Vorstellung der RAID Technologie

Die RAID-Technologie (Akronym von Redundant Array of Inexpensive Disks, manchmal auch Redundant Array of Independent Disks, übersetzt mit Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten) ermöglicht es eine Speichereinheit ab mehreren Festplatten zusammenzustellen. Die so geschaffene Einheit (genannt Gruppe ) besitzt eine hohe Pannentoleranz (hohe Verfügbarkeit), oder einer größere Schreib-Kapazität/Geschwindigkeit. Die Verteilung der Daten auf mehrere Festplatten ermöglicht damit deren Sicherheit zu verbessern, und die verbundenen Dienste zuverlässiger zu machen.

Diese Technologie ist 1987 von drei Forschern (Patterson, Gibson und Katz ) an der Universität von Kalifornien (Berkeley) entwickelt worden. Seit 1992 werden diese Spezifikationen von dem RAID Advisory Board verwaltet. Sie besteht darin eine große (also teure) Speicherkapazität aus kleineren, weniger teuren Festplatten zusammenzustellen (deren MTBF, Mean Time Between Failure , das heißt der durchschnittliche Zeitabstand zwischen zwei Pannen, niedrig ist).

Die nach der RAID-Technologie zusammengestellten Festplatten können auf verschiedene Weisen verwendet werden, die RAID-Level genannt werden. Die Universität von Kalifornien hat davon 5 definiert, zu denen die Level 0 und 6 hinzugefügt worden sind. Jeder dieser Level beschreibt die Art mit der die Daten auf den Festplatten verteilt sind  :

• Level 0: genannt striping
• Level 1: genannt mirroring, shadowing oder duplexing
• Level 2: genannt striping with parity (veraltet)
• Level 3: genannt disk array with bit-interleaved data
• Level 4: genannt disk array with block-interleaved data
• Level 5: genannt disk array with block-interleaved distributed parity
• Level 6: genannt disk array with block-interleaved distributed parity

Jeder dieser Level stellt eine Verwendungsweise der Gruppe dar, je nach :

• Den Leistungen
• Den Kosten
• Den Festplattenzugängen

Level 0

Das Level RAID-0, genannt striping (übersetzt mit ineinander verschlingen oder Streifenaggregat, manchmal auch zu Unrecht stripping genannt) besteht darin, die Daten zu speichern in dem sie über alle Festplatten der Gruppe verteilt werden. Auf diese Weise kommt es zu keiner Redundanz, und man kann nicht von Pannen-Toleranz sprechen. Bei Ausfall einer der Festplatten, sind in der Tat alle Daten, die sich auf dieser Festplatte befinden, verloren.

Da allerdings jede Festplatte der Gruppe seinen eigenen Controller hat, handelt es sich um eine Lösung die eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit bietet.

Der RAID 0 besteht damit in der logischen Nebeneinanderstellung (Aggregat) von mehreren physischen Festplatten. Im RAID-0 Modus werden die Daten in " Streifen" (auf Englisch stripes)  geschrieben:

Platte 1 Streifen 1 Streifen 4 Streifen 7

Platte 2 Streifen 2 Streifen 5 Streifen 8

Platte 3 Streifen 3 Streifen 6 Streifen 9

Man spricht von Striping-Granularität um die relative Größe der Fragmente (Streifen ) zu charakterisieren, die auf jeder physischen Einheit gespeichert sind. Die durchschnittliche Übertragungsrate hängt von diesem Faktor ab (je kleiner jeder Streifen ist, desto höher ist die Transferrate).

Wenn eines der Elemente der Gruppe größer ist als die anderen, so wird das Auffüllsystem im Streifen-Verfahren blockiert, sobald die kleinste Platte gefüllt ist. Die erreichte Größe entspricht so zuletzt der doppelten Kapazität der kleineren der zwei Festplatten :

• Zwei Festplatten von 20 Go ergeben eine logische Platte von 40 Go.
• Eine Platte von 10 Go, die zusammen mit einer Platte von 27 Go verwendet wird, ergibt eine logische Festplatte von 20 Go (17 Go der zweiten Festplatte verbleiben damit ungenutzt).

Es ist empfehlenswert Festplatten gleicher Größe zu verwenden, um ein RAID-0 zu erstellen, da ansonsten die Platte mit der höheren Kapazität nicht vollständig genutzt wird.

Level 1

Das Level 1 hat zum Ziel die auf mehreren Platten zu speichernde Information zu kopieren, man spricht demnach von mirroring, oder shadowing um diesen Vorgang zu bezeichnen

Platte 1 Streifen 1 Streifen 2 Streifen 3

Platte 2 Streifen 1 Streifen 2 Streifen 3

Platte 3 Streifen 1 Streifen 2 Streifen 3

Man erreicht damit eine höhere Sicherung der Daten, denn wenn eine der Festplatten ausfällt, sind die Daten immer noch auf der anderen gespeichert. Andererseits wird das Lesen der Daten sehr viel schneller, wenn die zwei Festplatten in Betrieb sind. Da jede Festplatte schließlich ihren eigenen Controller besitzt, kann der Server weiter funktionieren selbst wenn eine der Festplatten ausfällt, genauso wie ein Lastwagen weiterfahren kann wenn einer seiner Reifen platt ist, da er an jeder Achse mehrere h+D208at..

Allerdings ist die RAID 1 Technologie sehr teuer, da nur die Hälfte der Speicherkapazität tatsächlich benutzt wird.

Level 2

Das Level RAID-2 ist mittlerweile veraltet, da es eine Fehlerkontrolle über den Hamming-Code anbietet (Code ECC - Error Correction Code ), und dieser mittlerweile direkt in die Controller der Festplatten integriert ist.

Diese Technologien besteht darin Daten nach dem gleichen Prinzip zu speichern wie mit dem RAID-0, wobei allerdings die Kontroll-Bits in einer unterschiedlichen Einheit niedergeschrieben werden ECC (Meist werden 3 ECC-Platten für vier Daten-Platten verwendet).

Die RAID 2 Technologie bietet schlechter Leistungen aber ein hohes Sicherheitslevel

Level 3

Das Level 3 bietet Datenspeicherung in Oktett-Form auf jeder Festplatte an und die Zuordnung einer der Festplatten für die Speicherung eines Paritätsbits.

Platte 1 Oktett 1 Oktett 4 Oktett 7

Platte 2 Oktett 2 Oktett 5 Oktett 8

Platte 3 Oktett 3 Oktett 6 Oktett 9

Platte 4 Parität 1+2+3 Parität 4+5+6 Parität7+8+9

Auf diese Weise wird es möglich, falls eine der Platten ausfallen sollte, die Information ab den anderen Platten wiederherzustellen. Nach der " Wiederherstellung" ist der Inhalt der ausfallenden Platte wieder vollständig. Wenn allerdings 2 Festplatten gleichzeitig ausfallen sollten, so wäre es unmöglich dem Datenverlust entgegenzuwirken.

Level 4

Der Level 4 ist dem Level 3 sehr ähnlich. Der Unterschied besteht in der Parität, die auf einem Sektor (genannt Block ) erfolgt, und nicht auf dem Niveau des Bits, und die auf einer zugeordneten Festplatte gespeichert ist. Genauer gesagt ist der Wert der Striping-Granularität anders als im RAID 3.

Platte 1 Block 1 Block 4 Block 7

Platte 2 Block 2 Block 5 Block 8

Platte 3 Block 3 Block 6 Block 9

Platte 4 Parität 1+2+3 Parität 4+5+6 Parität7+8+9

Um eine beschränkte Anzahl von Blöcken zu lesen, muss das System so nicht auf die verschiedenen physischen Laufwerke zurückgreifen, sondern nur auf die, auf denen die Daten tatsächlich gespeichert sind. Allerdings muss die Festplatte die die Kontroll-Daten beherbergt eine Zugriffszeit besitzen, die der Summe der Zugriffszeiten der anderen Festplatten entspricht, um die Leistungsfähigkeit des ganzen nicht zu beeinträchtigen.

Level 5

Der Level 5 ähnelt dem Level 4, das heißt dass Parität auf der Ebene eines Sektors berechnet wird, aber auf alle Festplatten der Gruppe verteilt wird.

Platte 1 Bloc 1 Bloc 4 Parität 7+8+9

Platte 2 Block 2 Parität 4+5+6 Block 7

Platte 3 Block 3 Block 5 Block 8

Platte 4 Parität 1+2+3 Block 6 Block 9

Auf diese Weise verbessert RAID 5 stark den Zugriff auf Daten (im Lese- sowie im Schreibvorgang), da der Zugang zu den Paritätsbits auf die verschiedenen Festplatten der Gruppe verteilt ist.

Der Modus RAID-5 ermöglicht Leistungen die denen des RAID-0 sehr nahe kommen, und sichert dabei gleichzeitig eine hohe Pannentoleranz. Aus diesem Grund handelt es sich um einen der besten RAID Modi in Sachen Leistung und Zuverlässigkeit.

Da die nutzbare Festplattenkapazität in einer Gruppe vonn Festplatten, n-1 Festplatten entspricht, ist es vorteilhaft eine große Anzahl Festplatten zu haben um den RAID-5 zu " rentabel" zu machen.

Level 6

Der Level 6 ist zu den von Berkeley definierten Levels hinzugefügt worden. Es definiert die Benutzung von zwei Paritätsfunktionen, und damit die Speicherung auf zwei zugeordneten Festplatten. Dieser Level ermöglicht es die Redundanz zu garantieren wenn zwei Festplatten gleichzeitig ausfallen. Das bedeutet, dass man mindestens vier Festplatten benötigt um ein RAID-6 System zu erstellen.

Vergleich

Die meist adoptierten RAID Lösungen sind die RAID von Level 1 und Level 5.

Der Wahl einer RAID Lösung ist an drei Kriterien gebunden :

• Die Sicherheit : RAID 1 und 5 bieten beide ein sehr hohes Sicherheitsniveau, die Wiederherstellungsmethode der Festplatten unterscheidet sich jedoch zwischen den zwei Lösungen. Im Falle einer Panne des Systems baut RAID 5 die fehlende Festplatte ab den Informationen die sich auf den anderen Platten befinden wieder auf, während RAID 1 eine Kopie von Platte zu Platte vornimmt.
• Die Leistungen : RAID 1 bietet bessere Leistungen als RAID 5 im Lesevorgang, leidet aber bei umfangreichen Schreibvorgängen.
• Die Kosten : die Kosten lehnen sich direkt an die Speicherkapazität an, die hergestellt werden muss um eine gewisse effektive Speicherkapazität zu erhalten. Die RAID 5 Lösung bietet ein Nutzvolumen von 80-90 % des eingesetzten Volumens (der Rest dient natürlich der Fehlerkontrolle). Die RAID 1 Lösung bietet stattdessen ein verfügbares Volumen von nur 50 % des Gesamtvolumens (da die Informationen kopiert sind).

Umsetzung einer RAID Lösung

Es gibt mehrere Arten einer RAID Lösung auf einem Server umzusetzen :

• auf programmierbare Weise : es handelt sich meist um einen Treiber in dem Betriebssystem desComputers , der in der Lage ist ein einziges logisches Volumen aus mehreren Festplatten (SCSI oder IDE) zu erstellen.
• auf materielle Weise
  • mit DASD Material (Direct Access Stockage Device ): es handelt sich um externe Speichereinheiten die über einen eigenen Netzzugang verfügen. Außerdem verfügt dieses Material über Steckverbinder die einen Plattenaustausch im Betrieb ermöglichen (man sagt meist, dass dieser Plattentyp hot swappable ist). Dieses Material verwaltet selbst seine Platten, so dass er wie eine Standard SCSI Platte identifiziert wird.
  • Mit RAID Platten-Controllern : es handelt sich um Karten die in die PCI oder ESA Slots eingesteckt werden und mit denen mehrere Festplatten gesteuert werden können.

Letzte Änderung am Mittwoch 1 April 2009 à 14:16:20.Das Dokument mit dem titel « Schutz - die RAID-Systeme » aus Kioskea (de.kioskea.net) zur verfügung gestellt wird unter den bedingungen der Creative Commons lizenz. Können Sie ändern, Kopien dieser Seite, unter den Bedingungen der Lizenz, als diese Bewertung deutlich.