Hallöööchen mit 3 öchen,

und willkommen zurück zum Azubi-Wissen - wie immer versucht in relativ einfachen Worten zu erklären

jetzt geht alles um Hardware-RAIDs (Redundant Array of Independent Disks). Ein RAID ist ein Zusammenschluss von 2 oder mehr Festplatten mit dem Ziel bei einem Ausfall einer Platte (gerade in Server-Umgebungen) nicht gleich einen Totalausfall zu haben.

Was wird dazu benötigt?

Ein Hardware-RAID lässt sich nicht einfach so in jedem System erstellen. Selbst wenn ich mir 2 Festplatten an den privaten PC hänge habe ich normalerweise keine Möglichkeit daraus einen Hardware-RAID zu machen - ein Software-RAID dagegen wird mittlerweile von vielen Chipsätzen unterstützt, dabei wird allerdings die Prozessorleistung beansprucht und auch die internen Bussysteme deutlich mehr belastet. Für unseren Hardware-RAID braucht es einen sogenannten RAID-Controller.

Statt also die Festplatten direkt mit dem Mainboard zu verbinden, werden sie direkt (oder indirekt mit Zwischenschritt) mit einem Controller verbunden. Der Controller bringt meist eine BIOS-ähnliche Möglichkeit beim Starten des PCs in ein Menü zu gelangen in dem der RAID dann konfiguriert werden kann.

Aber jetzt an das EIngemachte. Welche RAIDs gibt es?

Ich sage dem PC nicht "Ich will einen RAID" und klicke "weiter", "weiter", "weiter", "Fertig". Naja fast nicht. Als IT-ler müssen wir uns überlegen welche Art von RAID wir haben wollen, davon gibt es nämlich ein paar - und die haben Nummern, sie werden auch tatsächlich im Sprachgebrauch so benannt.

RAID 0

Striping. RAID 0 ist tatsächlich ein Sonderfall und viele behaupten, dass sich diese Nummer nicht als RAID schimpfen kann - es hat nämlich nichts mit Redundanz (= Ausfallsicherheit) zu tun. Es ist sogar das Gegenteil der Fall, aber schauen wir uns mal an was es überhaupt macht.

Nehmen wir mal an wir haben 2 Menschen (das sind unsere Platten^^), der ein schreibt "Hallo Welt" auf einen Zettel und braucht dafür 2 Sekunden. Verbinden wir unsere Menschen (Platten) jetzt, sagen wir dem einen er soll "Hallo" schreiben, während der andere gleichzeitig einfach nur "Welt" schreibt. Es dauert 1 Sekunden bis "Hallo Welt" auf dem Papier steht, wir waren also schneller.

Bei diesem RAID werden Daten also gleichzeitig auf die verschiedenen Platten verteilt (Blockweise), wir bekommen also einen Performance-Boost und haben mehr Speicherplatz zum beschreiben. Der Nachteil natürlich: Wenn eine Platte ausfällt sind unsere Daten weg, PC ist nicht mehr bootbar (ähnlich wie wenn man bei der Programmierung einfach mal die Hälfte aller Buchstaben löscht, dann bleibt nur noch etwas stehen das das System nicht versteht). Dadurch, dass wir auch nicht eine Festplatte haben sondern 2 ist die Ausfallrate höher. Oder in einer anderen Dimension gesprochen: Wenn wir darauf warten, dass 1 Festplatte ausfällt können Jahre vergehen, aber wenn man 1000 Festplatten hat ist die Chance groß, dass hier und da mal welche ausfallen. Also je mehr Platten, desto höher die Ausfallrate.

RAID 1

Mirroring. Jetzt kommen wir zum ersten 'echten' RAID - und der ist sogar noch recht einfach erklärt. Die Platten sind gespiegelt, heißt was auf die eine geschrieben wird, wird gleichzeitig auch auf die andere geschrieben - keine unterschiedlichen Daten wie beim RAID 0, sondern dieselben Daten. Würde wir unseren Menschen also hier auftragen "Hallo Welt" zu schreiben würden beide "Hallo Welt" auf ihren zettel schreiben.

Vielleicht kann man das auch ohne einen RAID machen, indem man einfach eine Festplatte klont, aber hier kommt der Controller zum EInsatz: Lässt sich eine Platte nicht mehr lesen oder fällt aus (oder jemand ist so mutig und zieht eine Platte mitten im Betrieb raus - einmal gemacht, aber ich würde es natürlich nicht empfehlen), wird automatisch die andere angesprochen, es entsteht kein Ausfall. Steckt man dann eine neue Festplatte an wird der RAID 'im Hintergrund' neu aufgebaut. Nachteil ist, dass uns weniger Speicherplatz zur Verfügung steht. Wir können nur den Speicherplatz einer Platte benutzen - die andere ist schließlich nur als "Klon" da, wir können keine extra Daten auf sie schreiben.

Achja, logisch ergibt sich, dass beide Festplatten hier dieselbe größe haben sollten, sonst gibt es entweder Fehler oder wir verschenken Speicherplatz.

RAID 5

Block-Level Striping mit verteilter Paritätsinformation. Wer hat sich solche Wörter nur ausgedacht? Respekt an diejenigen die den Wikipedia-Eintrag verstehen. Tatsächlich ist RAID 5 komplizierter als die anderen beiden. Wir sind auch nicht mehr bei 'mindestens 2 Festplatten', sondern hier brauchen wir mindestens 3 - oft sind es aber 5 Festplatten die man hier verwendet.

Ich erkläre es erst einfach, um es verständlich zu machen, dann mit etwas mehr Fachbegriffen.

Also: nehmen wir an wir haben diesmal unsere 3 Menschen (Platten), aber zum Verständnis lassen wir sie diesmal Zahlen schreiben. Einer schreibt eine "1" auf seinen zettel, der nächste eine "2" und der dritte - wer hätte es gedacht - eine "3". Vorneweg: Wir haben unsere Daten wieder blockweise verteilt, haben also den Vorteil von RAID 0, dass wir mehr Geschwindigkeit sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen haben. Allerdings werden unsere Daten nicht auf alle Festplatten aufgeteilt, sondern es wird eine frei gelassen. Wir wollten nie eine "3" schreiben, aber unser RAID macht das automatisch - das muss es auch. Ich wollte das ähnlich einer Rechenaufgabe aufbauen: 1 + 2 = 3. Fällt eine Festplatte nun aus hätten wir zum Beispiel 1 + x = 3 (x ist unsere ausgefallene Platte) - unser RAID kann die fehlenden Daten während der Laufzeit errechnen, es braucht die Platte nicht. Allerdings sollten wir sie trotzdem ersetzen, denn jetzt büßen wir massiv an Performance ein, unser PC rechnet sich zu tode - aber er funktioniert. Wir erleiden trotzdem einen kleinen Verlust an Kapazität.

Gehen wir nochmal genauer darauf ein: Die Daten die wir auf unsere Platten schreiben wollen werden auf alle Platten bis auf eine verteilt. Erst wenn diese geschrieben wurden ließt unser Controller die Daten aus und auf die übrige Platte wird dann die sogenannte Parität geschrieben - eine XOR-Veknüpfung der Daten die berechnet wird. Wichtig zu wissen: Diese Parität wird nicht immer auf dieselbe Platte geschrieben sondern es 'rotiert', wird also mit jedem neuen Block auf eine andere Platte geschrieben

RAID 6

Ist eher unbekannt, wird aber minimum in Baden Württemberg als Prüfungswissen vorrausgesetzt. Raid 6 wird eher seltener eingesetzt, meist von Systemen die super-mega-ultra-wichtig sind und unter keinen Umständen ausfallen dürfen. Der größte Vorteil ist, das nicht nur 1 sondern gleich 2 Festplatten gleichzeitig ausfallen dürfen ohne das System lahm zu legen. Minimum brauchen wir hier 4 Festplatten - 2 für unsere Daten und 2 die wir bei RAID 5 eine Parität schreiben. Wir haben also ein RAID 5, der einzige unterschied ist wir haben noch eine Parität. Und dadurch das wir hier wieder einen Bereich weg nehmen haben wir natürlich noch weniger frei verfügbaren Speicher als bei einem RAID 5. Wird ein RAID 6 aufgrund der Ausfallsicherheit eingesetzt wird oft dazu geraten Festplatten unterschiedlicher Hersteller oder Produktions-Daten zu nehmen um das Risiko von 2 gleichzeitig ausfallenden Festplatten weiter zu verrigern.

RAID 10

( Von Wheart, based on image File:RAID 0.svg by Cburnett - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6411865 )

Es wird wieder einfach. RAID 10 hat seinen Namen nicht einfach irgendwo her, es ist eine Kombination aus RAID 1 und RAID 0. Heißt wir nutzen jeweils immer 2 Platten im RAID 1 UND diese entstandenen RAIDs werden nochmal mit einem RAID 0 überbügelt. Dadurch haben wir sowohl eine Ausfallsicherheit, als auch eine höhere Geschwindigkeit. Aber: Es ist teuer. 4 Festplatten wovon ich nur die Hälfte an Speicher habe... lohnt sich eher selten.

Wichtig ist hier: Man braucht immer eine gerade anzahl Festplatten (mindestens 4, vorrausgesetzt keiner geht davon aus, dass 2 Festplatten zur exakt gleichen Zeit ausfallen), weil man auf der unteren Ebene ja immer erst 2 Platten spiegelt.

RAID 01

( Von Wheart, based on image File:RAID 0.svg by Cburnett - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6411849 )

Man kann es vielleicht schon vermuten... hier werden die Platen erst in mehrere RAID 0's aufgeteilt und dann wird ein RAID 1 drüber gebügelt. Manch einer stellt sich nun die Frage: Was ist der Unterschied zu RAID 10? Anhand des Bildes lässt sich kaum ein unterschied feststellen und egal wie man es dreht, man hat RAID 0 und 1 und beide Vorteile davon.

Der Unterschied wird sichtbar wenn wir die Anzahl der Platten verändern. Für ein RAID 10 brauchen wir nämlich mindestens 4 Festplatten (wie gesagt wir spiegeln sie ja auf der unteren Ebene erst), bei einem RAID 01 brauchen wir minimum... 3! Und anders als bei einem Raid 10 kann es hier schon Sinn machen die Raid 0 auf unterster Ebene auch mal mit 3 oder mehr Festplatten zu machen - aus Performancegründen.

( Von RAID_1.svg: en:User:C burnettderivative work: Nmoas (talk) - RAID_1.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11995780 )

Allerdings sind 3 Festplatten jetzt eine Ausnahme, ähnlich wie beim RAID 5 werden die Platten zusammengefügt und die Blöcke durchnummeriert. Jede ungerade Nummer bekommt Daten, jede gerade Block-Nummer nur eine Kopie des Blocks davor - alles wieder rotierend auf die Platten verteilt.

Sonstige Es gibt noch mehr RAIDs die aber eher unbekannt sind und selten vorkommen. Da diese im Praxisgebrauch Ausnahmen bilden gehe ich hier nicht weiter auf sie ein.

Die Berechnung des verfügbaren Speichers

Nehmen wir an wir haben 3 Festplatten mit jeweils 1TB:

RAID 0 ist einfach. Beim RAID 0 können wir alle 3 Platten benutzen, wir schreiben und lesen auf allen 3 gleichzeitig, haben nichts doppelt, können also die vollen 3 TB ausnutzen. Wir zählen also einfach alle 3 Platten zusammen.

RAID 1 ist ebenfalls einfach, allerdings macht es hier keinen Sinn 3 Platten als Beispiel zu haben (das würde jemand tun der davon ausgeht das 2 Platten zur exakt gleichen Zeit ausfallen). Nehmen wir also an wir haben 2. Wir spiegeln die Platten, haben also nur die Hälfte des Gesamtspeichers zur Verfügung - also nur die Kapazität einer Platte.

RAID 5 ist auch nicht sooo schwer. Mit ein wenig Hintergrundwissen und logischem Denken kriegen wir das hin. Was wir hier wissen müssen: Die Datenblöcke und die Parität haben immer dieselbe Größe. Ob ich nun (bei 5 Platten) meine Daten auf 4 verteile und die Parität auf die 5te Platte setze, oder ob ich (bei 3 Platten) meine Daten auf 2 verteile und die 3. Platte die Parität bekommt. Also trotz das die Parität immer auf einem anderen Laufwerk liegt können wir damit rechnen, dass wir immer 1 Platte als Speicherplatz für die Paritäten bei der Berechnung der Speicher-Kapaität abziehen müssen. Bei unseren 3 Festplatten macht das 2 TB, bei 5 Platten wären es 4TB. Besonders ist hier das wir prozentual mehr Speicher zur Verfügung haben, je mehr festplatten wir benutzen. Bei 3 Platten haben wir 66% Speicher frei zur Verfügung (2 von 3). Bei 4 sind es 75% (3 von 4) und bei 5 Festplatten 80% (4 von 5),...

RAID 6 ist nachdem wir uns mit RAID 5 herumgeschlagen haben wieder ähnlich. Statt immer 1 Festplatte mit Parität haben wir hier immer 2 Festplattend ie Paritäten beinhalten und uns dementsprechend nicht zur Speicherung der eigentlichen Daten zur Verfügung stehen. Also immer (Anzahl Festplatten - 2). Auch hier wieder: Je mehr Festplatten desto lohnenswerter ist der zur Verfügung stehende Speicherplatz.

RAID 10/01 sind ebenfalls einfach. Egal wieviele Platten wir haben, wir haben immer die Hälfte vom Gesamtspeicher - wir kopieren unsere Daten ja wieder.

Schlussendlich gibt es nur noch eine Anmerkung: Viele Server bieten ein sogenanntes Hot-Spare-Laufwerk. Zusätzlich zu den Platten die ihr für euer RAID braucht (für welches auch immer ihr euch entscheidet) wird hier noch eine Platte angeschlossen. Die macht erstmal gar nichts, sie hängt da halt, ganz ohne Daten.

Richtig konfiguriert sollte der Controller sobald eine Festplatte ausfällt sämtliche Daten der defekten Platte auf die spare(="ungenutzt")-Platte schreiben (deswegen haben wir ja einen RAID, die Daten lassen sich rekonstruieren, selbst wenn die ausgefallene Platte absolut kein lebenszeichen mehr von sich gibt). Fällt in dieser Zeit der 'rekonstruktion' eine der anderen Platten aus sind die Daten weg! (Ausnahme RAID 6) Hat man keine Spare-Platte muss man schnell handeln. Wird man darauf aufmerksam gemacht das eine Festplatte ausgefallen ist kann man diese entfernen (das geht meist auch im laufenden Betrieb) und eine neue Platte in den Server schieben, der Vorgang zur Rekonstruktion sollte automatisch erfolgen.

Fragen, Anregungen oder Ergänzungen? Immer her damit.