Was bedeutet RAID und welchen Modus sollte ich wählen?

Wer seine Speicherlaufwerke miteinander verbinden will, kann dazu eine große Menge verschiedener RAID-Modi /-Level verwenden. Für quasi jede Laufwerksanzahl und jeden Wunsch gibt es passende Modi zur Auswahl. Im nachfolgenden wird ein Überblick über die am häufigsten genutzten RAID-Level gegeben.

Allgemeines

Als Laufwerke für einen RAID-Verbund werden in der Regel HDD oder SSD Festplatten verwendet. Sinnvoll ist es in fast allen Fällen, gleichgroße und möglichst gleich schnelle Laufwerke zu verwenden, damit der Speicherplatz und die Geschwindigkeit nicht beschnitten wird. Denn in der Regel orientiert sich ein RAID an dem kleinsten und auch an dem langsamsten Laufwerk.

Je nach gewählten RAID-Level sollte versucht werden, Festplatten aus unterschiedlichen Chargen zu verwenden. Wenn Laufwerke aus der gleichen Charge verwendet werden, ist die Gefahr höher, dass während eines Rebuild-Prozesses eine weitere Festplatte ausfällt und ein Datenverlust entsteht.

Ein RAID ersetzt kein Backup, weil kein Schutz vor z. B. Viren, Hackern oder höherer Gewalt gewährleistet wird. Dies gilt allgemein für alle RAID-Modi, egal in welchem Maße die Daten redundant gespeichert werden.

Häufig haben Sie auch bei gemieteten dedizierten Servern die Möglichkeit, den RAID Modus selbst auszuwählen. Falls Sie virtuelle Server betreiben / mieten möchten, sollten Sie bedenken, dass Sie hier generell selbst keinen RAID Modus auswählen können, da Sie hier im Normalfall auf geteilter Hardware arbeiten. Welcher Modus dort ggf. zum Einsatz kommt, hängt vom Hostsystem / Anbieter ab.

Ggf. müssen Sie sich zwischen einem Hardware- und einem Software-RAID entscheiden. Bei einem Hardware-RAID kommt zusätzliche Hardware zum Einsatz, nämlich der sogenannte RAID-Controller. Professionelle Controller können durch einen eigenen Cache die Leistung des RAIDs erhöhen und außerdem dank eigenem Prozessor die Last der CPU des Computers verringern, welches sich generell positiv auf die Gesamtleistung des Computer-Systems auswirkt. Einfachere Controller konkurrieren direkt mit einem Software-RAID, bei dem der Verbund direkt über das Betriebssystem abgewickelt wird.

Einfachere klassische RAID-Level

Ein RAID können Sie bereits mit nur zwei Festplatten erstellen. Insbesondere RAID 1 kommt im professionellen Bereich sehr häufig zum Einsatz. Im Nachfolgenden werden die beiden simplen Modi erläutert und miteinander verglichen:

RAID 0

In einem RAID 0 behandelt der Computer im Prinzip zwei oder mehrere gleichgroße Festplatten als wäre es ein einziges großes Laufwerk und beschreibt alle Festplatten gleichmäßig mit Daten (striping). Bei einem RAID 0 Verbund mit zwei Festplatten würde das bedeuten, dass die Daten immer gleichmäßig zu 50% auf Festplatte 1 und zu 50% auf der Festplatte 2 gespeichert werden.

Vorteile:

Bei diesem RAID-Level können Sie die volle Speicherkapazität nutzen, also bei zwei Festplatten mit je 1 TB Speicherplatz würden 2 TB Speicherplatz zur Verfügung stehen. Zusätzlich wird in dieser Konstellation die Lese- und Schreibgeschwindigkeit nahezu verdoppelt, bei drei Festplatten verdreifacht.

Nachteile:

Leider gibt es aber auch einen Nachteil, denn Festplatten können einen Defekt erleiden. Sobald eine der verwendeten Festplatten ausfällt, sind im Grunde alle Daten verloren – Siehe Schaubild.

Zu erwartende Eigenschaften bei zwei Festplatten

- Etwa doppelte Lese- und Schreibgeschwindigkeit einer einzelnen Festplatte
- Volle Speicherkapazität beider Festplatten
- Halbe Datensicherheit

RAID 1

Dieser RAID Modus ist insbesondere interessant, wenn Sie die Datensicherheit erhöhen möchten, es sind dafür mindestens zwei Laufwerke notwendig. Bei diesem Modus werden die Daten auf beide Festplatten gleichzeitig geschrieben (gespiegelt /(mirroring)) d. h. erleidet eine der beiden Festplatten einen technischen defekt, sind die Daten noch vollständig auf der anderen Festplatte gespeichert.

Vorteile:

Die Daten sind bei der Verwendung von zwei Festplatten viel sicherer als bei der Verwendung einer einzelnen Festplatte – Siehe Schaubild. Besonders, wenn man eine defekte Platte immer zeitnah wieder ersetzt. Außerdem kann das System beim Lesen der Daten hohe Geschwindigkeitsvorteile erreichen, da von beiden Festplatten gleichzeitig gelesen werden kann.

Nachteile:

Bei der Verwendung von zwei Festplatten mit einer Kapazität von 1 TB stehen nur 1 TB effektiv zur Verfügung, also in diesem Fall die halbe Kapazität. Werden beispielsweise drei Laufwerke verwendet, stehen weiterhin nur 1 TB, also ein Drittel der Kapazität zur Verfügung. Beim Schreiben können keinerlei Geschwindigkeitsvorteile erreicht werden.

Zu erwartende Eigenschaften bei zwei Festplatten

- Etwa doppelte Lesegeschwindigkeit (ggü. einzelner Festplatte)
- Einfache Schreibgeschwindigkeit
- Einfache Speicherkapazität
- Stark erhöhte Datensicherheit

Grafik: RAID 0 und 1 im Vergleich

Auf der nachfolgenden Grafik sehen Sie einen kurzen Vergleich zwischen RAID 0 und 1. Dabei werden insbesondere die Ausfallszenarien und dessen Konsequenzen nochmal hervorgehoben.

Siehe Medienhinweis

RAID-Level in Kombination

Manche RAID Modi versuchen die Vorteile mehrerer RAID-Level zu kombinieren. Die beiden nachfolgenden Modi zeigen dies eindrucksvoll.

RAID 10

Dieser RAID-Modus vereint die Level "1" und "0". Für den Betrieb eines RAID 10 sind mindestens vier Festplatten erforderlich. Außerdem können lediglich eine gerade Anzahl an Laufwerken für diesen Modus verwendet werden.

Wie auf der Abbildung weiter unten veranschaulicht, bilden Festplatte 1 und 2 sowie Festplatte 3 und 4 jeweils ein logisches Laufwerk im RAID 1. Die beiden RAID 1 Arrays werden anschließend über ein RAID 0 Verbunden. Dadurch kann sowohl die Geschwindigkeit, als auch die Datensicherheit gegenüber einer einzelnen Festplatte erhöht werden.

Beim Ausfall einer einzelnen Festplatte gehen hier keinerlei Daten verloren. Sobald nun aber vor der endgültigen Wiederherstellung des ausgefallenen Festplatte eine weitere ausfällt, kommt es darauf an, welche Festplatten betroffen sind.

Beim Ausfall der folgenden Kombinationen:

Festplatte 1 und 3
Festplatte 1 und 4
Festplatte 2 und 3
Festplatte 2 und 4

entsteht keinerlei Datenverlust. Fallen allerdings die Festplatten 1 und 2 oder 3 und 4 aus, ist davon auszugehen, dass alle Daten verloren sind.

Angenommen jede der 4 Festplatten hat eine Kapazität von 1 TB, dann würde das bedeuten, dass von den theoretischen 4 TB Speicherplatz 50%, also 2 TB Kapazität effektiv zur Verfügung steht. Hätte der Verbund noch zwei weitere Laufwerke, bliebe es bei der Effektivität von 50% bei der Speicherplatz-Nutzung. Die Sicherheit würde aber mit jedem Platten-Paar etwas abnehmen.

Zu erwartende Eigenschaften bei vier Festplatten

- Etwa doppelte Schreibgeschwindigkeit (ggü. einzelner Festplatte)
- Etwa vierfache Lesegeschwindigkeit
- Doppelte Speicherkapazität
- erhöhte Sicherheit (höher als bei RAID 01)

RAID 01

Dieser RAID-Modus vereint die Level "0" und "1". Im klassischen Sinne sind für diesen Modus mindestens vier Laufwerke notwendig. Es ist zwar auch möglich, mit drei Laufwerken auszukommen, in diesem Fall agiert dieser Modus aber wie ein RAID 5, also vollkommen anders. Im Grunde ist also auch hier eine gerade Anzahl an Laufwerken nötig.

Technisch funktioniert das RAID 01 genau entgegengesetzt zum RAID 10. Festplatte 1 und 2 sowie Festplatte 3 und 4 bilden jeweils ein logisches Laufwerk im RAID 0 Modus und werden anschließend über ein RAID 1 gespiegelt. Dies erhöht ebenfalls die Geschwindigkeit, als auch die Datensicherheit gegenüber einer einzelnen Festplatte, es ergeben sich aber Nachteile ggü. dem RAID 10.

Nachteile gegenüber einem RAID 10:

Wenn eine Festplatte ausgefallen ist, ist dies zwar zuerst ebenfalls nicht tragisch, sollte aber vor Abschluss der Rekonstruierung der Festplatte ein weiteres Laufwerk ausfallen, kann dies in mehr Fällen zu einem Datenverlust führen – Siehe Schaubild. Da bei der Rekonstruktion einer Festplatte immer ein komplettes RAID 0 wiederhergestellt werden muss, dauert der Prozess außerdem länger, als bei einem RAID 10.

Zu erwartende Eigenschaften bei vier Festplatten

- Etwa doppelte Schreibgeschwindigkeit (ggü. einzelner Festplatte)
- Etwa vierfache Lesegeschwindigkeit
- Doppelte Speicherkapazität
- erhöhte Sicherheit (geringer als bei RAID 10)

Grafik: RAID 10 und 01 im Vergleich

Siehe Medienhinweis

RAID-Level mit Paritäten

RAID-Level mit Paritäten (Gleichheiten) ermöglichen es Ihnen, verhältnismäßig viel Speicherplatz nutzen zu können und gleichzeitig einen akzeptablen Schutz vor Datenverlust zu haben.

RAID 5

Der RAID Modus 5 verteilt die Daten wie ein RAID 0 auf alle verfügbaren Laufwerke (mindestens drei). Wenn drei Festplatten zum Einsatz kommen, werden 2/3 Nutzdaten pro Festplatte gespeichert, 1/3 sind Paritätsdaten. Wenn die Festplatten jeweils eine Kapazität von 1 TB besitzen, können also 3 x 2/3 genutzt werden, also 2 TB, 1 TB sind für Paritätsdaten bestimmt. Werden vier Festplatten eingesetzt, können ¾ (3 TB) genutzt werden und ¼ (1 TB) sind Paritätsdaten. In beiden Fällen darf also eine Festplatte ausfallen, da die Daten einer Festplatte dank der Paritätsdaten und mit Hilfe der Exklusiv-Oder-Verknüpfung (XOR) wiederhergestellt werden können. Dies gilt auch bei noch mehr Laufwerken, es darf immer genau eine einzige ausfallen – Siehe Schaubild.

Die mit XOR-Logik berechneten Paritäten werden auf allen Festplatten verteilt gespeichert.

Siehe Medienhinweis

Logik der XOR-Funktion:

Sobald die Summe einer Zeile eine gerade Zahl ergibt, ist das Ergebnis eine 0, sonst eine 1 (Spalte C bzw. D sind Ergebnisspalten).

Wenn Sie eine beliebige der obigen Spalten leeren, können Sie diese mit der Logik der XOR-Funktion wieder korrekt füllen.

Beispiel:

Die Daten werden bei einem RAID 5 in Datenblöcke / Sektoren (z. B. 4 kiB also 32768 Bit) zusammengefasst, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Bei drei Laufwerken existiert für zwei Nutzdatenblöcke immer ein Paritätsblock, bei vier Laufwerken sind es drei Datenblöcke bei weiterhin einem Paritätsblock u.s.w..

Bei drei eingesetzten Festplatten sind mit Hilfe der per XOR berechneten Paritäten also immer drei Bits (0/1) miteinander verknüpft und gleichmäßig über die Festplatten verteilt. Fällt eine Festplatte aus, kann das fehlende Bit aus den anderen beiden Bits wieder mit Hilfe der XOR Funktion errechnet und auf einer neuen Festplatte wiederhergestellt werden. Siehe nachfolgende Grafik.

Siehe Medienhinweis

Vorteile:

In den meisten Fällen bringt ein RAID 5 eine Kostenersparnis mit sich, da weniger Festplatten für die gewünschte nutzbare Kapazität benötigt werden als bei klassischen RAIDs, die ebenfalls eine Redundanz bieten.

Nachteile:

Umgebungen, die häufig viele kleine Schreibvorgänge auf das Verbund ausüben, wirken sich in besonderem Maße nachteilig auf die Performance des Verbundes aus. Auch die Paritätsberechnung und beispielsweise eine weniger gut geeignete Anzahl an Festplatten kann sich u. U. negativ auf die Performance auswirken.

Da die Daten teilweise verzögert auf die Festplatten geschrieben werden, ist eine sichere Stromversorgung unabdingbar, nur so kann die Konsistenz der Daten dauerhaft gewährleistet werden. Neben redundanter Stromversorgung und eingesetzter USV ist es sogar zu empfehlen zusätzlich ein sogenanntes Battery Pack einzusetzen, damit die Festplatten bei einem Stromausfall ggf. die restlichen Daten zuende schreiben können.

Hinzu kommt, dass die Rekonstruierung einer defekten Festplatte sehr lange dauern kann und sich damit die Gefahr erhöht, einen weiteren Ausfall zu erleiden.

Zu erwartende Eigenschaften bei drei Festplatten

- In der Spitze etwa die dreifache Lesegeschwindigkeit
- In der Spitze etwa die zweifache Schreibgeschwindigkeit
- Doppelte Speicherkapazität
- Erhöhte Datensicherheit

RAID 6

Das RAID 6 geht einen Schritt weiter, funktioniert aber prinzipiell ähnlich, wie ein RAID 5. Hier werden statt einer gleich zwei Paritäten angelegt und die Datensicherheit damit immens gesteigert.

Vorteile ggü. RAID 5

Es können bis zu zwei Laufwerke gleichzeitig ausfallen, ohne das Daten verloren gehen. Dies ist besonders interessant, wenn Sie relativ viele Festplatten in dem Verbund nutzen möchten.

Nachteile ggü. RAID 5

Durch die zusätzliche Parität wird immer eine Festplatte mehr benötigt, um die gleiche Menge Speicherplatz bereitzustellen. Im Verhältnis betrachtet, ist die Schreibgeschwindigkeit etwas langsamer als bei einem RAID 5.

Zu erwartende Eigenschaften bei vier Festplatten

- In der Spitze etwa die vierfache Lesegeschwindigkeit
- In der Spitze etwa die zweifache Schreibgeschwindigkeit
- Doppelte Speicherkapazität
- Sehr hohe Datensicherheit

Grafik: RAID 5 und 6 im Vergleich

Siehe Medienhinweis

Wer sehr viele Festplatten in einem Verbund betreiben will, kann sich auch RAIDn anschauen, denn hier können Sie nach dem Prinzip von RAID 5 bzw. 6 die Menge der Paritäten selbst bestimmen. Es gibt aber noch viele weitere RAID Modi, die für Ihre Zwecke ggf. in Frage kommen können. Schauen Sie sich auch unbedingt den lesenswerten Beitrag auf Wikipedia an.

Übersichtstabelle zum Vergleich der einzelnen RAID-Level

Die nachfolgende Tabelle zeigt gebündelt die wichtigsten Eigenschaften der einzelnen RAID-Level an. Für das einfachere Verständnis wird hier davon ausgegangen, dass in jedem RAID, welches in der Tabelle aufgeführt wird nur die Mindestanzahl der Laufwerke verbaut wird und die Festplatten allesamt 1 TB groß sind sowie mit 100 MB/s gelesen und ebenfalls mit 100 MB/s beschrieben werden können.

* Die aufgeführten Daten zur Geschwindigkeit sind nur rein rechnerische Höchstwerte bei optimalen Bedingungen und können im realen Gebrauch teilweise stark abweichen.
¹ Bei einem RAID 01 können theoretisch auch 3 Laufwerke gewählt werden, die ungerade Anzahl an Laufwerken arbeitet dann aber wie ein RAID 5.
² Die Rekonstruktion eines Laufwerks belastet das System zusätzlich und erhöht somit die Gefahr, das ein weiteres Laufwerk ausfällt.
³ Siehe die Erläuterungen zu RAID 5.

Medienhinweis:

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