Festplatten-Striping (RAID 0)
Was ist Festplatten-Striping (RAID 0)?
Festplatten-Striping ist ein Datensicherungsprozess, der auch als RAID 0 bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren werden die Daten eines Datensatzes in Blöcke zerlegt. Diese Datenblöcke werden dann auf verschiedene Speichermedien verteilt, beispielsweise auf mehrere Festplatten oder SSDs in einem System. Dieser Verbund wird als RAID-Gruppe bezeichnet. Ein so genannter Stripe ist der Datensatz, der auf den Medien verteilt ist, und eine Stripe-Einheit (Striped Unit) den einzelnen Datenteil (Data Slice), der auf einem einzelnen Laufwerk gespeichert wurde.
Funktionsweise von RAID 0
Beim Striping können multiple Disks auf die Dateiinhalte zugreifen, da sie auf mehreren Laufwerken verteilt sind. Dies ermöglicht schnellere Schreib- und Lesevorgänge. RAID 0 bietet jedoch keine Parität und verfügt somit nicht über Redundanz und Fehlertoleranz wie andere RAID-Level, beispielsweise RAID 10. Dies bedeutet, dass bei einem Laufwerksausfall alle Daten verloren gehen.
Das Striping kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: auf Byte- Block- oder Paritätsebene. So kann zum Beispiel ein Storage-System mit zehn Festplatten einen 64-KByte-Block über die ersten fünf Laufwerke verteilen und dann mit dem nächsten Schreibvorgang wieder auf der ersten Festplatte beginnen. In einem anderen System werden für RAID-Gruppe die Daten auf allen zehn Laufwerken gespeichert, bevor der nächste Datensatz dann genauso verteilt wird.
RAID 0 eignet sich nicht für kritische Daten, aber umso mehr für Daten, die schnell geschrieben und gelesen werden müssen. Ein Beispiel hierfür sind das Caching für Live Streaming oder Videobearbeitung. In Konfigurationen, in denen eine Master-Kopie von einem anderen Speichergerät schnell wiederhergestellt werden kann, ist der Einsatz von Festplatten-Striping ohne Datenredundanz für temporäre Daten möglich.
Andere RAID-Level verwenden Striping als Teil ihres Datensicherungsverfahrens, beispielsweise RAID 10.
Die Vor- und Nachteile von RAID 0
Der größte Vorteil des Stripings ist die höhere Leistung als bei anderen RAID-Leveln. 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.
Da keine Paritätsdaten vorliegen und die gesamte Speicherkapazität bereitsteht, gibt es keinen Overhead. RAID 0 wird von allen RAID-Controllern unterstützt und ist zudem günstig und einfach zu installieren.
Striping mit Parität
Wie erwähnt, verwenden andere RAID-Level Paritätsdaten. RAID 3 und 4 zum Beispiel nutzen eine dedizierte Disk für die Paritätsdaten, wohingegen RAID 5 die Paritätsdaten über alle verfügbaren Laufwerke verteilt. In einer RAID-6-Konfiguration kommen sogar zwei Laufwerke für die Parität zum Einsatz. In einer solchen Installation können zwei Festplatten ausfallen, ohne das Datenverlust entsteht. Mit Erasure Coding kann die Data Protection zusätzlich optimiert und der Ausfall mehrerer Medien abgesichert werden.
Striping mit Parität und/oder Spiegelung (Mirroring) sorgt für Datenredundanz und -zuverlässigkeit. Die Paritätsdaten werden mit der XOR-Funktion berechnet, die im RAID-Satz auf dem physischen Laufwerk 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 Stripings sind mögliche Leistungseinbußen bei zufälligen (Random) kleinen Schreibprozessen, da das System auf alle Stripe-Einheiten im gestripten RAID-Satz zugreift.
Mirroring und Striping
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 Arraysdie 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.
Striping und Mirroring können kombiniert werden, wenn die Festplatten in gerader Anzahl vorhanden sind. Dadurch lässt sich die Leistung erhöhen und die Speicherkapazität durch das Striping über gespiegelte Laufwerke erweitern. Diese Konfiguration wird als RAID 10 oder RAID 1+0 bezeichnet.
Der Nachteil der Striping-Spiegelung-Kombination ist der 50-prozentige Overhead bei der Speicherkapazität. Die Hälfte des Speicherplatzes wird für die redundanten Kopien genutzt.
RAID 0, RAID 5, JBOD und SSDs im Vergleich
Der meistgenutzte RAID-Level ist RAID 5, der sich mit RAID 0 kombinieren oder als dessen Alternative einsetzen lässt. RAID 5 offeriert effizientere Redundanz und verteilt Daten über die Laufwerke, während die Parität abgelegt wird. Es bietet zudem 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 haben sich seit langem in Storage-Systemen etabliert. 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.
