Was ist RAID 1? Funktionen, Funktionsweise, Vorteile, Einschränkungen und Anwendungsfälle

Als Patterson, Gibson und Katz RAID 1988 in ihrer Veröffentlichung vorstellten, bewies die Demo, dass das Striping einer Reihe kostengünstiger PC-Festplatten einen IBM 3380 im Wert von 100.000 £ übertreffen konnte.

Was sie jedoch nicht bewiesen, war die Zuverlässigkeit: Ein einziger Ausfall einer Spindel führte zum Ausfall des gesamten Arrays. Die Autoren wiesen die Leser daher auf eine Schutzmethode hin, die sich schon lange vor der Einführung des Begriffs RAID bewährt hatte – die Spiegelung von Festplatten.

• 1970er Jahre: Tandem NonStop-Mainframes verfügten über zwei identische Laufwerke auf separaten E/A-Pfaden, sodass ein einzelner Ausfall den Transaktionsfluss nie unterbrach.
• 1977: Ein IBM-Patent (Ken Ouchi) beschrieb „Schattenkopien” auf zwei identischen Festplatten, um die Datenintegrität sicherzustellen. 
• 1983: DEC HSC50 lieferte RA8x-Subsysteme mit Spiegelung auf Controllerebene, das zuerst kommerzielle Produkt, das wir heute als RAID 1 bezeichnen würden.

Wie RAID 1 tatsächlich funktioniert – Design, Mechanik und Leistung

1. Die E/A-Anforderung des Hosts trifft beim RAID-Controller ein. Der Server behandelt das gesamte Array als eine einzige logische Festplatte und beginnt mit dem Schreiben.
2. Der Verantwortliche dupliziert jeden Schreibvorgang. Jeder Block (A, B, C... in der Abbildung) wird an beide Laufwerke im Spiegel-Set versendet. Diese Duplizierung ist für den Host transparent; es sind keine Treiber- oder Anwendungsänderungen erforderlich.
3. Beide Platten können Lesevorgänge ausführen. Bei einer Leseanforderung kann der Verantwortliche das Mitglied mit den nächstgelegenen Köpfen auswählen, wodurch die Suchzeit verkürzt wird und mit intelligenten HBAs (Host-Bus-Adaptern) die IOPS (Eingabe-/Ausgabevorgänge pro Sekunde) für zufällige Lesevorgänge nahezu verdoppelt werden.
4. Wenn ein Laufwerk ausfällt, verwendet der Controller auf einfache Weise das noch funktionierende Partnerlaufwerk. Da die Daten bereits vollständig auf dieser Festplatte vorhanden sind, ist der Datenverlust im Vergleich zu allen anderen RAID-Levels minimal – keine Paritätsberechnungen, kein langwieriger Datenrettung-Prozess.
5. Wenn das ausgefallene Laufwerk ersetzt wird (oder ein Hot-Spare verfügbar ist), führt die verantwortliche Person einen sequenziellen Klonvorgang von der intakten Festplatte auf die neue Festplatte durch, woraufhin die normale Spiegelung wieder aufgenommen wird.

Verwendbare GB = n×d / 2

wobei n die Anzahl der Laufwerke und d deren individuelle Kapazität ist. 

RAID 1: Schreibpfad und Latenz

Bei RAID 1 wird jeder Schreibvorgang des Hosts dupliziert. Die zuständige Stelle (Hardware oder Software) gibt zwei E/A-Befehle aus und bestätigt den Abschluss erst, nachdem die langsamere der beiden Festplatten den Erfolg gemeldet hat. Da die Schreibvorgänge parallel ausgeführt werden, entspricht die End-to-End-Latenz im Wesentlichen der einer einzelnen Festplatte; es gibt keine zusätzlichen Such- oder Rotationsverzögerungen, die über die bereits in jedem Laufwerk vorhandenen hinausgehen.

RAID 1: Lesepfad und Durchsatz

Für Lesevorgänge kann der RAID 1-Controller eine der beiden Festplatten auswählen. 

Intelligente HBAs wechseln die Anfragen nach dem Round-Robin-Verfahren oder dem Prinzip der kürzesten Suchzeit, sodass beide Köpfe gleichzeitig arbeiten können. Wenn diese Lastverteilung aktiviert ist, kann die IOPS für zufällige Lesevorgänge fast doppelt so hoch sein wie bei einem einzelnen Laufwerk. Einfache oder ältere Firmware behandelt den Spiegel jedoch als ein einziges Gerät und erzielt nur eine geringe oder gar keine Leistungsverbesserung.

RAID 1 – Fehlerbehandlung, Hot Spares und Datenrettung

1. Wenn eine Festplatte in RAID 1 offline geht, bleibt das virtuelle Volume optimal; der Controller leitet alle E/A-Operationen einfach auf das noch funktionierende Laufwerk um. 
2. Wenn ein Hot-Spare (ein Laufwerk im Standby-Modus, das bereit ist, ein ausgefallenes Laufwerk zu ersetzen) verfügbar ist, wird es automatisch beansprucht, und eine Resynchronisierung im Hintergrund kopiert jeden Block vom intakten Mitglied auf das Ersatzlaufwerk – ohne Paritätsberechnung, lediglich als sequenzieller Klon. 
3. Die Wiederherstellungszeit entspricht dem Laufwerk-Volumen geteilt durch die nachhaltige Übertragungsrate; bei 4-TB-SATA-Laufwerken sind dies einige Stunden

Warum Speicherarchitekten sich für RAID 1 entscheiden (und warum nicht)

Der einzige Vorteil von RAID 1 ist offensichtlich: Das Array läuft auch dann weiter, wenn ein Laufwerk ausfällt. Diese Zuverlässigkeit geht jedoch zu Lasten der Kapazität und (manchmal) der Schreibgeschwindigkeit. Nachstehend finden Sie die praktische Bilanz, die Sie erhalten, wenn Sie RAID 0 mit reinem Striping gegen gespiegelte Redundanz eintauschen.

Beachten Sie in der folgenden Vergleichstabelle, wie RAID 1 bei der Fehlertoleranz von „keinen Sternen“ auf eine Bewertung von vier Sternen springt, aber auf 50 % Speichernutzung fällt – genau die Hälfte Ihrer Roh-Terabytes.

Die Vorteile von RAID 1

• Ständige Verfügbarkeit: Ein einzelner Ausfall stellt kein Problem dar; die Benutzer werden davon nichts bemerken.
• Vorhersehbare Datenrettungen: Die Neusynchronisierung ist lediglich ein einfacher Kopiervorgang; 4 TB bei 200 MB/s SATA dauern etwa 6 Stunden – nicht mehrere Tage.
• Lesegeschwindigkeit: Mit einem intelligenten Controller kann die IOPS-Rate für zufällige Lesevorgänge fast doppelt so hoch sein wie bei einem einzelnen Laufwerk, da beide Köpfe jede Anfrage verarbeiten können.

Die unvermeidbaren Kompromisse

• 50 % Ihrer Rohkapazität gehen verloren – gespiegelte Daten werden per Definition doppelt bezahlt.
• Die Schreibleistung entspricht der des langsamsten Mitglieds; jeder Commit wartet auf zwei Festplatten.
• Die Kosten pro geschütztem Terabyte sind die höchsten unter den Standardstufen.
• Nach wie vor keine Sicherung: Beschädigungen, Ransomware oder versehentliche Löschungen werden sofort gespiegelt; Sie benötigen weiterhin externe Snapshots oder Kopien

Der Sweet Spot für RAID 1 sind alle Workloads, bei denen der geschäftliche Wert die Kosten für die Rohkapazität bei weitem übersteigt und bei denen Ausfallzeiten nicht tolerierbar sind. Da jeder Block sofort dupliziert wird, gleicht ein Spiegel einen Ausfall einer Festplatte ohne Unterbrechung und fast ohne Leistungseinbußen aus.

Ideale Anwendungsfälle

• Boot-Volumes von Betriebssystemen und Hypervisoren: Selbst ein kurzer Ausfall kann Dutzende von VMs lahmlegen; Anbieter wie Oracle empfehlen Hardware-RAID 1 für die System-LUN auf x86- und SPARC-Servern. 
• Datenbank-Redo-/Journal-Protokolle: Latenz ist wichtiger als Kapazität, und Protokolle müssen einen Absturz überstehen, damit die Engine weiterhin einwandfrei laufen kann.
• Kleine, aber wichtige NAS-Freigaben: Fotobibliotheken, Office-Dateien, Heimlabor-VMs usw.
• Leseintensive Berichte oder Web-Caches: Intelligente HBAs können parallele Lesevorgänge von beiden Mitgliedern bedienen und liefern fast die doppelte IOPS-Leistung bei zufälligen Lesevorgängen von einem einzelnen Laufwerk, während eine Verfügbarkeit von 99,999 % aufrechterhalten wird. 
• NVMe-Knoten mit einem einzigen Gerät: Cloud-Anbieter empfehlen weiterhin ein gespiegeltes Paar zum Schutz vor plötzlichen SSD-Ausfällen, wenn kein Paritätspool vorhanden ist. 

Über die einfache Spiegelung hinaus – was kommt nach RAID 1?

RAID 1 löste das Problem eines einzelnen Festplatten-Ausfalls, aber größere Arrays erforderten bald mehr Bandbreite pro Spindel oder Schutz vor mehr als einem Ausfall. Anbieter und Open-Source-Kernel kombinierten daher Spiegelung mit Striping und ordneten später Spiegel innerhalb größerer, selbstheilender Layouts neu an. 

Ein Beispiel hierfür sind gestripte Spiegel oder RAID 10 (auch bekannt als RAID 1 + 0). Nehmen Sie mehrere gespiegelte Paare und stripen Sie diese Paare. Lese- und Schreibvorgänge werden über alle Spiegel hinweg lastverteilt, sodass die Leistung nahezu linear mit der Anzahl der Paare skaliert, während ein einzelnes Festplattenausfall – und oft auch mehrere, solange sich die betroffenen Festplatten in unterschiedlichen Paaren befinden – das Volume online lässt.

Gespiegelte Sets – ob klassisches RAID 1 oder gestreifte Spiegel (RAID 10) – sind restlich unübertroffen, wenn es um sofortiges Failover und vorhersehbare Latenzzeiten geht. Allerdings verbrauchen sie die Hälfte jedes Terabytes und schützen nur vor Hardwareausfällen. 

Der nächste Sprung bestand darin, die Striping-Geschwindigkeit beizubehalten, aber Kopien ganzer Blöcke durch mathematische Parität zu ersetzen, wodurch der Overhead auf 20–33 % reduziert wurde und der Ausfall von zwei Laufwerken oder sogar ganzen Knoten möglich wurde. Diese Geschichte beginnt mit RAID 5 und RAID 6.