Was ist Hybrid-RAID? Ein umfassender Leitfaden für Einsteiger

Was ist RAID? Ein kurzer Rückblick

Bevor wir uns mit den verschachtelten Versionen befassen, ist eine kurze Zusammenfassung des Standard-RAID sinnvoll. RAID, kurz für „Redundant Array of Independent Disks“, ist eine Speichertechnologie, die mehrere physische Laufwerke zu einem einzigen logischen Volume zusammenfasst, das vom Betriebssystem erkannt wird. Was das Array tatsächlich leistet – sei es schnellere Lesevorgänge, Schutz vor einem ausgefallenen Laufwerk oder eine Balance aus beidem –, hängt von der auf dem Controller konfigurierten Stufe ab.

Die gängigsten Standardstufen funktionieren wie folgt:

• RAID 0: Das einzige Ziel ist der Durchsatz. Der Verantwortliche unterteilt jede Datei in Blöcke fester Größe und verteilt diese gleichzeitig auf zwei oder mehr Laufwerke. Es besteht kein Schutz, was bedeutet, dass der Ausfall eines einzigen Laufwerks alle Daten auf dem Array löscht.
• RAID 1: Bei dieser Stufe werden die Daten gespiegelt statt gestreift. Zwei Laufwerke enthalten identische Kopien, und jeder Schreibvorgang wird gleichzeitig auf beide übertragen. Die Redundanz ist vollständig, jedoch ist nur die Hälfte der Rohkapazität nutzbar, da der Rest für die Duplikate reserviert ist.
• RAID 5: Daten und Parität werden über drei oder mehr Laufwerke verteilt, wobei die Parität durch eine XOR-Operation abgeleitet wird. Fällt ein Laufwerk aus, rekonstruiert das Array seinen Inhalt anhand der auf den anderen Laufwerken gespeicherten Parität. Für die meisten Arbeitslasten bietet dies ein praktikables Gleichgewicht zwischen Kapazität, Redundanz und Lesegeschwindigkeit.
• RAID 6: Zu jedem Stripe gehören zwei Paritätswerte, die mittels Reed-Solomon-Codierung berechnet und mit P und Q bezeichnet werden. Der Vorteil besteht darin, dass zwei Laufwerke gleichzeitig ausfallen können, ohne dass Daten verloren gehen. Die Mindestanforderung beträgt vier Laufwerke. Die Berechnung von zwei Paritätswerten bei jedem Schreibvorgang ist jedoch mit einem Mehraufwand verbunden, wodurch die Schreibgeschwindigkeit unter die von RAID 5 fällt.

Bei all diesen Varianten handelt es sich um Single-Tier-Layouts. Jedes Laufwerk übernimmt dieselbe Rolle, und das Array bleibt auf einen einzigen festen Kompromiss festgelegt.

Was ist Hybrid-RAID?

Bei Hybrid-RAID, auch als verschachteltes RAID bezeichnet, wird eine RAID-Stufe in eine andere eingebettet. In der Regel sorgt die innere Ebene durch Spiegelung oder Parität für Redundanz, während die äußere Ebene durch Striping für Durchsatz sorgt.

Die physischen Laufwerke werden zuerst in einem inneren Array auf der primären Ebene organisiert. Diese Gruppen werden dann unter Verwendung einer anderen RAID-Stufe auf der sekundären Ebene kombiniert. Der Verantwortliche verwaltet diese Zuordnung intern, und das Betriebssystem meldet lediglich ein einziges logisches Volume an.

Dadurch übernimmt das Array Eigenschaften beider Ebenen. Wenn auf der ersten Ebene Spiegelpaare und auf der zweiten Ebene Striping konfiguriert werden, bietet das Array die Fehlertoleranz von RAID 1 und die Leseleistung von RAID 0. Diese spezifische Konfiguration ist als RAID 10 bekannt, die am häufigsten implementierte verschachtelte Konfiguration im Unternehmensspeicherbereich.

Wie sich Hybrid-RAID von Standard-RAID unterscheidet

In einem Standard-RAID-5-Array hat kein Laufwerk Vorrang vor einem anderen. Jedes Laufwerk trägt einen Anteil sowohl an den gestreiften Daten als auch an der verteilten Parität, und der Verantwortliche arbeitet mit einem einzigen flachen Adressraum, der sich über alle Laufwerke erstreckt.

Ein Hybrid-Array gruppiert seine Laufwerke hingegen. RAID 10 benötigt mindestens vier Laufwerke, die als zwei RAID-1-Spiegelpaare auf der ersten Ebene organisiert und auf der zweiten Ebene mittels RAID 0 gestreift werden. Zwei strukturelle Ebenen arbeiten zusammen und werden beide vom Verantwortlichen verwaltet.

Diese Schichtung verändert mehrere Betriebseigenschaften:

• Die Mindestanzahl an Laufwerken steigt. Jede Ebene im Stapel wird ihre eigene strukturelle Mindestanzahl bringen, und die Gesamtzahlen summieren sich: vier Laufwerke für RAID 10, sechs für RAID 50, acht für RAID 60.
• Die nutzbare Kapazität nimmt ab. Jeder Spiegel halbiert die Rohkapazität. Bei vier 4-TB-Laufwerken stehen bei RAID 10 noch 8 TB zur Verfügung, während dieselben Laufwerke in einem RAID-5-Array fast 12 TB liefern. Im Laufe einer vollständigen Bereitstellung wird dieser Unterschied kostspielig.
• Wiederherstellungen erfolgen schneller und mit geringerem Risiko. Wenn bei RAID 5 ein Laufwerk ausfällt, muss der Verantwortliche von jedem verbleibenden Laufwerk lesen, um die verlorenen Daten wiederherzustellen, was das gesamte Array während des Vorgangs erheblich belastet. RAID 10 funktioniert anders: Das Ersatzlaufwerk bezieht die Daten ausschließlich von seinem Spiegelpartner, während die anderen Paare unbeeinträchtigt weiterlaufen.

Wann ist Hybrid-RAID sinnvoll? 

Hybrid-RAID ist dann geeignet, wenn ein einzelner Kompromiss bei der Leistung die betrieblichen Anforderungen nicht erfüllen kann. Unterschiedliche Workloads belasten Speichermedien auf unterschiedliche Weise, und die richtige Konfiguration hängt vom vorherrschenden Zugriffsmuster ab. In der Regel entscheiden drei Faktoren darüber, ob eine verschachtelte Konfiguration die richtige Wahl ist:

• Datenbankserver: Datenbankserver erzeugen kleine, zufällige Lese- und Schreibvorgänge in einem konstanten Strom. Paritätsbasierte Arrays haben hier Schwierigkeiten, da sie durch den „Read-Modify-Write“-Overhead beeinträchtigt werden. Dieser erfordert, dass der Verantwortliche den alten Datenblock liest, die alte Parität ausliest, eine neue Parität berechnet und anschließend sowohl die neuen Daten als auch die neue Parität schreibt. RAID 10 umgeht diesen Overhead vollständig. Lesevorgänge werden über die Striping-Ebene verteilt, während die gespiegelte Ebene Schreibvorgänge ohne jeglichen Paritätsschritt übernimmt.
• Virtualisierungshosts: Diese erfordern ein anderes Zugriffsmuster. Ein einzelner Host kann viele virtuelle Maschinen ausführen, von denen jede unabhängige Anfragen sendet, die sich zu einem stark zufälligen E/A-Strom verbinden. Verschachtelte Konfigurationen bewältigen dies gut, da der Stripe auf oberster Ebene es dem Verantwortlichen ermöglicht, gleichzeitige Leseanfragen auf mehrere Laufwerke zu verteilen. Gemischte Lese- und Schreib-Workloads werden effizient verarbeitet, da die Last über das Array verteilt wird.
• Wiederherstellungsrisiko: Mit steigender Laufwerkskapazität verlängern sich die Wiederherstellungszeiten. Die Wiederherstellung eines 18-TB-Laufwerks in einem RAID-5-Array kann einen erheblichen Zeitraum im Dauerbetrieb in Anspruch nehmen, und ein zweiter Laufwerksausfall während dieses Zeitfensters führt zu einem vollständigen Datenverlust. Hybride Konfigurationen beschränken den Wiederherstellungsaufwand auf ein einziges Spiegelpaar und reduzieren dadurch das Risiko während dieses Zeitfensters erheblich.

Arten von Hybrid-RAID: Ein Überblick

Vier Hybridarchitekturen machen den Großteil der verschachtelten Bereitstellungen im Produktivbetrieb aus. Jede bietet unterschiedliche Kompromisse hinsichtlich Geschwindigkeit, nutzbarer Kapazität und Fehlertoleranz. Die folgende Tabelle fasst diese zusammen.

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.

Fazit: Ein Hybrid-Array ist nur so sicher wie sein Plan für die Datenrettung 

Ein Hybrid-Array ist nur so sicher wie der Plan für die Datenrettung, auf dem es basiert. Mehrstufige Konfigurationen bieten eine hohe Ausfallsicherheit, sind jedoch kein Ersatz für ein Backup. Wenn ein mehrstufiges Array ausfällt, kann die daraus resultierende Fragmentierung des Dateisystems von generischen Programmen für die Datenrettung nicht interpretiert werden.

Die Techniker von Stellar RAID Datenrettung stellen Daten aus ausgefallenen RAID-10-, RAID-50- und RAID-60-Arrays in ISO 27001-zertifizierten Labors wieder her, darunter auch Fälle mit gleichzeitigen Ausfällen von RAID-Laufwerken, Controller-Ausfällen und versehentlich gelöschten Arrays. Jede Datenrettung beginnt mit der Ermittlung der ursprünglichen Geometrie, der Stripe-Größe, der Reihenfolge der Mitgliedsfestplatten und der logischen Blockzuordnung für beide Ebenen. Keine dieser Metadaten ist auf einem ausgefallenen Array sichtbar, und die Initialisierung der Laufwerke ohne diese Daten überschreibt dauerhaft die für die Datenrettung erforderlichen Strukturen.

Ein ausgefallenes Hybrid-Array bleibt nicht unbegrenzt wiederherstellbar. Jeder weitere Schreibvorgang, jeder Versuch eines Neuaufbaus oder jeder Initialisierungsdurchlauf schränkt das Zeitfenster ein, in dem die ursprünglichen Daten noch rekonstruiert werden können. In dem Moment, in dem ein Hybrid-Array Anzeichen eines Ausfalls zeigt, beginnt sich dieses Zeitfenster zu schließen.