware-Controller aber doch recht teuer ist, wird gerade bei kostengünstigen NAS-Systemen (Home oder SMB) ein Software-RAID genutzt. Dieses ersetzt nur den Hardware- Controller und bildet wieder die große virtuelle Festplatte. In diesem Fall muss die CPU des NAS die RAID-Verarbeitung übernehmen. Das ist gerade bei RAID 5 und RAID 6 nicht ganz so trivial und bietet nicht die beste Performance. Also gerade für größere NAS-Systeme nicht geeignet.

Jetzt kommt aber ZFS und das benötigt auch keinen RAID-Controller mehr. Was ist da jetzt anders? Das ZFS fasst die früheren Schichten (Filesystem, Volume-Management, RAID) zusammen. Das Filesystem im ZFS kennt also genau die Zusammensetzung der physikalischen Festplatten (wo liegt welcher Block auf welcher Platte), kann also auch später auftretende Fehler auf der Physik (umkippende Bits) erkennen und sogar beheben. Aber dies ist nicht nur für die Fehlerbehebung wichtig, sondern kann auch Vorteile für die Performance bieten, da auch das Filesystem die Physik kennt und optimieren kann.

Bei ZFS gibt es neben Features wie Deduplizierung, Kompression, SnapShots und den Checksummen auch das normale RAID. Das einfachste RAID ist das RAID 1 als Spiegelung. Das übliche RAID 5 wird bei ZFS als RAID-Z1 implementiert, das RAID 6 als RAID-Z2. Ein Vorteil der RAID-Z Technologie ist das Schreiben eines gesamten Vorganges (Daten inklusive Parity) und dann ein Einhängen dieser Daten über einen einzelnen Befehl. Damit bleiben die Schreiboperationen immer konsistent.


Network Attached Storage für die Virtualisierung

Wenn ein NAS System NFS Shares zur Verfügung stellt, dann lassen sich diese auch in VMware ESXi oder KVM einbinden. Beziehungsweise bei SMB Shares sind diese für einen Hyper-V Server nutzbar. Das ist technisch überhaupt kein Problem, es sind auch Features wie vMotion (Online-Migration zwischen Hosts) und HA (Hoch- Verfügbarkeit) möglich.
Aber was ist mit der Performance? Nehmen wir einmal an, das NAS System wäre mit den gleich Festplatten wie ein Direct Attached Storage ausgestattet, hat also im Backend eine ähnliche Performance. Der Unterschied ist dann das Protokoll für die Datenübertragung. Beim DAS zum Beispiel SAS und beim NAS dann NFS. Dabei hat NFS einen deutlich geringeren Durchsatz als SAS und eine höhere Latenzzeit. Also beide Faktoren sind dann nicht ideal für die Virtualisierung.
Es kommt am Ende immer auf den Einsatzzweck an. Kleine virtuellen Maschinen mit geringen Anforderungen an den Durchsatz können sehr gut auf einem NFS Share laufen.

Gibt es aber auch Vorteile von einem NFS Share? Die virtuellen Maschinen liegen direkt auf einem Filesystem, was auch andere Betriebssysteme lesen können. Ein NFS Share kann also unabhängig von VMware kopiert und gesichert werden. Zum Beispiel kann eine VM auf einen NFS Share geclont und dies kann dann normal kopiert oder gesichert werden. Für kleine Umgebungen und gerade Datensicherungen durchaus geeignet.



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