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Stor IT Back - Ihr Speicherspezialist

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Raid-Level V1.11 (c) Stor IT Back 2010

RAID-Level - Verfügbarkeit und Performance

Festplatten waren in den Anfangszeiten der Datenverarbeitung sehr teuer. Es gab eine Zweiklassengesellschaft für Festplatten. Die kostengünstigen waren für PCs und einfache Server vorgesehen, sie hatten jedoch einen großen Nachteil: sie fielen häufiger aus. Dies war gerade für den Großrechnerbereich und wichtige Server nicht tolerierbar, es wurden für diesen Einsatz speziell gefertigte und kontrollierte Festplatten verwendet. Diese waren sehr teuer und wurden nur von einzelnen Herstellern verwendet.
Als Lösung wurde die Idee "RAID" geboren. Das Kürzel stand in den Anfangszeiten für Redundant Array of Inexpensive Disks. Es wurden mehrere kostengünstige Platten kombiniert und zu einer logischen Festplatte verschaltet. Zwei Festplatten waren immer noch kostengünstiger als eine Großrechnerplatte und die Wahrscheinlichkeit, dass beide Festplatten ausfielen war nicht sonderlich groß.
Dieses Verfahren löste die beiden wichtigsten Nachteile der Festplatten: den Preis und die Ausfallwahrscheinlichkeit.

Was ist RAID ?

Mit RAID (Redundant Array of Independent Disks) werden mehrere unabhängige Festplatten zusammen geschaltet um ein großes logisches Laufwerk zu bilden. Auf diesem Array werden nicht nur Daten gespeichert, es werden auch "Redundanz-Informationen" hinzugefügt. Diese Redundanz-Informationen können die Daten selbst sein (Spiegeln) oder Parity-Daten, die aus mehreren Datenblöcken berechnet werden (RAID 3, 4, 5 oder 6). Neben dem RAID-Level 0 bis 6 wurden auch Kombinationen entwickelt, die so genannten "nested raids". Die sind zum Beispiel die RAID-Level 10 oder 51. Ein häufig verwendetes Beispiel ist ein RAID 50, es werden zwei RAID 5 gebildet, die dann miteinander gestriped werden. Dies erhöht die Performance ohne die Sicherheit zu beeinflussen.
Eine Weiterentwicklung ist das RAIDn, ein "virtuelles RAID", welches durch die Festlegung der maximalen Verfügbarkeit definiert werden kann.
Eine weitere Variante stammt von IBM, die eine Hot Spare Festplatte (sie springt beim Ausfall einer anderen Festplatte im RAID-Verbund ein) direkt mit ins RAID integrieren. Daraus ergibt sich der RAID-Level 5E bzw. 5EE. Beim 5E wird der Hot-Spare-Platz an das Ende einer jeden Festplatte gelegt, bei 5EE verteilt er sich auf alle Festplatten über den gesamten Bereich.
Das Betriebssystem (z.B. Windows 2008, Mac OS oder Unix) greift nun nicht mehr auf die einzelnen physikalischen Festplatten, sondern stattdessen auf das virtuelle Array zu.
Das eigentliche Ziel von RAID ist es, die Verfügbarkeit aller Daten zu erhöhen. RAID verhindert Ausfallzeiten bei einem Festplattenausfall. Aber auch die Performance wird gesteigert. Im Vergleich zu einer Einzelplatte kann bei einem RAID 5 auf 10 Festplatten von allen 10 Festplatten zur gleichen Zeit gelesen werden. Ein deutlicher Performance-Vorteil, da die einzelne Festplatte der Flaschenhals in der Datenübertragung ist. Beispiele für RAID-Systeme finden Sie in unseren Angeboten.
Allerdings kann ein RAID-Controller keine Daten restaurieren, die von den Benutzern gelöscht oder durch ein Ereignis wie Diebstahl oder Feuer zerstört wurden. Deshalb benötigt man immer ein Backup, um das System vor diesen Ereignissen zu schützen, auch dann wenn ein RAID System installiert ist.

RAID-Level 0
"Striping"

Raid 0 ist eigentlich kein richtiges Raid, die Redundanz fehlt. Die einzelnen physikalischen Festplatten werden im einfachsten Fall hintereinander gehängt. So wird aus der kleinen Platte eine riesige logische Festplatte. Sollte aber eine physikalische Platte ausfallen, so sind alle Daten verloren, da die Informationen nicht redundant gespeichert wurden. Meist werden die Daten jedoch in Blöcke getrennt und dann auf den Platten verteilt. Es entsteht ein "Striping" der Daten. Dies erhöht die Performance der Zugriffe, da von vielen Festplatten quasi gleichzeitig gelesen bzw. auf sie geschrieben werden kann.

RAID Level 0

Kapazität: Anzahl der Platten mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: sehr hoch
Ausfallwahrscheinlichkeit: sehr hoch, bei einer Platte Gesamtverlust
Kosten: sehr gering, volle Ausnutzung
Anwendung: Videoschnitt, Temporärspeicher


RAID-Level 1
Drive Mirroring

Bei Raid 1 werden die Daten einfach noch einmal auf eine zweite physikalische Platte geschrieben. Dies ist der so genannte Spiegel. Fällt jetzt eine der beiden Festplatten aus, so sind die Daten immer noch auf der zweiten vollständig erhalten. Der Benutzung der logischen Platte kann normal weitergehen. Der große Nachteil sind die hohen Kosten, da für einen Nettobedarf von 72 GB zwei 72 GB Festplatten angeschafft werden müssen.

RAID Level 1

Kapazität: Halbe Anzahl der Platten mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: hoch
Ausfallwahrscheinlichkeit: gering, eine Platte darf ausfallen ohne Datenverlust
Kosten: hoch, nur halbe Ausnutzung
Anwendung: Datenbanken, Betriebssystem, hohe I/O-Last


RAID-Level 2
Hamming System

Die Daten werden in einzelne Bytes aufgeteilt und ein ECC (Error Correction Code) nach Hamming errechnet und auf dedizierte Festplatten geschrieben. Da heute alle Festplatten interne ECC-Berechnungen durchführen, wird diese Methode zur Korrektur einzelner Bit-Fehler nicht mehr verwendet.


RAID-Level 3
Byte-Striping mit dediziertem Parity-Laufwerk

Die Daten werden in einzelnen Bytes aufgeteilt und auf die Festplatten geschrieben. Die Parity-Informationen werden zu jeder Datenreihe auf die dedizierte Parity-Platte geschrieben. Dieser RAID-Level wird nur selten angewendet, da die Parity-Platte der Flaschenhals (bottle neck) ist.


RAID-Level 4
Block-Striping mit dediziertem Parity-Laufwerk

Dieses Verfahren ist mit dem RAID-Level 3 vergleichbar, jedoch werden die Daten in Blöcke aufgeteilt. Ein großer Nachteil sind Schreiboperationen, da die Parity-Informationen berechnet und auf die eine dedizierte Festplatte geschrieben werden müssen. Diese Platte wird schnell zum Flaschenhals im Gesamtsystem.
Der Flaschenhals kann dadurch verhindert werden, dass die Parity-Informationen im RAID-Controller zwischengespeichert und in großen Blöcken auf die Platte geschrieben werden.
Der größte Vorteil von RAID 4 ist die Erweiterbarkeit um zusätzliche Festplatten ohne Umorganisation der Festplatteninhalte. Es wird eine Festplatte hinzugefügt, die Parity-Informationen bleiben erst einmal alle gleich, die Platte kann sofort genutzt werden.


Raid-Level 5
Block Striping mit verteilter Parity

Bei diesem Raid-Level werden die Daten nicht gespiegelt, sondern es wird eine Kontrollsumme berechnet, die auf eine der vorhandenen Festplatten geschrieben wird. n-1 Festplatten enthalten also die Nutzdaten, die Kontrollinformationen (Parity) wird auf die n-te Festplatte geschrieben, allerdings nicht immer auf die gleiche. Erst wird die erste, dann die zweite, die dritte und so weiter für die Parity-Informationen genutzt. Die anderen halten jeweils die Daten. Fällt eine Festplatte aus, so werden immer die fehlenden Informationen aus der Kontrollsumme errechnet. Dieser RAID-Level wird häufig bei Fileservern eingesetzt, für Datenbanken ist er wegen den etwas langsameren Schreibzugriffen nicht so gut geeignet.

RAID Level 5

Kapazität: Anzahl der Platten minus 1 mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: normal
Ausfallwahrscheinlichkeit: gering
Kosten: gering, nur eine Platte Verlust
Anwendung: Fileserver, Testsystem, Archivierung, Backup-to-Disk


Raid-Level 5EE
Block Striping mit verteilter Parity und gestripter Hot Spare

Dieser RAID-Level ist eine Erweiterung zum RAID 5. Die Hot Spare Platte wird direkt in den RAID-Verbund mit herein konfiguriert. Beim Ausfall einer Platte müssen also nicht alle Daten auf die "Hot Spare" geschrieben werden, einige sind ja schon vorhanden. Der größere Vorteil ist aber, die Daten werden auf alle Platten geschrieben, es ist kein Engpass durch die eine Hot Spare-Festplatte vorhanden. Insgesamt ist der RAID-Verbund schneller wieder intakt, die Redundanz ist schneller wieder vorhanden.
Hinweis: Dieser RAID-Level ist nicht normiert oder vom Begriff her festgelegt. Ein RAID-Level 5EE könnte also auch für eine andere Technik verwendet werden. Vor dem Einsatz sollte die technischen Daten genau geprüft werden.

RAID Level 5EE

Kapazität: Anzahl der Platten minus 2 mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: normal
Ausfallwahrscheinlichkeit: gering, schneller Aufbau der Hot Spare
Kosten: gering, nur zwei Platte Verlust
Anwendung: Fileserver, Testsystem, Archivierung, Backup-to-Disk


Raid-Level 6 (RAID ADG)
Block Striping mit verteilter Parity auf 2 Platten

Dies ist eine Weiterentwicklung von RAID 5. Es können 2 Festplatten aus dem Verband ausfallen und die Daten sind immer noch lesbar. Je nach Entwickler wird die Parity einfach wie bei RAID 5 berechnet und dann auf 2 Platten geschrieben, oder es wird eine neue Parity berechnet, inklusive der ersten Parity-Informationen. Von den Lesezugriffen wird eine ähnliche Geschwindigkeit wie bei RAID 5 erreicht. Wenn eine spezielle Hardware zur Berechnung der Parity-Informationen verwendet wird, ist RAID 6 im schreibenden Zugriff ähnlich schnell wie RAID 5. Dieser RAID-Level ist nicht fest und eindeutig definiert, unterschiedliche Hersteller können verschiedene Implementierung vorgenommen haben bzw. vornehmen. RAID 6 wird auch unter der Bezeichnung RAID ADG (Advanced Data Guarding) angeboten. RAID-Systeme, auch mit RAID 6, finden Sie in unseren Angeboten.

RAID Level 6

Kapazität: Anzahl der Platten minus 2 mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: normal
Ausfallwahrscheinlichkeit: sehr gering (2 Platten ohne Datenverlust)
Kosten: normal, zwei Platten Verlust
Anwendung: Fileserver, Testsystem, Archivierung, Backup-to-Disk


Raid-Level 7 (RAID TP)
Block Striping mit verteilter Parity auf 3 Platten

Dies ist eine Weiterentwicklung von RAID 5 und RAID 6. Es können 3 Festplatten aus dem Verband ausfallen und die Daten sind immer noch lesbar. Je nach Entwickler wird die Parity einfach wie bei RAID 5 berechnet und dann auf 2 Platten geschrieben, oder es wird eine neue Parity berechnet, inklusive der ersten beiden Parity-Informationen. Von den Lesezugriffen wird eine ähnliche Geschwindigkeit wie bei RAID 5 erreicht. Wenn eine spezielle Hardware zur Berechnung der Parity-Informationen verwendet wird, ist RAID 6 im schreibenden Zugriff ähnlich schnell wie RAID 5. Dieser RAID-Level ist nicht fest und eindeutig definiert, unterschiedliche Hersteller können verschiedene Implementierung vorgenommen haben bzw. vornehmen. RAID 7 wird auch unter der Bezeichnung RAID TP (Triple Parity) angeboten. RAID-Systeme, auch mit RAID 7, finden Sie in unseren Angeboten.

Kapazität: Anzahl der Platten minus 3 mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: geringer (Parity Berechnungen)
Ausfallwahrscheinlichkeit: sehr sehr gering (3 Platten ohne Datenverlust)
Kosten: normal, drei Platten Verlust
Anwendung: Fileserver, Archivierung, Backup-to-Disk (hohe Verfügbarkeit)


Raid-Level 1+0 und 0+1
Mirrored Striped RAID

Dieser Raidlevel wurde erst später geschaffen. Er ist eine Kombination aus Raidlevel 1 und 0, also dem Spiegeln der Daten und dem Aneinanderreihen der Festplatten. Sie verbinden den Geschwindigkeitsvorteil von Raid 0 und die Sicherheit von Raid 1. Der Einsatz bietet sich speziell bei Datenbanken an.

RAID Level 10

Kapazität: Halbe Anzahl der Platten mal Kapazität kleinste Einzelplatte
Geschwindigkeit: sehr hoch
Ausfallwahrscheinlichkeit: gering, eine Platte darf ausfallen ohne Datenverlust
Kosten: hoch, nur halbe Ausnutzung
Anwendung: Datenbanken, hohe I/O-Last


RAIDn
"frei-definierbares RAID"

RAIDn ist eine Entwicklung der Inostor Corporation, einer Tochter von Tandberg. Die bisherige starre Definition von RAID wurde durchbrochen. Durch die Anzahl der Festplatten insgesamt und die Anzahl der maximal ausfallenden Platten (ohne Datenverlust) definiert sich das RAID. Dieser RAID-Level maximiert die Verfügbarkeit und minimiert den Plattenplatz-Overhead. Weiterhin wurden Lese- und Schreibgeschwindigkeit verbessert.

n = Anzahl der Festplatten insgesamt
m = Anzahl der Festplatten, die ohne Datenverlust ausfallen dürfen
n > m >= 0

Aus diesen Definitionen ergeben sich die folgenden Berechnungen für diesen RAID-Level:

Lesegeschwindigkeit = n mal Einzelplatte
Schreibgeschwindigkeit = ( n - m ) mal Einzelplatte
Kapazität = ( n - m ) mal Einzelkapazität
Einige spezielle Definitionen wurden festgelegt:
m = 1 entspricht RAID 5
m = 0 entspricht RAID 0
m = n - 1 entspricht RAID 1

Weiterhin ist eine dynamische Änderung der Konfiguration beim Hinzufügen von Festplatten integriert. Die Verfügbarkeit bleibt so erhalten.

Wie ist ein RAID aufgebaut?

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten ein RAID physikalisch aufzubauen. Die einfachste Methode ist es, komplette Festplatten zu verwenden und daraus ein RAID aufzubauen. Nimmt man jetzt zum Beispiel 8 Festplatten mit jeweils 1 TB Kapazität und generiert ein RAID 5, so erhält man ca. 7 TB Nutzkapazität. Wenn man jetzt aber für einen Server wesentlich weniger braucht, so kann man die 7 TB in Partitionen aufteilen und diese den verschiedenen Rechnern zuordnen. So würde es ein RAID-System in einem SAN machen. Möchte man aber neben einer Partition in RAID 5 auch eine Partition in RAID 10, so geht dies mit diesem Verfahren nicht.
Die zweite Möglichkeit der Aufteilung geht anders vor: Jetzt wird aus jeder der 8 Festplatten ein Teil herausgeschnitten und diese 8 Teile werden mit RAID 5 verknüpft. Daraus erhält der Controller eine virtuelle Platte in RAID 5. Jetzt ist aber auf den physikalischen Platten noch Speicherplatz vorhanden. Als nächstes werden wieder Teile aus den 8 Festplatten herausgeschnitten und zu einem RAID 10 zusammengefasst. Mit den nächsten Teilen könnte man ein RAID 6 bauen oder wieder ein RAID 5.
Nicht jeder Hersteller kann beide Methoden verarbeiten, die meisten Hersteller verwenden nur eine der beiden Verfahren. Je nach dem was Sie benötigen, wir wählen das passende System für Sie aus.


Weitere Informationen

Dieses komplexe Thema kann nicht in voller Breite beschrieben werden. Für weitere Informationen zu diesem Bereich nutzen Sie unser Kontaktformular. Wir beantworten Ihnen gerne unverbindlich spezielle und individuelle Fragen zur Gestaltung von Raid-Leveln.


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