Speichermedien

Wie funktionieren Speichermedien

Die in der Computerspeicherung verwendeten Medien empfangen Nachrichten in Form von Daten über Softwarebefehle von einem Hostsystem. Die Art des Mediums, das für die Speicherung der Daten benötigt wird, hängt vom geschäftlichen Wert der Daten, den geltenden Compliance-Vorschriften, den Leistungs- und Verfügbarkeitsanforderungen und anderen Faktoren ab.

Ein Speichermedium kann in einem Computer eingebaut sein, zum Beispiel die SSD eines Computers, oder ein Wechseldatenträger wie eine externe Festplatte oder ein USB-Flash-Laufwerk (Universal Serial Bus). Es gibt auch andere Arten von Speichermedien wie Magnetbänder, Compact Discs (CDs) und nichtflüchtiges Memory (NVM).

Der Speicher eines Unternehmens wird häufig in Primär- und Sekundärspeicher unterteilt. Ursprünglich bezog sich der Begriff Primärspeicher auf Daten, die im Arbeitsspeicher (Memory) für den schnellen Abruf durch den Prozessor eines Computers aufbewahrt werden, und der Begriff Sekundärspeicher auf Daten, die auf nichtflüchtigen Geräten wie SSDs und HDDs gespeichert sind.

In jüngerer Zeit wird unter Primärspeicher jede Art von Speicher verstanden, der die täglichen Arbeitslasten eines Unternehmens unterstützt. So werden beispielsweise HDDs, SSDs oder Storage-Class-Memory-Geräte (SCM), die Daten für unternehmenskritische Anwendungen speichern, als Primärspeicher betrachtet. Im Gegensatz dazu kann sich Sekundärspeicher auf so gut wie alles andere beziehen, einschließlich optischer Disks oder Bandsysteme, die eine langfristige Datenspeicherung unterstützen.

Bei Tiered Storage werden automatisierte Softwarerichtlinien verwendet, um Daten zwischen verschiedenen Speichertypen zu verschieben, zum Beispiel HDDs, SSDs und Cloud-Plattformen.

Der Begriff Speichermedium kann sich auf ein Speichergerät in seiner Gesamtheit oder auf eine einzelne Komponente beziehen, die in Verbindung mit einem anderen System verwendet wird oder Teil eines anderen Systems ist. So werden beispielsweise die internen Festplatten und SSDs in Computern gemeinhin als Speichermedien bezeichnet, ebenso wie CDs, aber das CD-Laufwerk selbst wird eher als Speichergerät oder -system denn als Speichermedium betrachtet.

In ähnlicher Weise ist ein Array ein komplettes Speichersystem, das aus einzelnen Speichermedien besteht. Ein Array wird häufig vom Anwendungsserver entkoppelt und an einen separaten Server angeschlossen, auf den über ein Netzwerk zugegriffen wird. Ein Array kann aus HDDs oder SSDs bestehen oder in einer hybriden Konfiguration eingerichtet werden, bei der HDDs und SSDs in einem integrierten System kombiniert werden, wobei HDDs eine Kapazitätsschicht bilden, die die schnelleren SSDs unterstützt.

Speichermedien können je nach den Anforderungen der Arbeitslast auf verschiedene Weise angeordnet werden. Einige bekannte Konfigurationen sind:

• Redundant Array of Independent Disks (RAID)
• Network-Attached Storage (NAS)
• Speicherbereichsnetzwerk (SAN)

Diese Konfigurationen schließen sich nicht gegenseitig aus. Ein SAN beispielsweise ordnet Speicher häufig in RAID-Konfigurationen an.

Verschiedene Typen von Speichermedien

Speichermdien gibt es in verschiedenen Arten, darunter sind einige hier aufgelistet.

Festplatte

Eine Festplatte (Hard Disk Drive, HDD) bietet eine Alternative mit hoher Kapazität zu magnetischen Speichermedien wir Tapes oder Diskette. Sie enthält Metallplatten (Platters), die mit einer magnetischen Schicht überzogen sind. Die Platters drehen sich normalerweise kontinuierlich, wenn ein Computer eingeschaltet ist, und speichern Daten in verschiedenen Sektoren auf der Magnetplatte.

Die Magnetplatte bleibt das vorherrschende Medium für Backup-Speichergeräte, aktive Archive und langfristige Aufbewahrung. Ein plattenbasiertes Sicherungsgerät umfasst Schnittstellen zur Replikation von Datenkopien, wie Kloneund Snapshots, auf tertiäre Geräte oder eine Hybrid Cloud.

Ein Nachteil von HDDs ist die Abhängigkeit von beweglichen internen Mechanismen wie Aktuatoren, Motoren und Spindeln, die ausfallen und das Laufwerk beschädigen können. Dennoch sind HDDs aufgrund ihrer zunehmenden Kapazitäten und der Möglichkeit, Daten auf der Festplatte immer wieder neu zu schreiben, in Festplatten-Arrays von Unternehmen weiterhin beliebt. Im Jahr 2017 führte Western Digital eine 14-TByte-Festplatte ein, die damit die größte zu dieser Zeit auf dem Markt war. Mittlerweile gibt es auch 16- und 20-TByte-Festplatten auf dem Markt. 

Einige HDDs verwenden als Alternative zur herkömmlichen magnetischen Aufzeichnung das Shingled Magnetic Recording (SMR). Die SMR-Methode ermöglicht eine größere Flächendichte, da die Daten auf teilweise überlappende Spuren auf der Platte geschrieben werden können. SMR-Laufwerke arbeiten optimal mit Daten, die kontinuierlich geschrieben werden, wie zum Beispiel bei der plattenbasierten Archivierung und Backups. 

RAID

Bei RAID werden die Daten auf mehreren Festplatten gespeichert und die Ein-/Ausgabevorgänge (E/A) auf diese Festplatten verteilt. RAID kann die Leistung, die Fehlertoleranz oder beides verbessern, je nach RAID-Konfiguration. Wenn RAID für Fehlertoleranz eingerichtet ist, sind die Daten geschützt, falls ein Laufwerk ausfällt. Durch die Verwendung mehrerer Festplatten erhöht sich auch die mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF).

Flash Memory

Flash-Speicher (Flash Memory) ist nicht von beweglichen mechanischen Teilen abhängig. Dadurch haben Flash-Geräte Geschwindigkeitsvorteile gegenüber herkömmlichen Platten. Im Flash-Speicher müssen Datenblöcke gelöscht werden, damit neue Daten geschrieben werden können.

Die beiden Haupttypen von Flash-Speichern sind NAND und NOR. Die Namen werden durch die jeweiligen Logikgatter definiert, die die grundlegende Architektur der digitalen Schaltungen bestimmen. 

NAND-Flash-Memory wird in Blöcken geschrieben und gelesen, während NOR-Flash-Speicher Bytes unabhängig voneinander lesen und schreiben. Beide Flash-Typen werden in der Unterhaltungselektronik und bestimmten Anwendungen in medizinischen und industriellen Anwendungsfällen eingesetzt. NAND-Flash ist für eine höhere Dichte und höhere Beständigkeit als NOR bekannt, so dass es sich für Unternehmen zur Verwendung in Massenspeichern eignet. NOR dient häufig als Ersatz für Laufwerke mit RAM und Read Only Memory (ROM).

SSDs, die auf NAND-Flash basieren, werden häufig nach der Anzahl der von jeder Flash-Zelle unterstützten Bits kategorisiert. Single-Level Cell (SLC) NAND speichert ein Datenbit pro Flash-Zelle, die sich entweder in einem programmierten (0) oder gelöschten (1) Zustand befindet. Multi-Level Cell (MLC) NAND speichert zwei Datenbits pro Flash-Zelle, Triple-Level Cell (TLC) speichert drei Datenbits pro Zelle und Quad-Level Cell (QLC) speichert vier Bits. Die Hersteller arbeiten derzeit an Penta-Level Cell Flash (PLC), bei dem fünf Bits pro Zelle gespeichert werden. 

Flash Storage Memory wird zwischen Verbrauchergeräten und Unternehmensspeicher aufgeteilt, wobei es einige Überschneidungen gibt. Die NAND-Flash-Geräte für Unternehmen sind so verbessert worden, dass sie mehr Schreibzyklen unterstützen als Speicher für Verbraucher. Smartphones, Tablets und andere Endverbrauchergeräte verwenden Speicherkarten, die sich in Kapazität und Preis unterscheiden.

Solid State Drive (SSD)

Unternehmen nutzen heute Flash-basierte SSDs in großem Umfang sowohl für netzwerkbasierten Speicher – wie NAS und SAN – als auch für direkt angeschlossenen Speicher (DAS), der extern an einen Computer angeschlossen oder direkt in das System eingebettet werden kann. Direkt angeschlossene SSDs werden manchmal als Alternative oder Ergänzung zu vernetzten Speicher-Arrays verwendet. 

Interne SSDs gibt es in verschiedenen Formfaktoren, darunter:

• Add-in-Karten, die einen seriellen PCIe-Anschluss (PCIe) verwenden.
• Disk-on-Module-Flash-Boot-Laufwerke, die an das Motherboard eines Computers angeschlossen werden.
• Flash-basierte Duale Inline Memory Modules (DIMMs) die in DRAM-Steckplätzen (Dynamic Random Access Memory) auf der Hauptplatine untergebracht sind und einen leistungsfähigen Cache bereitstellen.
• MiniSATA-Laufwerke und 2-SSDs, die in dünnen Laptops verwendet werden.
• Storage Class Memory (SCM), einschließlich nichtflüchtiger DIMMs mit DRAM als adressierbarem Speicher und Flash als Backup-Medium. Die vom Markt genommene 3D-XPoint-Technologie ist ein Beispiel für SCM.

SSDs wurden ursprünglich entwickelt, um die Vorteile der bestehenden Serial-Attached SCSI (SAS)- und Serial-Advanced Technology Attachment (SATA)-Protokolle zu nutzen, aber zahlreiche SSDs verwenden nun NVMe.

Das NVMe (Nonvolatile Memory Express)-Protokoll nutzt PCIe-Ports in einem Computer, um einer Anwendung die direkte Kommunikation mit einem Datenspeichergerät zu ermöglichen. PCIe-basierte NVMe-SSDs zielen darauf ab, Latenzzeiten zu reduzieren und den Durchsatz zu erhöhen. Der Erfolg von NVMe führte zur Entwicklung von Non-volatile Memory Express over Fabrics (NVMe-oF). NVMe-oF ermöglicht die Verwendung von NVMe-Befehlen zur Datenübertragung zwischen einem Host und einem Flash-Speichergerät über eine Ethernet-, Fibre Channel- oder InfiniBand-Verbindung.

USB-Laufwerke

USB-Flash-Laufwerke (auch USB-Sticks genannt) sind Speichermedien, die nicht ständig mit Netzwerkservern oder dem Internet verbunden sind. Ein USB-Flash-Laufwerk wird nur selten ständig mit einem Gerät verbunden, was es weniger anfällig für Trojanische Pferde, Viren oder Würmer macht.

Der Begriff USB-Flash-Laufwerk bezieht sich auf das Gerät in seiner Gesamtheit, einschließlich des USB-Anschlusses, während das Speichermedium der interne Flash-Chip ist. USB-Flash-Laufwerke können unterschiedlich groß sein, haben aber in der Regel etwa die Größe eines Daumens und ein ähnliches Design wie SSDs, nur in kleinerem Maßstab. USB-Flash-Laufwerke werden an Geräte angeschlossen, indem sie in kompatible USB-Anschlüsse gesteckt werden, und ermöglichen so die schnelle Übertragung oder das Kopieren von Daten. Die Laufwerke werden auch als Memory Sticks, Keychain Drives, Thumb Drives und Jump Drives bezeichnet.

Obwohl USB-Laufwerke von Verbrauchern aufgrund ihrer Bequemlichkeit häufig verwendet werden, kann diese einfache Nutzung für Unternehmen ein Sicherheitsrisiko darstellen. Aus Sicherheitsgründen verbieten viele Unternehmen ihren Mitarbeitern die Verwendung privater USB-Laufwerke am Arbeitsplatz, es sei denn, sie sind ausdrücklich dazu befugt.

Andere austauschbare Flash-Speichermedien sind die Secure Digital Card (SD-Karte), die microSD-Karte, die Secure Digital High Capacity-Karte (SDHC-Karte), die CompactFlash-Karte, die SmartMedia-Karte, der Sony Memory Stick, die MultiMediaCard (MMC) und die xD-Picture Card, die alle hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik zu finden sind.

Optische Disks

Die Technologie der optischen Disk verwendet Laser zum einmaligen Schreiben und zum vielfachen Lesen (Write Once Read Many, WORM-)Daten. Bei ihrer Einführung konnten optische Discs mehr Daten speichern als magnetische Festplatten, aber das hat sich inzwischen geändert, und optische Discs werden jetzt hauptsächlich für vorbespielte Audio- und Videoaufnahmen oder für Sicherungs- und Archivierungszwecke verwendet. Zu den Arten von optischen Speichermedien gehören Blu-ray-Discs, DVDs, CDs und CD-ROMs (für schreibgeschützte Daten).

Band (Tape)

Bis in die 1990er Jahre war das Band ein dominierendes Speichermedium für die Datensicherung, wurde aber nach und nach von der Magnetplatte verdrängt. Dennoch werden Bandsysteme immer noch häufig für die Archivierung von Datenmit hoher Kapazität verwendet und haben sich in Bezug auf Dichte und Ausdauer weiter verbessert, was vor allem auf die Fortschritte beim Linear Tape-Open (LTO)-Format zurückzuführen ist. LTO-9 erhöht die Kapazität pro Band auf 45 TB komprimierte Daten und 18 TB native (unkomprimierte) Daten.

Bandbibliotheken bestehen aus Hunderten von physischen Bändern. Das System, das eine Bandbibliothek unterstützt, ermöglicht es den Benutzern, Bänder hinzuzufügen oder zu entfernen, den Standort eines Bandes zu verfolgen und Mount-Punkte für den Zugriff auf die Daten auf dem Band festzulegen.

Einige Unternehmen setzen für die Datensicherung auf virtuelle Bandbibliotheksysteme. Bei dieser Art von System wird der Sicherungssoftware ein Array von physischen Festplatten als Band präsentiert. Die Daten werden wie bei einem Band sequentiell geschrieben, aber die Lese- und Schreibvorgänge sind schneller, da die Daten von Magnetplatten abgerufen werden.