Überblick über RAIDs (Redundant Arrays of Inexpensive Disks)

In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen RAIDs (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) der Ebenen 0 bis 5 sowie der Unterstützungsumfang von Microsoft Windows NT Advanced Server besprochen. Darüber hinaus werden in diesem Artikel einige der Vor- und Nachteile der verschiedenen RAID-Konfigurationen erläutert.

Microsoft Windows NT Advanced Server unterstützt nur RAID 0, RAID 1 und RAID 5. Die Implementierungen der Fehlertoleranz und der Festplatten-Arrays können zwischen den Herstellern stark abweichen, obwohl sie im Allgemeinen auf der hier beschriebenen Struktur beruhen.

RAID 0
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.

RAID 1
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. Vor allem Novell NetWare integriert die Unterstützung für die Festplattenspiegelung.

RAID 2
RAID 2 verwendet zusätzliche Prüfatenträger, wobei die Datenbits über die Daten und Prüfatenträger 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
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
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.

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, werdden 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.

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