Festplatten-Striping (RAID 0)
Festplatten-Striping (Disk Striping oder RAID 0) ist der Prozess der Aufteilung eines Datenkörpers in Blöcke und der Verteilung der Datenblöcke auf mehrere Speichergeräte, wie zum Beispiel Festplatten oder Solid-State-Laufwerke (SSDs), in einer RAID-Gruppe. Ein Stripe besteht aus den Daten, die über den Satz von Festplatten oder SSDs verteilt sind, und eine Stripe-Einheit (striped unit) bezieht sich auf den Datenteil (data slice) auf einem einzelnen Laufwerk.
Da beim Striping die Daten auf mehrere physische Laufwerke verteilt werden, können mehrere Platten auf den Inhalt einer Datei zugreifen, wodurch Schreib- und Lesevorgänge schneller abgeschlossen werden können. Im Gegensatz zu anderen RAID-Levels hat RAID 0 jedoch keine Parität. Platten-Striping ohne Paritätsdaten hat keine Redundanz oder Fehlertoleranz. Das heißt, wenn ein Laufwerk ausfällt, gehen alle Daten auf diesem Laufwerk verloren.
Speichersysteme führen Platten-Striping auf unterschiedliche Weise durch. Ein System kann Daten auf Byte-, Block- oder Partitionsebene strippen, oder es kann Daten über alle oder einige der Platten in einem Cluster strippen. Beispielsweise kann ein Speichersystem mit zehn Festplatten einen 64-Kilobyte-Block (KB-Block) auf der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Platte strippen und dann auf der ersten Platte wieder von vorne beginnen. Ein anderes System könnte ein Megabyte (MB) an Daten auf jeder seiner zehn Platten strippen, bevor es zur ersten Platte zurückkehrt, um den Prozess zu wiederholen.
RAID 0 eignet sich am besten für Speicher, der unkritisch ist, aber schnelle Lese- und Schreibvorgänge erfordert. Das Caching von Live-Streaming-Videos und die Videobearbeitung sind aufgrund der benötigten Geschwindigkeit und Leistung gängige Anwendungen für RAID 0. Festplatten-Striping ohne Datenredundanz kann für temporäre Daten, zusätzlichen Speicherplatz oder in Situationen verwendet werden, in denen eine Master-Kopie der Daten leicht von einem anderen Speichergerät wiederhergestellt werden kann.
Einige RAID-Level verwenden Festplatten-Striping, um Daten auf mehrere physische Laufwerke zu verteilen und zu speichern. Disk Striping ist gleichbedeutend mit RAID 0 und verteilt die Daten über alle Plattenlaufwerke in einer RAID-Gruppe ohne Paritätsdaten.
Vor- und Nachteile
Der Hauptvorteil von RAID 0 und Disk Striping ist die verbesserte Leistung. Beispielsweise würde das Striping von Daten über drei Festplatten die dreifache Bandbreite eines einzelnen Laufwerks bieten. Wenn jedes Laufwerk mit 200 IOPS läuft, würde Disk Striping bis zu 600 IOPS für das Lesen und Schreiben von Daten zur Verfügung stellen.
RAID 0 vermeidet so genannte Overhead, da keine Paritätsdaten verwendet werden und die gesamte verfügbare Datenspeicherkapazität genutzt wird. RAID 0 ist nicht nur einfach zu implementieren, sondern hat auch die niedrigsten Kosten aller RAID-Level und wird von allen Hardware-Controllern unterstützt.
Der Nachteil von Disk Striping ist die geringe Belastbarkeit beziehungsweise der fehlende Datenschutz. RAID 0 verwendet keine Datenredundanz, so dass der Ausfall eines physischen Laufwerks im Striping-Plattensatz zum Verlust der Daten auf der Striping-Einheit und folglich zum Verlust des gesamten Datensatzes führt, der über den Satz von Striping-Festplatten gespeichert ist. Sie sollte nicht für geschäftskritische Daten verwendet werden.
Festplatten-Striping mit Parität
RAID 0 schreibt Daten ohne Parität, die in anderen RAID-Typen verwendet werden. Beispielsweise verwenden RAID 3 und RAID 4 eine dedizierte Paritätsfestplatte, während RAID 5 seine Paritätsinformationen über die Laufwerke verteilt. RAID 6 verwendet zwei Laufwerke für die Parität und schützt vor zwei Laufwerksausfällen. Der Datenschutz kann durch Erasure Coding über zwei Speichergeräteausfälle hinaus erweitert werden.
Platten-Striping mit RAID bietet Datenredundanz und -zuverlässigkeit. Paritätsdaten werden in der Regel mithilfe der binären Exklusivfunktion (XOR) berechnet, die auf einem physischen Laufwerk im RAID-Satz gespeichert ist. Wenn ein Speicherlaufwerk im Striping-RAID-Satz ausfällt, können die Daten von den verbleibenden Laufwerken und dem Paritäts-Stripe wiederhergestellt werden.
Bei einem Datensatz mit n Laufwerken könnten die Daten auf Laufwerken n bis n minus 1 gestriped werden, und das n-te Laufwerk wäre für die Parität reserviert. Bei einem RAID-Satz mit 10 Laufwerken könnten die Daten beispielsweise auf neun Laufwerke gestriped werden, und das zehnte Laufwerk würde für die Parität verwendet werden.
Ein Nachteil des Platten-Striping mit Parität ist die Leistungseinbuße bei kleinen zufälligen (Random) Schreibvorgängen, da das System auf alle Stripe-Einheiten im gestripten RAID-Satz zugreift.
Festplatten-Striping und Festplattenspiegelung
In einem RAID-Array werden durch Plattenspiegelung - auch als RAID 1 oder Disk Mirroring bekannt - Daten von einer Festplatte auf eine andere dupliziert. Dadurch wird eine Datenredundanz geschaffen, die bei einem Ausfall eines Arrays die Wiederherstellung erleichtert. Wie Striping bietet die Plattenspiegelung eine hohe Leistung. Die Spiegelung in RAID 1 hat auch den Vorteil, hohe Verfügbarkeit und schnelle Wiederherstellung zu bieten, kann jedoch nicht mit den schnellen Lese- und Schreibvorgängen von RAID 0 mithalten.
Wenn es eine gerade Anzahl von Festplattenlaufwerken gibt, kann Disk-Striping mit Plattenspiegelung kombiniert werden, um die Leistung zu beschleunigen und die Kapazität durch Striping von Daten über mehrere Sätze gespiegelter Laufwerke zu erweitern. Diese Kombination wird auch als RAID 10 oder RAID 1+0 bezeichnet.
Der Nachteil von Platten-Striping mit Spiegelung ist der 50-prozentige Overhead, der damit verbunden ist, dass die Hälfte der Kapazität genutzt wird, um eine exakte Kopie der zu schützenden Daten zu erstellen.
Im Vergleich: RAID 0, RAID 5, JBOD und SSDs
RAID 5 ist die am häufigsten verwendete Version von RAID und kann mit RAID 0 kombiniert oder als Alternative verwendet werden. RAID 5 bietet eine wirtschaftlichere Redundanz und verteilt Daten über die Festplatten, während die Parität abgelegt wird. Es bietet mehr nutzbaren Speicherplatz als RAID 1, hat aber den Nachteil einer verringerten Leistung aufgrund von Rebuilds.
Außerhalb anderer RAID-Level können Alternativen zum Festplatten-Striping JBOD (Just a Bunch Of Disks) und SSDs sein. Wie RAID 0 besteht JBOD aus mehreren physischen Laufwerken. Während die Laufwerke in RAID-Arrays eine ähnliche Kapazität aufweisen müssen, können die Laufwerke in JBOD-Arrays variieren.
Wie RAID 0 nutzt ein JBOD-Array die gesamte verfügbare Speicherkapazität und reserviert keine für Redundanz. Dies macht ein JBOD-Array zu einer kostengünstigen Alternative zu vielen RAID-Arrays. JBOD-Arrays erreichen jedoch nicht annähernd die Geschwindigkeit von RAID, wenn es um Lese- und Schreibvorgänge geht, insbesondere nicht die beschleunigten Lese- und Schreibvorgänge von RAID 0.
SSDs werden dank ihrer schnellen Geschwindigkeiten immer beliebter, da die Preise sinken. Von allen RAID-Leveln kommt RAID 0 den Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von SSDs am nächsten. Dank des Durchsatzes der RAID-Controller und der allgemeinen Verarbeitungsgeschwindigkeiten hat RAID 0 jedoch Einschränkungen. Obwohl näher als andere RAID-Konfigurationen, kann RAID 0 nicht die Geschwindigkeit und Leistung erreichen, die von einer SSD bereitgestellt wird.
Trotz dem die Kosten sinken, bleibt eine SSD jedoch noch deutlich teurer als ein wirtschaftliches RAID-Array, so dass die Entscheidung zwischen beiden letztlich auf der Priorisierung von Geschwindigkeit und Leistung gegenüber den Kosten beruht.
