Was ist RAID? Vor- und Nachteile von 15 RAID Konfigurationen!

Speicherplatz ist angesichts der wachsenden Datenmengen von entscheidender Bedeutung. Heutzutage können AAA-Spiele Hunderte von Gigabyte Speicherplatz benötigen, während ein 4K-HD-Blu-ray-Film 70-80 Gigabyte erreichen kann. Selbst HDR-Bilder und -Videos, die wir mit unseren Mobiltelefonen aufnehmen, benötigen viel Speicherplatz.

Normalerweise kaufen wir eine Festplatte, wenn unser Speicherplatz nicht ausreicht. Allerdings können wir mit dem Problem der Festplattenpartitionen konfrontiert werden, wenn mehr als eine Festplatte vorhanden ist. Für wichtige Daten müssen wir möglicherweise manuell Dateisicherungen auf einer anderen Festplatte durchführen, um die Datensicherheit zu erhöhen.

Wie können wir also mehrere Festplatten nutzen? Durch die Verwendung von RAID können wir mehrere Festplatten verwenden, um die Speicherkapazität und die Datensicherheit zu erhöhen.

Was ist RAID?

Vorgeschlagen von Prof. D.A. Patterson aus Berkeley, Kalifornien, im Jahr 1988, ist RAID als redundante Anordnung unabhängiger Festplatten bekannt.

RAID ist die Kombination mehrerer unabhängiger Festplatten zu einer Festplattengruppe mit hoher Kapazität, wobei die einzelnen Festplatten dazu verwendet werden, Daten durch Addition zu erzeugen, um die Leistung des gesamten Festplattensystems zu verbessern, und redundante Daten gespeichert werden, um die Fehlertoleranz zu erhöhen.

Kurz gesagt, es bietet viele Vorteile, da es mehrere unabhängige Festplatten zu einer Festplattengruppe mit großer Kapazität zusammenfasst, um die Lese- und Schreibgeschwindigkeit mit Datenschutzfunktionen deutlich zu erhöhen.

RAID verfügt über verschiedene Ebenen und Variationen, darunter RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6, RAID F1, RAIDZ, JBOD, SHR, SHR2 und Hybrid-RAID.

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Arten von RAID (Physische RAID-Konfigurationen)

RAID kann in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Hardware-RAID und Software-RAID.

Hardware-RAID

Hardware-RAID gibt es in zwei Formen. Ein externes RAID-Gehäuse ist besonders teuer und wird normalerweise für Unternehmensspeicher verwendet. Eine andere Form ist das Hinzufügen einer RAID-Controllerkarte zum Computer.

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RAID-Controller-Karten bieten eine höhere Geschwindigkeit und Stabilität aufgrund des Caches auf der Karte, der die Lese- und Schreibgeschwindigkeit verbessert. Die Stabilität wird dadurch erhöht, dass hochwertige Controller-Karten mit Batterien ausgestattet sind. Die Batterie in der Controllerkarte kann sicherstellen, dass die Daten auf die Festplatte geschrieben werden, bevor die Stromversorgung unterbrochen wird. Neue Controllerkarten sind teurer als alte Karten, die für preisbewusste Benutzer geeignet sind.

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Trotz der vielen Vorteile von Hardware-RAID ist die RAID-Funktion eines Motherboards eine potenzielle Gefahr, die wir vermeiden müssen. Dies liegt daran, dass das Array im Falle eines Motherboard-Problems, beispielsweise einer fehlgeschlagenen Übertaktung oder einer leeren Batterie, verloren gehen kann. Das mit einem Motherboard gelieferte RAID ist nicht einmal annähernd mit der zweiten Art von RAID vergleichbar – dem Software-RAID.

Software-RAID

Software-RAID ist die Verwendung von Software zur Simulation von RAID. Frühe RAID-Versionen sind nicht sehr stabil und die Geschwindigkeit ist nicht so hoch wie bei Hardware-RAID. Durch die kontinuierliche Optimierung der Technologie besteht jedoch kein großer Leistungsunterschied zwischen Software-RAID und Hardware-RAID mehr. Software-RAID ist bei vielen NAS-Geräten für den Heimgebrauch eine gängige Wahl.

RAID-Level

Der RAID-Level beginnt bei 0 und reicht bis zu 7. Beginnen wir mit RAID 0. Stellen Sie sich Festplatten als Eimer vor und Lese-/Schreibvorgänge als den Prozess, diese Eimer mit Wasser zu füllen. Diese Analogie erleichtert das Verständnis von RAID.

Was ist RAID 0

Kurze Fakten zu RAID 0
Vorteile: Schnelle Lese-/Schreibgeschwindigkeiten (keine zufälligen Lese-/Schreibgeschwindigkeiten); nutzt den gesamten Festplattenspeicher
Nachteile: Kein Datenschutz
Tipp: RAID 0 kann nicht zum Speichern wichtiger Daten verwendet

Wenn nur eine Festplatte vorhanden ist, wird die Lese-/Schreibgeschwindigkeit durch die Schnittstelle der Festplatte begrenzt, ähnlich wie die Größe eines Eimers, der die Geschwindigkeit beim Einfüllen von Wasser begrenzt. Sie können beide Eimer gleichzeitig mit Wasser füllen, und die Lese-/Schreibgeschwindigkeit ist doppelt so hoch wie bei einer einzelnen Festplatte. Dies wird als RAID 0 bezeichnet.

RAID 0 kombiniert zwei oder mehr Festplatten zu einer großen logischen Festplatte mit einer Gesamtkapazität, die allen Festplattenkapazitäten entspricht. Beim Schreiben werden die Daten segmentiert und auf getrennten Festplatten gespeichert, so dass mehrere Festplatten gleichzeitig lesen und schreiben können.

RAID 0 hat trotz der höchsten Geschwindigkeit und der größten Kapazität einen großen Nachteil. Die hohe Geschwindigkeit geht mit einem Mangel an Redundanz und Fehlertoleranz einher. Alle Daten gehen verloren und können nicht wiederhergestellt werden, wenn eine der Festplatten im Array beschädigt wird. Da Daten in Segmenten gespeichert werden, führt eine Beschädigung einer der Festplatten zu einer unvollständigen Datenwiederherstellung. Daher wird die Verwendung von RAID 0 zum Speichern wichtiger Daten nicht empfohlen.

Was ist RAID 1

Kurze Fakten zu RAID 1
Vorteile: Hohe Sicherheit, kein Datenverlust, selbst wenn eine der Festplatten beschädigt ist
Nachteile: Geringe Festplattenauslastung, keine Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit

Welches RAID ist für die Speicherung wichtiger Daten geeignet? RAID 1 ist am sichersten und verwendet zwei Festplatten, die sich gegenseitig spiegeln, um die gleichen Daten auf jeder Festplatte zu speichern. Die gesamten Daten können gelesen werden, solange eine der Festplatten im Array nicht beschädigt ist. RAID 1 hat die gleiche Lesegeschwindigkeit wie RAID 0, allerdings kann sich die Lesegeschwindigkeit erhöhen, wenn mehrere Festplatten verwendet werden. Die Schreibgeschwindigkeit entspricht jedoch der einer einzelnen Festplatte und kann nicht erhöht werden.

Eine beschädigte Festplatte in RAID 1 kann entfernt werden und das Array stellt die Daten automatisch auf der neu eingesetzten Festplatte wieder her. Dieser Vorgang wird als „Array-Neuaufbau“ bezeichnet.

Das Problem bei RAID 1 ist das relativ niedrige Preis-Leistungs-Verhältnis. Selbst wenn Sie 100 Festplatten im RAID 1 verwenden, entspricht die endgültige Kapazität nur der Kapazität einer Festplatte. Wenn die Größe jeder Festplatte unterschiedlich ist, basiert die endgültige Kapazität auf der Kapazität der kleinsten Festplatte. Die Gesamtauslastungsrate von RAID 1 ist die niedrigste aller RAID-Level. RAID 0 und RAID 1 können als zwei Extreme betrachtet werden, wobei RAID 0 ultraschnelle Geschwindigkeiten bietet, während RAID 1 extrem sicher ist.

Sie können RAID 2, 3, 4, 5 oder 6 in Betracht ziehen, wenn Sie die Kapazität und Sicherheit erhöhen möchten, sich aber keine Sorgen um die Geschwindigkeit machen.

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RAID 2/RAID 3/RAID 4 (selten verwendete RAID-Level)

RAID 2, 3 und 4 wurden für bestimmte Anwendungen entwickelt, werden jedoch selten verwendet und viele Controllerkarten unterstützen diese Ebenen aufgrund verschiedener Mängel nicht.

Was ist RAID 2

Für RAID 2 sind mindestens drei Festplatten erforderlich. Beim Lesen und Schreiben von Daten müssen die Daten in Echtzeit kodiert und die segmentierten Daten auf verschiedene Festplatten geschrieben werden. Die Gesamtmenge der resultierenden Daten ist größer als die ursprünglichen Daten. Darüber hinaus erfordert RAID 2 Datenprüfsummen in Echtzeit während der Lese-/Schreibvorgänge. Der Hardware-Overhead ist höher, da der verwendete Prüfsummenalgorithmus komplexer ist.

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Was ist RAID 3

Für RAID 2 sind mindestens drei Festplatten erforderlich und es hat aufgrund einfacherer Algorithmen einen relativ geringen Hardware-Overhead. Bei Lese- und Schreibvorgängen werden Daten segmentweise auf verschiedene Festplatten geschrieben, während Prüfsummen separat auf einer anderen Festplatte gespeichert werden. Allerdings muss bei jedem Lese- und Schreibvorgang auf die Prüfsumme einer Festplatte zugegriffen werden, da diese bei hoher Belastung über einen längeren Zeitraum leicht beschädigt werden kann. Daten können nicht wiederhergestellt werden, wenn die Prüfsumme einer Festplatte beschädigt ist.

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Was ist RAID 4

RAID 4 ähnelt RAID 3, die Daten werden jedoch auf andere Weise segmentiert. RAID 4 speichert Paritätsdaten auch auf einer separaten Festplatte. Im Gegensatz zu RAID 3 ist RAID 4 durch Datenblöcke segmentiert, deren Größe vom System bestimmt wird und normalerweise viel größer als ein Bit ist. Daher ist das Schreiben kleiner Dateien bei RAID 4 schneller als bei RAID 3, aber die Wahrscheinlichkeit, Daten von einer beschädigten Festplatte ohne Prüfsumme wiederherzustellen, ist geringer als bei RAID 3. Weder RAID 3 noch RAID 4 können Daten wiederherstellen, wenn die Prüfsumme von a Die Festplatte ist beschädigt.

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Was ist RAID 5 (Weit verbreitetes)

RAID 5 ähnelt RAID 3, außer dass RAID 3 Paritätsdaten auf einer einzelnen Festplatte speichert, während RAID 5 Paritätsdaten auf mehrere Festplatten verteilt. Daten auf anderen Festplatten und Prüfsummen können für die Datenwiederherstellung zusammenarbeiten, wenn eine Festplatte beschädigt ist, anders als bei RAID 3, wo eine beschädigte Prüfsumme zum Ausfall des gesamten Arrays führt.

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Für RAID 5 sind mindestens drei Festplatten erforderlich. Ein Drittel des Speicherplatzes wird zum Speichern redundanter Informationen oder Prüfsummen verwendet, während zwei Drittel zum Speichern von Rohdaten verwendet werden. Die Lesegeschwindigkeit von RAID 5 ähnelt der von RAID 0, die Schreibgeschwindigkeit ist jedoch möglicherweise nicht so hoch wie bei RAID 0. Allerdings können Daten und Prüfsummen auf den anderen Festplatten verwendet werden, um eine vollständige Datenwiederherstellung zu erreichen, selbst wenn eine der Festplatten im Array sind beschädigt, da ein Drittel des Speicherplatzes für die Speicherung von Prüfsummen verwendet wird. Somit ist RAID 5 sicherer als RAID 0.

RAID 5 bietet eine höhere Sicherheit, hat aber auch Nachteile. Erstens besteht eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass eine mechanische Festplatte beim Lesen von Daten auf einen nicht behebbaren Lesefehler (URE) stößt, der einmal alle 12 TB Daten auftreten kann. Schon nach einem URE-Fehler erkennt RAID 5, dass mit den Daten etwas nicht stimmt, und beginnt mit dem Neuaufbau des Arrays.

Mehrere Rebuilds können dazu führen, dass die Festplatten längere Zeit unter hoher Auslastung arbeiten. Wenn die Festplatten gleichzeitig gekauft wurden und eine Festplatte ausfällt, kann der Zustand der anderen Festplatten ebenfalls instabil werden, was zu weiteren Festplattenschäden führt.

Da RAID 5 nur die Beschädigung einer Festplatte zulässt, werden die Daten nicht gespeichert, wenn während des Wiederherstellungsprozesses eine andere Festplatte beschädigt wird. Die Verwendung von RAID 5 wird nicht empfohlen, da es im Vergleich zu RAID 6 eine geringere Erfolgsrate bei der Wiederherstellung von Arrays und eine geringere Sicherheit aufweist.

Was ist RAID F1 (seltener)

RAID F1 hat ein Array-Layout auf Basis von RAID 5 und ist für Solid State Drives (SSDs) konzipiert. RAID F1 ist für den Schreibverschleiß von SSDs optimiert und speichert Prüfsummen auf einem SSD, um die Anzahl der Schreibvorgänge auf andere SSDs zu minimieren. Das System unterstützt den automatischen Datentransfer, wenn sich die SSD ihrer Schreibgrenze nähert. Aufgrund der hohen SSD-Preise ist RAID F1 jedoch in der Regel nicht öffentlich verfügbar.

Was ist RAID 6 (Weit verbreitetes)

RAID 6 und RAID 5 sind zwei gängige RAID-Stufen. Im Vergleich zu RAID 5 bietet RAID 6 zusätzlichen Festplattenspeicher für Paritätsdaten hinzu und erfordert mindestens vier Festplatten.

RAID 6 bietet eine hohe Datensicherheit, da zwei unterschiedliche Prüfsummenalgorithmen verwendet werden, die eine vollständige Datenwiederherstellung auch dann gewährleisten, wenn zwei Festplatten beschädigt sind. Im Vergleich dazu ist RAID 5 weniger sicher. Allerdings ist die Menge an Prüfsummen bei RAID 6 doppelt so groß wie bei RAID 5, da ersteres zwei Prüfsummenalgorithmen verwendet, die rechenintensiver sind. Das bedeutet, dass RAID 6 nicht so schnell lesen oder schreiben kann wie RAID 5.

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Hybrid-RAID

Wenn Sie mit RAID 0 bis 6 nicht zufrieden sind und wissen möchten, ob es RAID-Typen gibt, die die Vorteile aller Level bieten, dann lesen Sie weiter, um mehr über Hybrid-RAID zu erfahren.

RAID 10

RAID 10 ist das am weitesten verbreitete Hybrid-RAID. Durch die Kombination der Modi RAID 1 und RAID 0 sorgt RAID 10 für Datensicherheit und erhöht die Lese- und Schreibgeschwindigkeit erheblich, allerdings beträgt die verfügbare Kapazität nur die Hälfte der Gesamtkapazität.

RAID 10 erfordert mindestens vier Festplattenlaufwerke, von denen zwei zur Bildung von RAID 1 und zwei weitere zur Bildung von RAID 0 verwendet werden.

RAID 50 und RAID 60

Neben RAID 10 gibt es RAID 50- und RAID 60-Arrays. RAID 50 ist eine Kombination aus RAID 5 und RAID 0,bei der RAID 5 zur Speicherung von Daten und Paritätsinformationen auf mehreren Festplatten verwendet wird und diese Festplatten mithilfe von RAID 0 zu einem großen gestreiften Speicherplatz kombiniert, wodurch die Speicherkapazität und Lese-/ Schreibleistung. RAID60 ist eine Kombination aus RAID 6 und RAID0 und verfolgt einen ähnlichen Ansatz, um die Speicherkapazität und Lese-/Schreibleistung zu erhöhen und gleichzeitig eine bessere Datenredundanz und Sicherheit zu bieten.

JBOD (selten)

JBOD, was für „Just A Bunch of Disks“ steht, verwendet ein spezielles Datenspeichermodell. Bei JBOD werden Daten sequentiell auf Festplatten gespeichert, beginnend mit der ersten Festplatte. Im System ist nur eine große Partition sichtbar, die die Kapazität aller Festplatten enthält. Allerdings ist der Zugriff auf die Daten nicht möglich, wenn eines der Festplattenlaufwerke ausfällt. Schlimmer noch: Das gesamte Array fällt aus, wenn die erste Festplatte beschädigt ist, da sie der einzige Speicherort für die Datensegmentierung ist.

Der Vorteil von JBOD ist, dass mehrere Festplatten als eine Einheit behandelt werden und die gesamte Kapazität der Festplatten zur Verfügung steht. Außerdem wird pro Schreibvorgang nur ein Laufwerk verwendet. Das bedeutet, dass die anderen Laufwerke während der Lese- und Schreibvorgänge inaktiv sind und eine Überlastung keinen Schaden anrichtet. JBOD hat aber auch erhebliche Nachteile. Erstens ist die Datensicherheit relativ gering, da der Ausfall einer beliebigen Festplatte zu Datenverlust führen kann. Zweitens müssen sich die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten noch verbessern und bleiben auf dem Niveau einer einzelnen Festplatte. Daher wird JBOD nicht für Anwendungen empfohlen, die eine hohe Datensicherheit und Lese-/Schreibleistung erfordern.

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Unraid (selten)

Unraid ist ein Linux-basiertes Betriebssystem, das JBOD ähnelt und Datenredundanz unterstützt. In Unraid können eine oder zwei Festplatten zur Datenverifizierung eingerichtet werden. Bei Ausfall einer oder zweier Festplatten ist zur Datenwiederherstellung eine größere Kapazität erforderlich.

Unraid bietet eine praktische Kapazitätserweiterung, da Benutzer lediglich eine neue Festplatte in das System einsetzen müssen, um den Speicherplatz zu erweitern. Selbst wenn mehr als eine Festplatte kaputt ist, gehen nur die Daten auf der beschädigten Festplatte verloren. Die anderen Festplatten im Array können weiterhin normal funktionieren.

Allerdings hat Unraid zwei große Nachteile, die seine Verwendung einschränken. Erstens ist es kostenpflichtig, die Preise liegen zwischen 59 und 129, was relativ günstig ist. Ähnlich wie JBOD weist Unraid langsamere Schreibgeschwindigkeiten auf, da die zusätzliche Prüfsummenoperation die Schreibzeit verlängert. Tatsächlich können die Schreibgeschwindigkeiten von Unraid sogar langsamer sein als die von JBOD, dem langsamsten aller Arrays.

Dennoch bietet Unraid viel Speicherplatz und ist daher ideal für Benutzer, die keine hohe Leistung benötigen.

SHR (Synology Hybrid RAID)

Synology Hybrid RAID (SHR) ist ein einzigartiger Array-Modus, der hauptsächlich für neue Benutzer gedacht ist, die noch keine Ahnung von Arrays haben. SHR kann je nach Anzahl und Kapazität der Festplatten automatisch den passenden RAID-Modus ermitteln und verwenden.

In SHR wird standardmäßig die Kapazität einer Festplatte für die Speicherung von Überprüfungsdaten verwendet. Wenn jede Festplatte die gleiche Kapazität hat und nur eine Festplatte verwendet wird, entspricht SHR einer normalen Festplatte ohne jeglichen Datenschutz. Wenn zwei Festplatten verwendet werden, verwendet SHR einen ähnlichen Modus wie RAID 1. SHR ähnelt RAID 5, wenn drei Festplatten verwendet werden. SHR 2 speichert Prüfsummen auf zwei Festplatten und erfordert vier Festplatten, ähnlich wie RAID 6.

SHR erleichtert die Aufrüstung von einem auf zwei redundante Festplattenarrays und bietet so mehr Flexibilität als herkömmliches RAID. Die Datenwiederherstellung kann jedoch nur in GroupHi durchgeführt werden, da SHR ein dedizierter Modus für GroupHi ist. Für die Datenwiederherstellung ist spezielle Software erforderlich, da in anderen Computern verwendete Festplatten möglicherweise nicht in der Lage sind, Daten direkt zu lesen. Diese Software hat jedoch gewisse Einschränkungen bei der Datenrettung.

RAID Z

 RAID Z ist ein Software-RAID, das auf dem ZFS-System basiert. ZFS ist ein 128-Bit-Dateisystem, das erweiterte Funktionen unterstützt, darunter:

• Die Möglichkeit, Speicher auf mehreren Festplatten zu erstellen
• Überschriebene Dateien können weiterhin wiederhergestellt werden
• Snapshots bewahren die ursprünglichen Systemdateien und verfolgen gleichzeitig Änderungen (leistungsstarke Snapshot-Funktion).
• Prüfsummen beheben automatisch Fehler beim Auslesen der Daten

RAID Z ist eine der Funktionen von ZFS, bei der zur Realisierung von RAID keine zusätzliche Software oder Hardware erforderlich ist. Es gibt drei Arten von RAID Z: RAID Z1, RAID Z2 und RAID Z3.

• RAID Z1: Ähnlich wie bei RAID 5 werden zwei Festplatten zur Datenspeicherung und eine Festplatte zur Durchführung einer Festplattenprüfung verwendet.
• RAID Z2: Ähnlich wie bei RAID 6 werden zwei Festplatten zum Speichern von Daten und zwei Paritätslaufwerke verwendet.
• RAID Z3: Bietet höchste Sicherheit, mit zwei Festplatten zur Datenspeicherung und drei Paritätslaufwerken.

In Kombination mit den Funktionen von ZFS ist RAID Z eine hervorragende Option. Allerdings hat RAID Z auch einige Nachteile, unter anderem einen hohen Speicherverbrauch. ZFS benötigt viel Speicher für das Caching. Am besten entspricht jedes T Speicherplatz 1 GB Speicher, da sonst die Leistung beeinträchtigt wird. Es wird empfohlen, mit mindestens 8 GB zu beginnen. Es ist auch wichtig, einen Fehlerkorrekturcode-Speicher zu verwenden, da sonst die Wahrscheinlichkeit von Datenfehlern gering ist.

Der zweite Nachteil ist die Kapazitätserweiterung. Eine weitere Gruppe von bis zu sechs Festplatten muss hinzugefügt werden, wenn eine dritte Festplatte zu RAID Z1 gebildet wurde. Dies ist nicht so praktisch wie RAID 5 und RAID 6, bei denen eine neue Festplatte zur Kapazitätserweiterung verwendet werden kann.

Fazit

In diesem Artikel haben wir das Konzept von RAIDs sowie die Vor- und Nachteile von 15 verschiedenen RAID-Levels erläutert. Das Verständnis der Eigenschaften verschiedener RAID-Level ermöglicht es Benutzern, eine Speicherlösung auszuwählen, die ihren Anforderungen entspricht und die Datensicherheit und -zuverlässigkeit verbessert.