Was sind die RAID-Speicherebenen 0, 1, 5, 10

Was sind Raid und seine verschiedenen Arten? „RAID“ („Redundant Array of Independent Disks“, manchmal auch als „Redundant Array of Inexpensive Disks“ bezeichnet) ist eine Speichervirtualisierungstechnologie, die mehrere Festplatten in logische Komponenten integriert, um Datenredundanz, Leistungsverbesserung oder beides bereitzustellen.

Dies ist das Gegenteil der alten Idee von hochwertigen Mainframe-Festplattenlaufwerken, die als „Single Big Cost Disk“ oder SLED bezeichnet werden.

Was genau ist Raid? Was sind die verschiedenen Arten davon?

Daten werden mit verschiedenen Methoden, bekannt durch das RAID-Level, auf Laufwerke verteilt, basierend auf der Menge an Redundanz und der Leistung. Die verschiedenen Schemata bzw. Layouts für die Verteilung von Daten sind mit dem Begriff „RAID“ gefolgt von Zahlen gekennzeichnet. Zum Beispiel RAID 1 oder RAID 2.

Jedes Schema sowie jedes RAID-Level hat verschiedene Ebenen des Gleichgewichts zwischen den primären Zielen Verfügbarkeit, Zuverlässigkeitsleistung und Kapazität. RAID-Level, die höher als RAID 0 sind, schützen nicht behebbare Fehler beim Lesen von Sektoren und vor möglichen Ausfällen aller physischen Laufwerke.

Überblick

Eine Reihe von RAID-Stufen verwenden ein Fehlerschutzschema, das als „Parität“ bekannt ist und eine äußerst beliebte Methode ist, die auf dem Gebiet der Informationstechnologie verwendet wird. Es bietet Fehlertoleranz für eine bestimmte Sammlung von Daten.

Zahlreiche RAID-Level verwenden einfaches XOR. RAID 6 verwendet jedoch zwei separate Parteien, die auf der Multiplikation und Addition in der spezifischen Reed-Solomon-Fehlerkorrektur oder dem Galois-Feld basieren.

RAID kann auch die Sicherheit von Daten mit Solid-State-Laufwerken (SSDs) bieten, ohne dass die Kosten für ein komplettes SSD-System anfallen. Beispielsweise könnte eine schnelle SSD mit einem elektronischen Laufwerk gespiegelt werden. Um die höchstmögliche Geschwindigkeit bereitzustellen, wird der richtige Controller benötigt, der die schnelle SSD für jeden Lesevorgang nutzt. Es heißt „Hybrid-RAID“.

Standardstufen

Zunächst gab es fünf RAID-Stufen. Seitdem haben sich zahlreiche Varianten mit mehreren verschachtelten Ebenen sowie einer Reihe von nicht standardmäßigen (meist exklusiven) Ebenen entwickelt . RAID-Level sowie die zugehörigen Datenformate können durch die Storage Networking Industry Association (SNIA) im Common RAID DDF PDisk Drive Format-Standard standardisiert werden:

RAID 0

Es ist eine Form des Streifens. Es gibt jedoch keine Spiegelung oder gar Parität. Im Vergleich zu einem übergreifenden Volume ist die Kapazität seines Volumes genau gleich. Es ist die Gesamtkapazität der Laufwerke innerhalb des Satzes. Da beim Striping jedoch der Inhalt jeder Datei auf alle Laufwerke des Satzes verteilt wird, kann der Ausfall eines Laufwerks dazu führen, dass die gesamten Dateien oder das gesamte Volume verloren gehen.

Im Gegensatz zu übergreifenden Volumes bewahren sie die Dateien, die sich auf den nicht ausgefallenen Laufwerken befinden. Der Vorteil besteht darin, dass die Geschwindigkeit von Lese- und Schreibvorgängen in eine bestimmte Datei um die Anzahl der Laufwerke erhöht wird. Im Gegensatz zu übergreifenden Volumes werden die Lese- und Schreibvorgänge gleichzeitig ausgeführt.

RAID 1

RAID 1 besteht aus Datenspiegelung, aber ohne Stripping oder Parität. Daten werden auf ähnliche Weise auf mehrere Laufwerke geschrieben, was zu einer „gespiegelten Sammlung“ aus Laufwerken führt.

Das bedeutet, dass jede Leseanforderung von jedem Laufwerk im Satz verarbeitet wird. Wenn die Anforderung an alle Laufwerke in der Sammlung gesendet wird, könnte sie über dasjenige bedient werden, das anfänglich zugreifen kann (abhängig von seiner Rotationslatenz) , was die Leistung verbessert.

Der anhaltende Lesedurchsatz ist, sofern der Controller oder das Programm dafür optimiert ist, ähnlich dem Gesamtdurchsatz jedes Laufwerks innerhalb des Satzes, genau wie bei der vorherigen Stufe. Der tatsächliche Lesedurchsatz vieler RAID 1-Implementierungen ist im Gegensatz zum leistungsstärksten Laufwerk langsamer.  

Der Schreibdurchsatz ist im Allgemeinen langsamer, da jedes Laufwerk aktualisiert werden muss und das Laufwerk mit der niedrigsten Geschwindigkeit die Schreibgeschwindigkeit einschränkt. Das Array funktioniert so lange, wie mindestens ein Laufwerk in Betrieb ist.

RAID 2

RAID 2 besteht aus Bit-Level-Striping, das auf Hamming-Code-Parität basiert. Die Drehung jeder Plattenspindel wird synchronisiert, und die Daten werden so aufgeteilt, dass jedes sequentielle Bit auf einem Laufwerk gespeichert wird. Die Hamming-Code-Parität kann über identische Bits berechnet werden und wird für die Parität auf mindestens einem Laufwerk gehalten.

Dies ist nur von historischer Bedeutung. Obwohl es auf bestimmten älteren Maschinen (zB dem der Thinking Machines CM-2) verwendet wurde, wird es zum Zeitpunkt des Schreibens in keinem kommerziell erhältlichen System verwendet.

RAID 3

RAID 3 ist ein Striping auf Byte-Ebene, das der Parität gewidmet ist. Die Drehung jeder Plattenspindel ist synchronisiert. Die Daten werden so aufgeteilt, dass sich jedes aufeinanderfolgende Byte auf einem völlig anderen Laufwerk befindet. Die Parität wird über identische Bytes berechnet und auf einem separaten Paritätslaufwerk gespeichert. RAID 3 ist in der realen Welt nicht weit verbreitet, es gibt jedoch Implementierungen.

RAID 4

RAID 4 besteht aus Striping auf Blockebene mit dedizierter Parität. Dies wurde früher von NetApp verwendet, wird aber jetzt weitgehend durch eine private Version von RAID 4 ersetzt, die zwei Paritätsfestplatten hat, bekannt als RAID-DP.

Der Hauptvorteil von RAID 4 gegenüber RAID 2 und 3 ist die Parallelisierung von E/A. Das heißt, bei RAID 2 und 3 umfasst die Einzellese-E/A-Operation das Lesen des gesamten Arrays von Datenlaufwerken; Bei RAID 4 muss eine E/A-Leseoperation jedoch nicht auf alle Laufwerke verteilt werden. Im Gegenzug gibt es eine größere Anzahl von I/O-Prozessen, die parallel ausgeführt werden können, was die Effizienz kleinerer Übertragungen verbessert.

RAID 5

RAID 5 umfasst Striping auf Blockebene mit verteilter Parität. Im Gegensatz zu RAID 4 werden die Paritätsinformationen von den Laufwerken gemeinsam genutzt, was erfordert, dass jedes Laufwerk, minus eins, in Betrieb ist. Wenn es sich um ein einzelnes Laufwerk handelt, können zukünftige Lesevorgänge unter Verwendung der verteilten Parität berechnet werden, um sicherzustellen, dass Daten nicht verloren gehen können. RAID 5 erfordert mindestens drei Festplatten.

Ähnlich wie alle Single-Parity-Ideen sind massive RAID-5-Implementierungen anfällig für Systemstörungen. Der Grund dafür sind Trends in der für die Wiederherstellung eines Arrays erforderlichen Zeit und die Möglichkeit des Ausfalls von Laufwerken während des Wiederherstellungsprozesses. Beim Neuaufbau eines Arrays werden alle Festplatten zum Lesen von Daten verwendet, was zu einem weiteren Laufwerksausfall und sogar zur Zerstörung aller Arrays führen kann.

RAID 6 umfasst Block-Level-Striping mit doppelter Verteilungsparität. Doppelte Parität bietet die Möglichkeit, Fehler von bis zu 2 ausgefallenen Laufwerken zu tolerieren. Dies bedeutet, dass die größeren RAID-Gruppen besser durchführbar sind, insbesondere in Hochverfügbarkeitssystemen, da die Reparatur von Laufwerken mit größerer Kapazität länger dauern kann.

RAID6

RAID 6 erfordert mindestens vier Festplatten. Wie bei RAID 5 kann der Ausfall eines einzelnen Laufwerks zu einem Leistungsabfall für das gesamte Array führen, bis es ersetzt wird. Durch die Verwendung von Laufwerken aus verschiedenen Quellen ist es möglich, die häufigsten Probleme im Zusammenhang mit RAID 5 zu lindern. Je größer die Kapazität des Laufwerks und je größer die Anzahl der Arrays ist, desto unwichtiger wird es, RAID 6 auszuwählen.

Software-RAID

Es ist wichtig zu verstehen, dass ein RAID-Controller das Herzstück eines RAID-Systems ist. Es spielt eine wesentliche Funktion bei der Verteilung von Daten zwischen RAID-Plattenarrays, die jedes Hardware-RAID und Software-RAID umfassen.

Software-RAID nutzt die von Software-RAID bereitgestellten Fähigkeiten. Es ist die RAID-Software oder der RAID-Treiber, der in das Betriebssystem von Servern integriert ist. Diese Methode erfordert keine zusätzliche Hardware, um Speichergeräte zu verbinden. Es könnte jedoch die Gesamtverarbeitungslast auf Servern erhöhen und zu langsamen RAID-Berechnungen und anderen Funktionen führen, die vom Gadget ausgeführt werden.

Viele Serverbetriebssysteme sind in der Lage, RAID-Konfigurationen zu unterstützen, z. B. solche von Microsoft, Apple und verschiedene Versionen von Unix/Linux-Systemen. Meistens hängt Software-RAID vom verwendeten Betriebssystem ab. Daher wird es nicht für Bereiche empfohlen, die von mehreren Betriebssystemen gemeinsam genutzt werden.

Vorteile

• Wir können eine RAID-Konfiguration für dasselbe Betriebssystem (z. B. Ubuntu) erstellen und sie dann auf andere ähnliche Systeme anwenden.
• Die Installation von Software-RAID ist kostengünstig, da keine zusätzliche Hardwareausrüstung erforderlich ist.
• Die Neukonfiguration von RAID-Leveln ist möglich, da die Konfigurationen flexibel und nicht komplex sind.
• Die meisten Betriebssysteme sind mit RAID-Softwarekonfigurationen kompatibel, was die Installation und Durchführung von Konfigurationsaufgaben erleichtert, die zur Lösung verschiedener Probleme beitragen.
• Software-RAID eignet sich hauptsächlich für die Verarbeitung von Basis-RAID 0, 1 und 10, die das System nicht zusätzlich belasten.

Nachteile

• Systemausfälle auf Servern können sich negativ auf die Integrität der Daten auswirken.
• Die Software-RAID-Implementierung ist nicht vorteilhaft, wenn mehrere Treiber auf dem System vorhanden sind, da bestimmte Konflikte auftreten können.
• Bestimmte Betriebssysteme unterstützen nur bestimmte Bereiche von RAID.
• Software-RAID hat das Potenzial, die Systemlast erheblich zu beeinflussen, wenn eine komplexe RAID-Konfiguration erstellt wird.
• Es gibt nicht viele Möglichkeiten, RAID auf einem geclusterten Betriebssystem zu verwenden.
• Das Reparieren einer ausgefallenen Festplatte kann komplex sein.
• Software-RAID ist anfällig für Malware und Viren, da es innerhalb des Betriebssystems des Servers läuft, der für primäre Server verwendet wird.

Wir untersuchen Software-RAID und einige seiner Stärken und Schwächen. Wir können schlussfolgern, dass dieser Ansatz für kleine Projekte mit begrenztem Budget und für Situationen, in denen energieeffizientes Computing und Datensicherheit erforderlich sind, verwendet werden kann. Festplattenwiederherstellung und schnelle Daten haben nicht die oberste Priorität.

Es ist wichtig zu beachten, dass dies nur allgemeine Vorschläge sind, da die Optionen von den Anforderungen des Projekts und der durchzuführenden Arbeit abhängen.

Hardware-RAID

Hardware-RAID bedeutet, dass alle Laufwerke mit dem Hardware-RAID-Controller verbunden sind, der sich auf einer einzelnen RAID-Karte oder einem Server befindet oder in das Motherboard integriert ist. Hardware-RAID-Controller verwalten Setups und RAID-Arrays. Es kann mehrere RAID-Ebenen unterstützen.

In bestimmten Situationen kann der RAID-Controller als Miniaturversion von Computern fungieren. Dies liegt daran, dass sie mit Prozessoren ausgestattet sind, die speziell für die Vervollständigung ihrer Arbeit entwickelt wurden.

Bei der Hardware-RAID-Installation werden Laufwerke über die RAID-Controller-Karte direkt miteinander verbunden. Dies ist nicht auf große Server beschränkt, sondern auch auf Desktop-Computer. Processing Hardware RAID ist ein Verweis auf separate Controller (wie ATA RAID, SATA, DELTA PLC usw.) am Speichersystem.

Da das RAID von der Controllerplatine gesteuert und verarbeitet wird, entsteht keine zusätzliche Last für den Prozessor des Servers. Hardware-RAID kann auch mehrere andere zusätzliche Funktionen bereitstellen, wie z. B. die Option zum Austauschen von Festplatten im Falle eines Ausfalls einer einzelnen Festplatte. Außerdem ist Hardware-RAID teurer als Software-RAID, aber es ist effizienter und hat eine bessere Funktionskompatibilität.

Vorteile

• Es ist einfach, die Box zwischen Servern, Computern und Betriebssystemen zu verschieben.
• Eine hohe Systemeffizienz ist entscheidend für ältere Systeme, die die Rechenleistung von Computern nicht steigern können.
• Der Schutz vor Datenbeschädigung und -verlust könnte im Falle einer Stromunterbrechung während der Erstellung von Sicherungskopien eintreten, da Hardware-RAID Backup-Batterien und seinen internen Flash-Speicher verwendet.
• Weniger Probleme gibt es beim Einsatz von RAID-Systemen bei der Erstellung von Sicherungskopien sowie der Datenwiederherstellung.
• Hardware-RAID verwendet seinen Cache-Speicher zum Erstellen von Sicherungskopien und zur Datenwiederherstellung.
• Die Flexibilität, RAID zu konfigurieren, die ohne die richtige Ausrüstung nur schwer zu erreichen ist.
• Weitere RAID-Level können verwendet werden, erfordern jedoch mehr Ressourcen.
• Es funktioniert gut auf allen Arten von Festplatten.
• Kompatibilität mit einer Vielzahl von Betriebssystemen.

Nachteile:

• Es ist auch teurer, da es mehr Ausrüstung erfordert.
• Interessant ist, dass Hardware-RAID für bestimmte Projekte und Aufgaben unter Berücksichtigung der Kosten einen geringeren Wirkungsgrad haben kann.
• Wenn der RAID-Controller ausfällt, muss er durch ein Ersatzmodell ersetzt werden, um Fehlfunktionen zu vermeiden. Wenn ein Ersatzcontroller nicht sofort verfügbar ist, kann es zu Verzögerungen bei der Systemleistung kommen.
• Bei Hardware-RAID kann es beim Einbau von HDDs unterschiedlicher Hersteller oder beim Einbau von SSD- und HDD-Laufwerken zu Schwierigkeiten kommen.

Bei der Analyse der Vor- und Nachteile von Hardware-RAID sehen wir, dass es eine praktikable Option ist, um bei teureren Projekten ohne Budgetbeschränkungen zu helfen. Darüber hinaus ist es eine ideale Option, wenn die Sicherheit von Daten und die Rechenleistung von entscheidender Bedeutung sind. In einigen Fällen kann Hardware-RAID besser für Projekte geeignet sein, die mit technischen Geräten verbunden sind, da die Interaktion mit Speichergeräten Probleme verursachen kann.

Hybrid-RAID

In bestimmten Fällen ist es möglich, dass ein Hybrid-RAID-Angebot besser ist. Wenn beispielsweise RAID in das BIOS des Motherboards integriert werden kann, könnte es zusätzliche redundante Daten liefern, wenn das System eingeschaltet wird, und dabei helfen, Datenbeschädigungen zu verhindern.

Vorteile

• In vielen Fällen sind Hybrid-RAID-Systeme mit einer grafischen Benutzeroberfläche ausgestattet, die zur Unterstützung bei der RAID-Konfiguration verwendet werden kann.
• Hybrid-RAID kostet wenig und ist ideal für eine Vielzahl von Projekten.
• Hybrid-RAID ist normalerweise in der Lage, auf mehreren Systemen zu funktionieren, auf denen dasselbe Betriebssystem ausgeführt wird.
• Hybrid-RAID kann vor einem Ausfall des Boot-Systems während des Bootens schützen, was durch einen Systemfehler oder ähnliche Ausfälle verursacht werden könnte.

Nachteile

• Es gibt auch Probleme in Bezug auf Laufwerkstausch sowie Datenwiederherstellung.
• Ein Hybrid-RAID kann eine übermäßige Last auf Servern verursachen, die die Produktivität beeinträchtigen kann.
• Bei einigen Betriebssystemen (insbesondere den neuesten) müssen Treiber für RAID möglicherweise regelmäßig aktualisiert werden. Dies könnte zu Treiberkonflikten führen.
• Da Software-RAID anfällig für Viren ist, könnte es ein weniger sicheres Bedrohungsmodell haben.

Hybrid-RAID ist jedoch eine ausgezeichnete Wahl, kann jedoch einige Besonderheiten aufweisen. Aus diesem Grund ist es ideal für eine Vielzahl von Projekten. Es wird empfohlen, das Hybrid-RAID auszuwählen, wenn Sie vorher wissen, welche Probleme auftreten können und wie diese Probleme am besten gelöst werden können.

Darüber hinaus könnte es eine ideale Wahl sein, wenn Ihr Projekt sowohl Software- als auch Hardware-RAID erfordert. Aber diese Projekte sind in der Regel sehr spezifisch. Am Ende ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die endgültige Entscheidung ausschließlich auf den einzigartigen Zielen und Anforderungen Ihres Projekts basiert.