RAID

RAID ist eine Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten. Ein RAID-System dient zur Organisation mehrerer physischer Festplatten eines Computers zu einem logischen Laufwerk, das eine höhere Datenverfügbarkeit bei Ausfall einzelner Festplatten und/oder einen größeren Datendurchsatz erlaubt als ein einzelnes physisches Laufwerk.

Während die meisten in Computern verwendeten Techniken und Anwendungen darauf abzielen, Redundanzen (das Vorkommen doppelter Daten) zu vermeiden, werden bei RAID-Systemen redundante Informationen gezielt erzeugt, damit beim Ausfall einzelner Komponenten das RAID als Ganzes seine Integrität und Funktionalität behält und nach Ersetzen der ausgefallenen Komponente durch einen sogenannten Rebuild der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt werden kann. Diese Redundanz darf aber nicht mit einer Datensicherung gleichgesetzt werden.

Der Betrieb eines RAID-Systems setzt mindestens zwei Festplatten voraus. Die Festplatten werden gemeinsam betrieben und bilden einen Verbund, der unter mindestens einem Aspekt betrachtet leistungsfähiger ist als die einzelnen Festplatten. Mit RAID-Systemen kann man folgende Vorteile erreichen (allerdings nicht gleichzeitig):

- Erhöhung der Ausfallsicherheit (Redundanz)
Steigerung der Datenübertragungsrate (Leistung)
- Aufbau großer logischer Laufwerke
- Austausch von Festplatten und Erhöhung der Speicherkapazität während des Systembetriebes
- Kostenreduktion durch Einsatz mehrerer preiswerter Festplatten

Die genaue Art des Zusammenwirkens der Festplatten wird durch den RAID-Level spezifiziert. Die gebräuchlichsten RAID-Level sind RAID 0, RAID 1 und RAID 5.

In der Regel erkennen die RAID-Implementierungen nur den Gesamtausfall eines Laufwerks beziehungsweise Fehler, die vom Laufwerk signalisiert werden (siehe z. B. SMART). Auch können viele Implementierungen schon von der Theorie her nur einzelne Bitfehler erkennen und nicht korrigieren. Da Bitfehler mittlerweile selten sind und das Erkennen von Einzelfehlern ohne Korrekturmöglichkeit nur von relativ geringem Nutzen ist, verzichten heute einige Implementierungen auf die zusätzliche Integritätsprüfung beim Schreiben (read after write) oder Lesen (read and compare) und bieten hierdurch eine zum Teil beachtlich höhere Performance. Beispielsweise verzichten manche RAID-5-Implementierungen heute beim Lesen auf das Überprüfen der Plausibilität mittels Paritäts-Stripes, analog arbeiten auch viele RAID-1-Implementierungen. So erreichen diese Systeme beim Lesen Datendurchsätze, wie sie sonst nur bei RAID 0 erzielt werden. Auch wird bei solchen Implementierungen nicht notwendigerweise der Cache einer Platte deaktiviert. Dennoch legen einige RAID-Level (RAID 2, je nach Hersteller auch RAID 6) ihr besonderes Augenmerk auf die Datenintegrität und Fehlerkorrektur (ECC), dort sind folglich die Cache-Speicher der Platten deaktiviert und zusätzlich werden dann jederzeit alle möglichen Prüfungen durchgeführt (read after write usw.), woraus zum Teil erhebliche Performanceeinbußen resultieren.

Aus Sicht des Benutzers oder eines Anwendungsprogramms unterscheidet sich ein logisches RAID-Laufwerk nicht von einer einzelnen Festplatte.

Hardware-RAID:

Von Hardware-RAID spricht man, wenn das Zusammenwirken der Festplatten von einer speziell dafür entwickelten Hardware-Baugruppe, dem RAID-Controller, organisiert wird. Der Hardware-RAID-Controller befindet sich typischerweise in physischer Nähe der Festplatten. Er kann im Gehäuse des Computers enthalten sein. Besonders im Rechenzentrumsumfeld befindet er sich häufiger in einem eigenen Gehäuse, einem Disk-Array, in dem auch die Festplatten untergebracht sind. Die externen Systeme werden oft auch als DAS oder SAN bezeichnet, seltener auch NAS, wenngleich nicht jedes dieser Systeme auch RAID implementiert. Professionelle Hardware-RAID-Implementierungen verfügen über eigene eingebettete CPUs; sie nutzen große, zusätzliche Cache-Speicher und bieten somit höchsten Datendurchsatz und entlasten dabei gleichzeitig den Hauptprozessor. Durch eine durchdachte Handhabung und einen soliden Herstellersupport wird gerade auch bei Störungen eine bestmögliche Unterstützung des Systemadministrators erreicht. Einfache Hardware-RAID-Implementierungen bieten diese Vorteile nicht in gleichem Maße und stehen daher in direkter Konkurrenz zu Software-RAID-Systemen. Bekannte Hersteller sind: 3Ware, Adaptec, AMI, Areca, Compaq, Dell, HP, IBM, Intel, LSI, Mylex, Promise, Sun, Tekram und andere.

Host-RAID:

Im unteren Preissegment (praktisch ausschließlich für IDE/ATA- oder SATA-Festplatten) werden sogenannte Host-RAID-Implementierungen angeboten. Rein äußerlich ähneln diese Lösungen den Hardware-RAID-Implementierungen. Es gibt sie als Kartenerweiterungen aus dem Niedrigpreis-Sektor, häufig sind sie aber auch direkt in die Hauptplatinen (engl. mainboards) für den Heimcomputer und Personal Computer integriert. Meistens sind diese Implementierungen auf RAID 0 und RAID 1 beschränkt. Um solche nichtprofessionellen Implementierungen so erschwinglich wie möglich zu halten, verzichten sie weitestgehend auf aktive Komponenten und realisieren die RAID-Level durch eine Software, die in den Treibern der Hardware integriert ist, allerdings für die notwendigen Rechenarbeiten den Hauptprozessor nutzt und auch die internen Bussysteme deutlich mehr belastet. Es handelt sich also eher um eine Software-RAID-Implementierung, die an eine spezielle Hardware gebunden ist. Die Bindung an den Controller ist ein bedeutender Nachteil, erschwert die Wiederherstellung und birgt bei einer Fehlfunktion desselben die Gefahr eines Datenverlustes. Solche Controller werden im Linux-Jargon daher oft auch als Fake-RAID bezeichnet (vgl. auch die sogenannten Win- oder Softmodems, die ebenfalls den Hauptprozessor und Bussysteme zusätzlich belasten).

Software-RAID:

Von Software-RAID spricht man, wenn das Zusammenwirken der Festplatten komplett softwareseitig organisiert wird. Auch der Begriff Host based RAID ist geläufig, da nicht das Speicher-Subsystem, sondern der eigentliche Computer die RAID-Verwaltung durchführt. Die meisten modernen Betriebssysteme wie FreeBSD, OpenBSD, Apple Mac OS X, HP HP-UX, IBM AIX, Linux, Microsoft Windows ab Windows NT oder SUN Solaris sind dazu in der Lage. Die einzelnen Festplatten sind in diesem Fall entweder über einfache Festplattencontroller am Computer angeschlossen oder es werden externe Storage-Geräte wie Disk-Arrays von Unternehmen wie EMC, Promise, AXUS, Proware oder Hitachi Data Systems (HDS) an den Computer angeschlossen. Die Festplatten werden zunächst ohne RAID-Controller als sogenannte JBODs („just a bunch of disks“) in das System integriert, dann wird per Software-RAID (z. B. unter Linux mit dem Programm mdadm) die RAID-Funktionalität realisiert.

Pro:

Der Vorteil von Software-RAID ist, dass kein spezieller RAID-Controller benötigt wird. Die Steuerung wird von der RAID-Software erledigt, diese ist entweder schon Teil des Betriebssystems oder wird nachträglich installiert. Dieser Vorteil kommt besonders bei der Disaster Recovery zum Tragen, wenn der RAID-Controller defekt und nicht mehr verfügbar ist. Praktisch alle derzeit verfügbaren Software-RAID-Systeme benutzen die Festplatten so, dass diese auch ohne die spezielle Software ausgelesen werden können.

Contra:

Bei Software-RAID werden bei Festplattenzugriffen neben dem Hauptprozessor (CPU) des Computers auch die System-Busse (wie PCI) stärker belastet als bei Hardware-RAID. Bei leistungsschwachen CPUs und Bus-Systemen verringert dies deutlich die Systemleistung; bei leistungsstarken, wenig ausgelasteten Systemen ist dies belanglos. Storage-Server sind in der Praxis oft nicht voll ausgelastet. Somit können Software-RAID-Implementierungen auf solchen Servern unter Umständen sogar schneller sein als Hardware-RAID-Implementierungen. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei Software-RAID kein Cache genutzt werden kann, dessen Inhalt auch nach einem Stromausfall erhalten bleibt, wie es bei Hardware-RAID Controllern mit einer Battery Backup Unit möglich ist. Um Datenverluste und Fehler in der Datenintegrität bei einem Stromausfall oder Systemabsturz auszuschließen, müssen außerdem die Caches der Festplatten deaktiviert werden.

Software-Raid und Storage-Server:

Mit einem Software-RAID-ähnlichen Ansatz lassen sich auch (logische) Volumes, die von unterschiedlichen Storage-Servern zur Verfügung gestellt werden, auf Seite des Anwendungsservers spiegeln. Das kann in hochverfügbaren Szenarien nützlich sein, weil man damit unabhängig von entsprechender Cluster-Logik in den Storage-Servern ist, welche häufig fehlt, andere Ansätze verfolgt oder herstellerabhängig und somit in gemischten Umgebungen nicht zu gebrauchen ist. Allerdings muss das Host-Betriebssystem entsprechende Features mitbringen (z. B. durch Einsatz des Logical Volume Manager oder von NTFS). Solche Storage-Server sind üblicherweise in sich schon redundant. Ein übergreifendes Cluster richtet sich also eher gegen den Ausfall des ganzen Servers oder eines Rechnerraumes (Stromausfall, Wasserschaden, Brand usw.). Ein einfacher Spiegel, vergleichbar mit RAID 1, reicht hier aus; siehe auch Hauptartikel Storage Area Network.