Hybrid-RAID-Typen Erklärt: RAID 10, 50 und 60

RAID 10 (RAID 1+0): Stripe aus Spiegeln

RAID 10 ist nach wie vor die am weitesten verbreitete Hybridkonfiguration in Produktionsrechenzentren. Speichertechniker greifen standardmäßig auf diese Architektur zurück, da sie eine hohe Redundanz bietet, ohne die Ein- und Ausgabegeschwindigkeiten zu drosseln. Im Gegensatz zu paritätsbasierten Arrays verzichtet sie vollständig auf die mathematische Erzeugung von Parität.

So funktioniert RAID 10

Bei RAID 10 bildet der Verantwortliche zuerst gespiegelte Paare und streift diese Paare anschließend zusammen. Wenn ein Server eine Datei überträgt, teilt der Verantwortliche diese in gleichmäßige Blöcke auf, die als „Stripes“ bezeichnet werden. Die Stripe-Größe bestimmt die genaue Datenmenge, die auf eine einzelne Festplatte geschrieben wird, bevor der Verantwortliche zur nächsten Ebene wechselt (es wird dringend empfohlen, die Stripe-Größe auf beiden Ebenen zu dokumentieren, um spätere Diagnosen zu erleichtern).

Nach der Aufteilung verteilt die Hardware diese Blöcke mithilfe der Standard RAID-0 Logik auf die obere Ebene. Gleichzeitig dupliziert die untere RAID-1 Ebene jeden Block. Jeder Schreibbefehl erreicht beide Laufwerke eines Spiegelpaares gleichzeitig, und da der Verantwortliche niemals Parität berechnet, bleibt die Schreibleistung außergewöhnlich hoch. Lesevorgänge sind ebenso schnell.

RAID 10 zeigt insbesondere bei Hardwareausfällen eine hervorragende Leistung. Wenn eine Festplatte ausfällt, greift der Wiederherstellungsprozess ausschließlich auf den intakten Spiegelpartner dieses Laufwerks zurück, während die anderen intakten Paare unberührt bleiben. Das intakte Laufwerk kopiert identische Sektoren direkt auf die Ersatzfestplatte. Da es sich bei diesem Vorgang um eine direkte Kopie und nicht um eine Berechnung handelt, ist die Wiederherstellung bei RAID 10 in einem Bruchteil der Zeit abgeschlossen, die paritätsbasierte Konfigurationen benötigen.

Mindestanzahl an Laufwerken und nutzbare Kapazität

RAID 10 erfordert mindestens vier physische Laufwerke. Unabhängig davon, wie viele Festplatten später hinzugefügt werden, bleibt die nutzbare Kapazität auf die Hälfte der Bruttokapazität festgelegt. Acht 10-Terabyte-Laufwerke bieten beispielsweise 80 Terabyte Bruttospeicher, jedoch nur 40 Terabyte nutzbaren Speicher, sobald sie vom Betriebssystem eingebunden sind.

Dieser Verlust der Hälfte der Bruttokapazität ist der strukturelle Preis für die Aufrechterhaltung einer vollständigen Spiegelung als Grundlage des Arrays. Im Gegenzug kann ein auf diesem Rahmen aufgebautes Array mehrere gleichzeitige RAID-Ausfälle überstehen, vorausgesetzt, diese Ausfälle treten nicht innerhalb desselben Spiegelpaares auf. Bei Ausfall eines einzelnen Laufwerks bleibt das Array vollständig redundant und betriebsfähig.

In dieser Konfiguration ist die Größe der Laufwerke ebenso wichtig wie die Anzahl der Laufwerke. Es wird dringend empfohlen, die Laufwerkgrößen innerhalb jedes Spiegelpaares aufeinander abzustimmen, da eine Mischung unterschiedlicher Kapazitäten innerhalb eines Paares dazu führt, dass das kleinere Laufwerk die Obergrenze für dieses Paar festlegt. Der Verantwortliche verwirft den restlichen Speicherplatz auf dem größeren Laufwerk dauerhaft, und nicht aufeinander abgestimmte Paare können zudem die Planung für die Datenrettung nach einem RAID-Ausfall erschweren.

RAID 50 (RAID 5+0)

Die Skalierung eines vollständig gespiegelten Arrays wird für den Schutz großer Unternehmensspeichersysteme wirtschaftlich unrentabel. RAID 10 ist mit einem festen Kapazitätsverlust in Höhe der Hälfte der gesamten Rohkapazität verbunden, und bei Hunderten von Terabyte werden diese Kosten erheblich. Ein einzelnes großes RAID-5-Array birgt stattdessen ein eigenes Risiko. Mit steigender Anzahl der Laufwerke verlängert sich das Wiederherstellungsfenster, und die Wahrscheinlichkeit eines zweiten Ausfalls während dieses Zeitraums steigt. RAID 50 löst beide Probleme, indem es verteilte Parität mit Striping auf Blockebene über unabhängige Gruppen hinweg kombiniert.

So funktioniert RAID 50

Der Verantwortliche organisiert die Laufwerke in mehrere unabhängige RAID-5-Untergruppen, von denen jede mindestens drei Laufwerke erfordert. Anschließend verteilt er die Daten mithilfe von RAID 0 auf der äußeren Ebene über alle Untergruppen. Die Schreibleistung verbessert sich gegenüber einem reinen RAID-5-Array, da die Paritätsberechnungen auf kleinere, isolierte Gruppen verteilt werden, anstatt über den gesamten Laufwerkssatz berechnet zu werden. Jede Untergruppe verfügt über ausreichende Parität, um einen einzelnen internen Laufwerksausfall eigenständig zu überstehen. Ein Wiederherstellungsvorgang nach einem einzelnen Ausfall betrifft nur die Untergruppe, die dieses Laufwerk enthält. Die restlichen Untergruppen arbeiten normal weiter und werden während des Wiederherstellungsvorgangs nicht gelesen.

Kapazität und die richtige Berechnung

Bei einem RAID-50-Array mit sechs Laufwerken werden die Laufwerke in zwei RAID-5-Untergruppen mit jeweils drei Laufwerken aufgeteilt. In jeder Untergruppe wird der Speicherplatz eines Laufwerks für die Parität beansprucht, sodass pro Gruppe zwei Laufwerke für Daten zur Verfügung stehen – insgesamt vier der sechs Laufwerke.

Das gleiche Prinzip gilt auch in größerem Maßstab. Bei einem Array mit acht Laufwerken, das in zwei Gruppen zu je vier Laufwerken angeordnet ist, wird pro Gruppe ein Laufwerk für die Parität reserviert, sodass sechs Laufwerke nutzbar bleiben. Bei zwölf Laufwerken, die in zwei Gruppen zu je sechs angeordnet sind, steigt die Anzahl der nutzbaren Laufwerke auf zehn, da jede größere Gruppe unabhängig von der Anzahl der daneben befindlichen Datenlaufwerke nur ein Laufwerk für die Parität opfert.

Der Kompromiss hinter diesem verbesserten Verhältnis ist die Wiederherstellungszeit. Größere Untergruppen verlängern die für eine Wiederherstellung benötigte Zeit und vergrößern damit das Zeitfenster, in dem ein zweiter Ausfall innerhalb derselben Untergruppe nicht mehr behebbar wäre.

Wiederherstellungszeit und die Argumente für RAID 50 gegenüber einem einfachen RAID 5

Ein Standard-RAID-5-Wiederherstellungsvorgang bei einem großen Array stellt das gefährlichste Betriebsfenster im Speichermanagement dar. Ein einzelnes mechanisches 16-TB-Laufwerk weist unter normalen Bedingungen eine anhaltende sequenzielle Lesegeschwindigkeit von etwa 200 bis 250 MB/s auf. Die Wiederherstellung dieses Laufwerks erfordert das Auslesen und Neuberechnen von Daten auf jedem anderen Laufwerk im Array. Bei 250 MB/s dauert das Durchsuchen einer Oberfläche von 16 TB etwa 18 Stunden.

Während dieses Zeitfensters sind alle restlichen Laufwerke im Array einer erhöhten thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Sollte während dieses Zeitraums ein zweites Laufwerk derselben Untergruppe ausfallen, bricht die Untergruppe zusammen. Die Daten sind dann ohne das Eingreifen von Spezialisten nicht mehr wiederherstellbar.

RAID 50 begrenzt dieses Risiko, da jede Untergruppe unabhängig wiederhergestellt wird. Bei der Wiederherstellung werden nur die Laufwerke der betroffenen Untergruppe gelesen. Die anderen Untergruppen sind davon nicht betroffen.

RAID 60 (RAID 6+0)

RAID 60 nutzt dieselbe architektonische Logik wie RAID 50, ersetzt jedoch RAID 5 in der inneren Ebene durch RAID 6. Der Unterschied liegt in der doppelten Parität. Jede innere Untergruppe berechnet mithilfe der Reed-Solomon-Polynomkodierung zwei unabhängige Paritätsströme, die mit P und Q bezeichnet werden. Dadurch kann jede Untergruppe intern zwei gleichzeitige Ausfälle der Laufwerke ohne Datenverlust überstehen.

So funktioniert RAID 60

Der Verantwortliche unterteilt die Laufwerke in unabhängige RAID-6-Untergruppen, von denen jede mindestens vier Laufwerke erfordert. Diese Untergruppen werden dann auf der äußeren Ebene mithilfe von RAID 0 gestriped. Die Mindestanzahl an Laufwerken beträgt insgesamt acht, bestehend aus zwei RAID-6-Untergruppen mit jeweils vier Laufwerken.

Bei einer Konfiguration mit acht Laufwerken werden in jeder Untergruppe mit vier Laufwerken zwei Laufwerke für die doppelte Paritätsspeicherung verwendet, sodass pro Untergruppe zwei Laufwerke für Daten zur Verfügung stehen. Über beide Untergruppen hinweg stehen vier der acht Laufwerke als aktiver Speicher zur Verfügung. Diese nutzbare Kapazität erhöht sich, je mehr Laufwerke pro Untergruppe hinzugefügt werden. Bei einem RAID-60-System mit zwölf Laufwerken, das aus zwei Gruppen zu je sechs Laufwerken aufgebaut ist, stehen von insgesamt zwölf Laufwerken acht zur Nutzung bereit.

Die Betriebskosten schlagen sich in der Schreibleistung nieder. Bei jedem Schreibvorgang berechnet der Verantwortliche zwei unabhängige Paritätswerte, bevor der Schreibvorgang abgeschlossen werden kann. Dies führt zu einer Verarbeitungslatenz, die bei gleicher Schreiblast messbar höher ist als bei RAID 50. Bei hohem Schreibdurchsatz wird dieser Overhead zum begrenzenden Faktor für die Array-Leistung.

RAID 60 eignet sich für Umgebungen, in denen die Folgen eines Datenverlusts bei einem Hardwareausfall die Kosten für langsamere Schreibvorgänge und eine höhere Mindestanzahl an Laufwerken überwiegen, darunter Speicherlösungen im Gesundheitswesen, Protokolle für Finanztransaktionen und staatliche Archive. Für die meisten KMU-Bereitstellungen lassen sich diese Konfiguration aufgrund der Anforderungen an die Laufwerksanzahl und der Einbußen bei der Schreibleistung nur schwer rechtfertigen, es sei denn, die Toleranz gegenüber zwei Ausfällen ist eine spezifische Compliance- oder Betriebsanforderung.

RAID 10 vs. RAID 50 vs. RAID 60: Ein direkter Vergleich 

Die Auswahl der richtigen Architektur erfordert einen Abwägungsprozess zwischen dem verfügbaren Hardware-Budget und den Leistungsanforderungen. Datenbankadministratoren bevorzugen in der Regel eine hohe Eingabe-Durchsatzrate, weshalb gespiegeltes Striping die logische Wahl darstellt. Große Speicherrepositorien profitieren hingegen von den sequenziellen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, die Paritäts-Striping bietet, während gleichzeitig Szenarien wie der Ausfall eines RAID-Verantwortlichen vorausschauend berücksichtigt werden.

Die folgende Tabelle vergleicht die Architekturen hinsichtlich der Faktoren, die bei der endgültigen Entscheidung über die Konfiguration eines Laufwerks am wichtigsten sind.

Fazit: Sicherung Ihres Arrays nach einem mechanischen Fehler 

Der häufigste Fehler, den Systemadministratoren in Notfällen begehen, ist der Versuch, einen erzwungenen Controller-Wiederaufbau durchzuführen, ohne zuvor die ursprünglichen logischen Parameter zu überprüfen. In jeder Hybridkonfiguration müssen die Stripe-Parameter der äußeren Ebene und die Geometrie der inneren Ebene korrekt ermittelt werden, bevor ein Wiederaufbau sicher eingeleitet werden kann. Eine falsche Schätzung der Stripe-Größe oder der Paritätsrotation kann die empfindlichen hexadezimalen Metadaten überschreiben und die Datenwiederherstellung dauerhaft unmöglich machen.

Wenn ein Speicher-Array Lesefehler erzeugt, besteht die richtige Vorgehensweise darin, es sofort auszuschalten. Bevor der Verantwortliche erneut berührt wird, sollte ein Sektor-für-Sektor-Klon jeder einzelnen Festplatte erstellt werden. Dazu müssen die Laufwerke physisch ausgebaut und an einen Hardware-Write-Blocker angeschlossen werden. Ein Write-Blocker fungiert als physisches Einweg-Schluss, das verhindert, dass das Betriebssystem Hintergrunddaten auf beschädigte Laufwerke schreibt.

Über diese geschützte Verbindung kann ein Bitstream-Klon erstellt werden, bei dem jeder Sektor identisch auf ein stabiles Ziellaufwerk kopiert wird. Anhand dieser Klone kann ein Spezialist das logische Array rekonstruieren, ohne die ursprünglichen Laufwerke weiteren Risiken auszusetzen.

Die Wahl zwischen diesen Optionen hängt in der Regel von der Serverauslastung und der für Redundanz verfügbaren physischen Kapazität ab. Jede dieser vier Architekturen weist eigene Konfigurationsdetails und Anwendungsfälle im Produktivbetrieb auf, die im nächsten Artikel dieser Reihe behandelt werden.