Mehr Leistung und höhere Verfügbarkeit für Speichersysteme

RAID begegnet einem in der IT sehr häufig – bei Servern, NAS-Systemen, Storage-Systemen und Virtualisierungsumgebungen. Ziel ist es, mehrere physische Festplatten zu einem logischen Speicherverbund zusammenzufassen. Je nach RAID-Level geht es dabei um mehr Leistung, höhere Ausfallsicherheit oder einen Kompromiss aus beidem.

RAID steht für Redundant Array of Independent Disks. Mehrere Festplatten werden also zu einer logischen Einheit zusammengefasst. Dadurch können Daten verteilt, gespiegelt oder mit zusätzlichen Paritätsinformationen abgesichert werden.

Wichtig ist dabei ein Grundsatz:

RAID erhöht die Verfügbarkeit – RAID ersetzt aber kein Backup.

Fällt beispielsweise eine Festplatte aus, kann ein RAID je nach Level weiterarbeiten. Werden Daten jedoch versehentlich gelöscht, verschlüsselt Ransomware die Daten oder wird das komplette System zerstört, schützt ein RAID nicht davor. Eine Datensicherung ist deshalb weiterhin notwendig.

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Hardware-RAID und Software-RAID

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Hardware-RAID und Software-RAID. Beim Software-RAID übernimmt das Betriebssystem die Verwaltung des RAID-Verbunds. Ein separater RAID-Controller ist nicht erforderlich. Beim Hardware-RAID übernimmt dagegen ein eigener RAID-Controller die Verwaltung.

Typische Beispiele:

• Hardware-RAID: Dell PERC, HPE Smart Array, Broadcom/LSI RAID Controller
• Software-RAID: Linux mdadm, Windows Storage Spaces, ZFS beziehungsweise Softwarelösungen in NAS- und Virtualisierungsumgebungen

Heute ist Software-RAID keineswegs grundsätzlich schlechter. Moderne CPUs besitzen genügend Leistung, sodass die CPU-Belastung in vielen Umgebungen kaum noch eine Rolle spielt.

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Die wichtigsten RAID-Level

RAID 0 – Striping

RAID 0 verteilt die Daten auf mehrere Festplatten. Dadurch können mehrere Laufwerke gleichzeitig lesen und schreiben.

Beispiel mit zwei Festplatten:

Datei:
A B C D E F

Festplatte 1: A C E
Festplatte 2: B D F

Das nennt man Striping.

RAID 0 benötigt mindestens zwei Laufwerke. Der gesamte Speicherplatz kann verwendet werden. Es existiert jedoch keinerlei Redundanz. Fällt nur eine Festplatte aus, ist der gesamte RAID-Verbund nicht mehr vollständig.

Vorteile

• sehr hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit
• 100 % des Speicherplatzes nutzbar
• einfache Struktur

Nachteile

• keine Ausfallsicherheit
• bereits der Ausfall einer Festplatte zerstört den Verbund
• mit jeder zusätzlichen Festplatte steigt die Wahrscheinlichkeit eines Plattenausfalls

Berechnung

Bei gleich großen Festplatten:

Nettokapazität = Anzahl Festplatten × Kapazität der kleinsten Festplatte

Beispiel:

4 × 2 TB:

4 × 2 TB = 8 TB

Speichereffizienz:

100 %

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RAID 1 – Mirroring

RAID 1 wird als Spiegelung oder Mirroring bezeichnet. Die Daten werden identisch auf zwei Festplatten geschrieben. Fällt eine Festplatte aus, kann das System mit der zweiten weiterarbeiten.

Beispiel:

Festplatte 1     Festplatte 2
A                A
B                B
C                C
D                D

Vorteile

• sehr einfache Ausfallsicherheit
• eine Festplatte darf ausfallen
• gute Lesegeschwindigkeit
• Wiederherstellung vergleichsweise einfach

Nachteile

• nur 50 % der Rohkapazität nutzbar
• Schreibgeschwindigkeit verbessert sich normalerweise nicht wesentlich
• relativ hoher Speicherbedarf für die Redundanz

Berechnung

Bei zwei Platten:

Nettokapazität = Kapazität einer Festplatte

oder:

Nettokapazität = Bruttokapazität ÷ 2

Beispiel:

2 × 4 TB = 8 TB brutto

Netto = 4 TB

Speichereffizienz:

4 TB ÷ 8 TB × 100 = 50 %

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RAID 5 – Striping mit Parität

RAID 5 verbindet Datenverteilung mit Paritätsinformationen. Dadurch kann der Ausfall einer Festplatte verkraftet werden.

Die Paritätsinformationen befinden sich nicht auf einer festen Paritätsplatte, sondern werden über alle Festplatten verteilt.

Vereinfacht:

HDD 1    HDD 2    HDD 3    HDD 4

A        B        C        Parität
D        E        Parität  F
G        Parität  H        I
Parität  J        K        L

Mit Hilfe der Parität können fehlende Daten beim Ausfall einer Festplatte rekonstruiert werden.

Mindestanzahl

3 Festplatten

Vorteile

• gutes Verhältnis zwischen Speicherplatz und Ausfallsicherheit
• nur Kapazität einer Festplatte wird für Redundanz benötigt
• gute Lesegeschwindigkeit
• eine Festplatte darf ausfallen

Nachteile

• Schreibvorgänge sind durch Paritätsberechnungen aufwendiger
• während eines Rebuilds hohe Belastung
• fällt während des Rebuilds eine zweite Platte aus, gehen die Daten verloren
• bei großen Festplatten und großen Arrays heute häufig weniger attraktiv als RAID 6

Formel Nettokapazität

Nettokapazität = (Anzahl Festplatten − 1) × Kapazität der kleinsten Festplatte

Beispiel:

4 × 1 TB:

(4 − 1) × 1 TB = 3 TB

Speichereffizienz

Speichereffizienz = Nettokapazität ÷ Bruttokapazität × 100

Bei vier Platten:

3 TB ÷ 4 TB × 100 = 75 %

Das entspricht auch der Übersicht im Schulungsskript: Mit drei Festplatten stehen rund 66,6 %, mit vier 75 % und mit fünf 80 % des Rohspeichers zur Verfügung.

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RAID 6 – Striping mit doppelter Parität

RAID 6 funktioniert ähnlich wie RAID 5, verwendet jedoch zwei unabhängige Paritätsinformationen.

Dadurch dürfen gleichzeitig zwei Festplatten ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen. Das RAID benötigt mindestens vier Festplatten.

Vorteile

• höhere Ausfallsicherheit als RAID 5
• zwei Festplatten dürfen ausfallen
• sinnvoll bei größeren Arrays
• gute Lesegeschwindigkeit

Nachteile

• weniger nutzbare Kapazität als RAID 5
• Schreibvorgänge aufgrund doppelter Parität aufwendiger
• Rebuild kann bei großen Laufwerken lange dauern

Formel

Nettokapazität = (Anzahl Festplatten − 2) × Kapazität der kleinsten Festplatte

Beispiel:

6 × 2 TB:

(6 − 2) × 2 TB = 8 TB

Bruttokapazität:

6 × 2 TB = 12 TB

Speichereffizienz:

8 ÷ 12 × 100 = 66,7 %

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RAID 10 – RAID 1 + RAID 0

RAID 10 kombiniert Spiegelung und Striping.

Zunächst werden Festplattenpaare gespiegelt. Anschließend werden die Daten über diese Spiegelpaare verteilt.

Beispiel:

           RAID 10

       RAID 1        RAID 1
      /      \      /      \
    HDD1    HDD2  HDD3    HDD4
     A       A     B       B
     C       C     D       D

RAID 10 benötigt mindestens vier Festplatten. Die Hälfte der Gesamtkapazität steht als Nutzspeicher zur Verfügung.

Vorteile

• sehr gute Geschwindigkeit
• hohe Ausfallsicherheit
• kein Paritäts-Overhead
• schnellerer Rebuild als bei RAID 5 oder RAID 6
• häufig sehr gut für Server, Datenbanken und Virtualisierung geeignet

Nachteile

• nur 50 % der Rohkapazität nutzbar
• vergleichsweise hoher Bedarf an Laufwerken
• Ausfallsicherheit hängt davon ab, welche Festplatten ausfallen

Formel

Nettokapazität = Anzahl Festplatten ÷ 2 × Kapazität der kleinsten Festplatte

Beispiel:

4 × 2 TB:

4 ÷ 2 × 2 TB = 4 TB

Speichereffizienz:

50 %

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Wie viele Festplatten dürfen bei RAID 10 ausfallen?

Das ist eine typische Prüfungsfrage.

Bei einem RAID 10 mit vier Festplatten können im günstigsten Fall zwei Laufwerke ausfallen – nämlich dann, wenn jeweils nur eine Platte eines Spiegelpaares betroffen ist.

Fallen dagegen beide Laufwerke desselben Spiegelpaares aus, ist der RAID-Verbund nicht mehr vollständig. Das Schulungsskript unterscheidet deshalb zwischen dem ungünstigsten Fall von einem tolerierbaren Ausfall und dem günstigsten Fall von zwei Ausfällen.

Deshalb gilt für Prüfungsfragen:

RAID 10: mindestens eine Platte darf sicher ausfallen. Maximal kann je Spiegelpaar eine Platte ausfallen.

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RAID 50

RAID 50 verbindet mehrere RAID-5-Gruppen miteinander und verteilt die Daten per RAID 0 darüber.

Beispielsweise:

                 RAID 0
              /          \
          RAID 5          RAID 5

        HDD HDD HDD      HDD HDD HDD

Jede RAID-5-Gruppe besitzt eine eigene Parität. Dadurch kann innerhalb jeder RAID-5-Gruppe eine Festplatte ausfallen.

Vorteile

• höhere Geschwindigkeit als ein einzelnes RAID 5
• bessere Ausfallsicherheit bei großen Arrays
• gute Speichereffizienz

Nachteile

• mindestens sechs Laufwerke erforderlich
• komplexer
• wenn in derselben RAID-5-Gruppe zwei Platten ausfallen, gehen die Daten verloren

Formel

Sind die RAID-5-Gruppen gleich groß:

Nettokapazität = (Festplatten pro RAID-5-Gruppe − 1) × Anzahl Gruppen × Plattengröße

Beispiel:

2 RAID-5-Gruppen mit je 3 × 2 TB:

(3 − 1) × 2 × 2 TB = 8 TB

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RAID 60

RAID 60 verbindet mehrere RAID-6-Gruppen über RAID 0.

                 RAID 0
              /          \
          RAID 6          RAID 6

Pro RAID-6-Gruppe dürfen zwei Laufwerke ausfallen.

Vorteile

• sehr hohe Ausfallsicherheit
• hohe Leseleistung
• gut für größere Storage-Systeme

Nachteile

• hoher Plattenbedarf
• geringere Speichereffizienz
• komplexerer Aufbau
• hoher Rebuild-Aufwand

Formel

Nettokapazität = (Festplatten pro RAID-6-Gruppe − 2) × Anzahl Gruppen × Plattengröße

Beispiel:

2 Gruppen mit jeweils 4 × 2 TB:

(4 − 2) × 2 × 2 TB = 8 TB

Bruttokapazität:

8 × 2 TB = 16 TB

Speichereffizienz:

50 %

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Übersicht der wichtigsten RAID-Level

RAID	Mindestanzahl	Ausfall möglich	Nettokapazität	Typischer Vorteil
RAID 0	2	0	n × S	maximale Geschwindigkeit
RAID 1	2	1	S	einfache Spiegelung
RAID 5	3	1	(n−1) × S	gutes Kapazitätsverhältnis
RAID 6	4	2	(n−2) × S	hohe Ausfallsicherheit
RAID 10	4	mindestens 1	(n/2) × S	Leistung + Ausfallsicherheit
RAID 50	6	1 je RAID-5-Gruppe	(nGruppe−1) × Gruppen × S	Leistung + Kapazität
RAID 60	8	2 je RAID-6-Gruppe	(nGruppe−2) × Gruppen × S	sehr hohe Ausfallsicherheit

Dabei gilt:

• n = Anzahl der Festplatten
• S = Kapazität der kleinsten Festplatte

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Die kleinste Festplatte bestimmt die Kapazität

Bei klassischen RAID-Systemen wird normalerweise die kleinste Festplatte als Grundlage genommen.

Beispiel:

• HDD 1: 1 TB
• HDD 2: 2 TB
• HDD 3: 2 TB

Für die Berechnung stehen effektiv nur

3 × 1 TB

zur Verfügung.

Der zusätzliche Speicherplatz der größeren Festplatten kann für diesen RAID-Verbund nicht genutzt werden. Dieses Prinzip wird auch im Schulungsskript ausdrücklich beschrieben.

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Speichereffizienz berechnen

Eine sehr wichtige allgemeine Formel lautet:

Speichereffizienz [%] = Nettospeicher ÷ Bruttospeicher × 100

Beispiel RAID 5 mit vier 1-TB-Festplatten:

Brutto:

4 × 1 TB = 4 TB

Netto:

(4 − 1) × 1 TB = 3 TB

Effizienz:

3 ÷ 4 × 100 = 75 %

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Beispiel aus einer typischen Prüfungsaufgabe

Vier Festplatten mit jeweils 1 TB stehen zur Verfügung.

RAID 10

Nettokapazität:

4 ÷ 2 × 1 TB = 2 TB

Effizienz:

2 ÷ 4 × 100 = 50 %

RAID 5

Nettokapazität:

(4 − 1) × 1 TB = 3 TB

Effizienz:

3 ÷ 4 × 100 = 75 %

Damit kann man sich die Unterschiede sehr gut merken:

RAID 10 opfert mehr Speicherplatz für Spiegelung und Geschwindigkeit. RAID 5 nutzt den Speicher effizienter, benötigt dafür aber Paritätsberechnungen.

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Hot Spare

Eine Hot-Spare-Festplatte gehört zunächst nicht zum aktiven Datenbereich des RAID-Verbunds.

Fällt eine RAID-Platte aus, kann der Controller die Hot-Spare-Platte automatisch als Ersatz verwenden und den RAID-Verbund darauf wiederherstellen. Im Schulungsmaterial wird sie als zusätzliche Ersatzfestplatte beschrieben, die beim Ausfall einer RAID-Platte einspringt.

Beispiel:

RAID 5:
HDD1
HDD2
HDD3
HDD4

zusätzlich:
HDD5 = Hot Spare

Fällt HDD2 aus, beginnt der Controller mit dem Rebuild auf HDD5.

Wichtig:

Eine Hot-Spare-Platte erhöht nicht die Nettokapazität.

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Hot Swap

Hot Swap bedeutet, dass eine Festplatte während des laufenden Betriebs ausgetauscht werden kann, ohne dass der Server heruntergefahren werden muss.

Das ist insbesondere bei Servern und Storage-Systemen wichtig, weil ein defektes Laufwerk ausgetauscht werden kann, während das System weiterhin produktiv arbeitet.

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RAID ist kein Backup

Das ist vielleicht der wichtigste Punkt dieses Beitrags.

RAID schützt beispielsweise vor:

• dem Ausfall einzelner Festplatten
• ungeplanten Unterbrechungen durch Plattendefekte

RAID schützt aber nicht zuverlässig vor:

• versehentlichem Löschen
• Ransomware
• Malware
• beschädigten Dateien
• Fehlkonfigurationen
• Diebstahl
• Brand
• Wasserschaden
• vollständigem Storage-Ausfall

Deshalb gehört zu einer guten IT-Sicherheitsstrategie zusätzlich eine echte Datensicherung. Im Schulungsmaterial wird Datensicherung als externe Kopie der Daten definiert, mit der verlorene Daten wiederhergestellt werden können.

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Merksätze

RAID 0 = schnell, aber keine Sicherheit

RAID 1 = Spiegelung

RAID 5 = eine Platte für Parität

RAID 6 = zwei Platten für Parität

RAID 10 = Spiegelung + Geschwindigkeit

Und besonders wichtig:

RAID sorgt für Verfügbarkeit. Backup sorgt für Wiederherstellbarkeit.

Damit gehört RAID zur Datensicherheit, während das Backup zur Datensicherung gehört. Genau diese Unterscheidung ist auch für einen IT-Security Coordinator wichtig.