RAID - Übersicht

RAID 0 umfasst ein Festplatten-Array, das Stripesets ohne Laufwerkredundanz implementiert. Es bietet keine Fehlertoleranz und ist weniger zuverlässig als die Implementierung eines einzelnen Laufwerks; der einzige Vorteil liegt in der Geschwindigkeit. RAID 0 eignet sich für bestimmte Anwendungen, wie z.B. in der wissenschaftlichen Analyse oder Bildwiedergabe, bei denen eine gesenkte Systemzuverlässigkeit akzeptabel ist. Einen Nachteil hat jedoch dieser Raid-Level: Fällt eine Platte aus, sind alle Daten verloren. Sie können auch nicht mehr die Daten von der funktionierenden Festplatte lesen, da die Daten ja in Stripes auf die beiden Datenträger verteilt wurden und jede Festplatte nur die Hälfte eines Dateipakets besitzt.



RAID 1 ist die Festplattenspiegelung. Zwei Festplatten speichern identische Informationen, somit ist die eine Festplatte ein Spiegelbild der anderen. Bei jedem Laufwerkvorgang muss das System dieselben Daten auf beide Festplatten schreiben. Da die Systemleistung durch den doppelten Schreibaufwand reduziert werden kann, wird oftmals auf das Duplizieren zurückgegriffen, wobei jedes der gespiegelten Laufwerke über einen eigenen Hostadapter verfügt. Obwohl durch die Spiegelung eine hohe Fehlertoleranz geboten wird, ist die Implementierung dieses Ansatzes relativ teuer, da nur die Hälfte des verfügbaren Speicherplatzes für die Speicherung verwendet werden kann, während die andere Hälfte für den Spiegelsatz vorbehalten bleibt.


JBOD (Just a bunch of disk)
Eigentlich ist JBOD kein reiner RAID-Level im üblichen Sinne. Bei JBOD werden die unterschiedlichen Kapazitäten der angeschlossenen Festplatten addiert und die Platten der Reihe nach beschrieben. Dadurch erhält man keine Leistungssteigerung beim Schreib-Lesezugriff. JBOD bringt weder Vorteile in der Performance noch in der Datensicherheit mit sich. Der einzige Unterschied liegt darin, dass beispielsweise drei Festplatten im Explorer nicht als drei verschiedene Laufwerke angezeigt, sondern als ein einziges Laufwerk. Dies könnte zum Beispiel dann von Vorteil sein, wenn man auf seinem Rechner keine Daten speichert, sondern nur Software installiert. Hätte man jetzt drei verschiedene Laufwerke und die erste Festplatte wäre voll, so müsste man die anderen Anwendungen nun irgendwo anders auf der Festplatte installieren. Mit JBOD hat man die drei Festplatten zu einer kombiniert, so dass man die Software-Installationen in einen einzigen Ordner tätigen kann, ohne dass die Festplatte voll wird.


RAID 2 verwendet zusätzliche Prüfdatenträger, wobei die Datenbits über die Daten und Prüfdatenträger verteilt sind. Die Daten umfassen einen interleavten Hamming-Code, der zur Erkennung und Behebung von Einzelbitfehlern sowie zur Erkennung von Doppelbitfehlern verwendet werden kann. Aufgrund der Datenmenge, die für die Prüfbits benötigt werden, sind mehrere Prüfdatenträger zur Implementierung von RAID 2 notwendig. Diese Ebene eignet sich optimal zum Lesen und Schreiben großer Datenblöcke bei hohen Datenübertragungsraten, doch Lesevorgänge kleinerer Datenblöcke sind ineffizient. Lese-, Änderungs- und Schreibvorgänge, die bei Schreibvorgängen kleiner Datenblöcke notwendig sind, führen ebenfalls zu einer verminderten Systemleistung. RAID 2 eignet sich im Allgemeinen nicht für kleine Systeme und steht unter Microsoft Windows NT Advanced Server nicht zur Verfügung.


RAID 3 verwendet einen einzelnen redundanten Prüfdatenträger (wird manchmal auch als Paritätsdatenträger bezeichnet). Daten, die auf das Festplatten-Array von RAID 3 geschrieben werden, sind in Bits aufgeteilt und auf den Datenträgern verteilt. Der Prüfdatenträger erhält das XOR (ausschließendes ODER) aller Datenwerte auf den Datenträgern. Da Datenübertragungen auf und von einzelnen Datenträgern nur mehrfach in der Sektoreinheiten vorkommen, entspricht die Mindestdatenmenge, die auf das RAID 3-Festplatten-Array geschrieben oder darauf gelesen werden kann, der Anzahl der Datenträger, multipliziert mit der Anzahl der Byte pro Sektor (dies wird als Übertragungseinheit bezeichnet). Diese Option steht unter Microsoft Windows NT Advanced Server nicht zur Verfügung.


RAID 4 bietet eine Festplatten-Arrayarchitektur, die besser an Anwendungen für die Transaktionsverarbeitung angepasst ist als RAID 3. RAID 4 führt das Aufteilen der Daten auf den Datenträgern nach Blocks oder Sektoren aus, während RAID 3 die Aufteilung in Bits vornimmt. Somit wird bei RAID 4 ein vollständiger Sektor auf einen Datenträger geschrieben, dann wird einer weiterer Sektor auf den nächsten Datenträger geschrieben usw. Durch diese Technik können mehrere zusammenhangslose Sektoren gleichzeitig gelesen werden; sie eignet sich somit besonders für kurze Lesevorgänge, bei denen nur auf einen einzelnen Datenträger im Array zugegriffen werden muss. RAID 4 reserviert einen vollständigen Datenträger für die Speicherung von Kontrolldaten, wodurch Daten von einem fehlerhaften Datenträger problemlos wiederhergestellt werden können. Obwohl bei diesem Ansatz mehrere Lesevorgänge gleichzeitig möglich sind (bei mehreren Sektoren von unterschiedlichen Datenträgern) tritt bei Schreibvorgängen ein Engpass auf. Da bei jedem Schreibvorgang auch Daten auf den Prüfdatenträger geschrieben werden müssen, kann nur jeweils ein Schreibvorgang zur gleichen Zeit stattfinden. Diese Option steht unter Microsoft Windows NT Advanced Server nicht zur Verfügung.


RAID 5
Im Gegensatz zu RAID 4, das einen einzelnen physischen Datenträger für Kontrolldaten reserviert, behält RAID 5 das Äquivalent eines gesamten Datenträgers für die Speicherung der Kontrolldaten vor, verteilt die Daten jedoch über alle Datenträger in der Gruppe. So kann z.B. Sektor 1 von Datenträger 5 für die Kontrolldaten für Sektor 1 der restlichen Datenträger usw. vorbehalten sein. Da die Kontrolldaten einfach das XOR aller Schreibdatenwerte für den entsprechenden Sektor auf den einzelnen Datenträgern sind (so lange die Werte der alten Sektordaten und der alten Kontrolldaten bekannt sind), können die neuen Kontrolldaten für einen einzelnen Sektorschreibvorgang berechnet werden, ohne dass die entsprechenden Sektoren von den anderen Datenträgern gelesen werden müssen.

Somit sind nur zwei Datenträger an einem einzelnen Sektorschreibvorgang beteiligt: der Zieldatenträger und der entsprechende Datenträger, der die Kontrolldaten für diesen Sektor enthält. Das ist das Gegenteil der Implementierung von RAID 3, bei der alle Datenträger in einer Gruppe gelesen müssen oder darauf geschrieben werden muss, wenn ein einzelner Schreibvorgang im Sektor stattfindet. Der primäre Nutzen des RAID 5-Ansatzes der verteilten Kontrolldaten liegt darin, dass Schreibvorgänge gleichzeitig stattfinden können. Es können auch mehrere Lesevorgänge gleichzeitig stattfinden, und die Verarbeitung kleiner Datenmengen ist effizient. Diese Option eignet sich vor allem, wenn die Fehlertoleranz in Microsoft Windows NT Advanced Server eingerichtet wird.


RAID 1.5
Eine intelligente Lösung wie man mit zwei Festplatten eine 100%ige Datensicherheit eines RAID 1 mit einer teilweise gesteigerten Performance verbinden kann stellt der RAID 1.5 dar. Entwickelt wurde der RAID 1.5 von der Firma Highpoint.
Für Raid 1.5 benötigen Sie zwei identische Festplatten, die wie im Raid 1 untereinander gespiegelt werden. So steht nach dem Anlegen eines Raid 1.5 nur die Kapazität einer Festplatte zur Verfügung. Bei einem Plattenausfall sind die Daten immer noch von der zweiten Platte nutzbar. Man hat beim RAID 1.5 die gewohnte Datensicherung, die man vom RAID 1 gewohnt ist.
Wenn man zwei Festplatten zu einem Raid zusammenschließen möchte, so muss man sich  normalerweise zwischen einem RAID 0 (bessere Performance) oder einem RAID 1 (Datensicherung) entscheiden. Möchte man beides nicht missen, so hat man lediglich die Wahl zu einem teuren Raid 10, welches mit mindestens vier Festplatten teuere zu buche stehen. Beim RAID 1.5 kann man zumindest die Leseperformance enorm steigern, die Schreibgeschwindigkeit bleibt auf dem gewohnten Niveau.
Das Prinzip ist ganz einfach. Die Daten werden wie gewohnt erst auf die Festplatte 1 geschrieben und anschließend auf die Festplatte 2 gespiegelt. Die Schreibperformance kann dementsprechend nicht gesteigert werden.  Beim Lesen der Daten arbeiten nun beide Festplatten, so dass die Lesegeschwindigkeit um 100% gesteigert werden kann.


RAID 10 (RAID 0+1)
Wer Schnelligkeit und Datensicherheit zugleich braucht, greift auf den RAID-Level 0+1 zurück. Manchmal wird dieser RAID-Level auch Raid 10 genannt. Hierbei werden die Performancevorteile von RAID 0 mit der Datensicherheit von RAID 1 kombiniert. Um den RAID 10 nun und Betrieb zu nehmen, benötigt man mindestens vier Festplatten, welche alle die gleiche Kapazität aufweisen. Auch hier empfiehlt es sich wieder, alle Festplatten des gleichen Herstellers und Modells zu nehmen, um eventuelle Inkompatibilitäten vorzubeugen.
In einem RAID 10 (RAID 0 +1 ) laufen zwei Festplatten im RAID-0-Modus, wo die zu schreibenden und zu lesenden Daten auf beide Festplatten in den so genannten Stripes aufgeteilt werden. So ist der erste Teil, nämlich der Teil der Performancesteigerung erfüllt. Um nun die 100%ige Datensicherheit zu garantieren, werden die beiden ersten Festplatten auf die Festplatten 3 und 4 gespiegelt. Fällt nun eine der vier Festplatten aus, sind trotzdem alle Daten lesbar und man kann das System weiterhin benutzen.
Theoretisch können sogar zwei Festplatten ausfallen. Es sollte nur nicht passieren, dass zwei Festplatten mit den gleichen Daten einen defekt erleiden, denn dann sind wirklich alle Daten gelöscht. Beispielsweise dürfte hier in der Zeichnung nicht die Festplatte 2 und 4 ausfallen, da die Festplatte 4 die Spiegelung von Festplatte 2 ist und somit die gleichen Daten besitzt. Wenn aber nun Festplatte 2 und 3 ausfallen, so stellt dies kein Problem dar, da die Kombination der Festplatten 1 und 4 die Daten liefern kann.
RAID 10 ist sehr kostspielig, da man mindestens vier Festplatten benötigt und letztendlich nur die Kapazität zweier Festplatten nutzen kann. Hat man nun vier 200 GB Festplatten, die eine Gesamtkapazität von 800 GB vorweisen, zu einem RAID 10 zusammengeschlossen, so kann der Anwender letztendlich nur 400 GB nutzen.
RAID 10 eignet sich daher für Anwender, die nicht auf die bewährte Datensicherheit des RAID 1 und zugleich nicht auf die enorme Leistungssteigerung eines RAID 0 verzichten können.


WIEDERHERSTELLEN VON DATEN IN RAID 3, RAID 4 UND RAID 5
Die Architekturen der Festplatten-Arrays von RAID 3, RAID 4 und RAID 5 ermöglichen das Wiederherstellen von Daten. Wenn Daten auf mehrere Datenträger geschrieben werden, werden das XOR oder alle Datenwerte auf den Prüfdatenträger geschrieben. Bei einem Fehler eines Datenträger können die fehlenden Daten auf diesem Datenträger ermittelt (wiederhergestellt) werden, indem das XOR der Datenwerte von den restlichen Datenträgern und aus dem Prüfdatenträger genommen wird. Dieser Vorgang kann entweder in der Systemsoftware oder dem Hostadapter implementiert werden.