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Das RAID Sicherheitskonzept

Um die enorm wachsenden Anforderungen an Speicherbedarf und Datensicherheit in Netzwerken sicherzustellen, gewinnen preiswerte und unkompliziert erweiterbare, fehlertolerante Festplatten-Lösungen immer mehr an Bedeutung. Die benötigten Kapazitäten und Leistungsmerkmale erfordern eine Technologie, welche der Leistungsfähigkeit moderner Serverumgebungen entspricht.

Warum RAID?

Heutige Netzwerke werden speziell je nach Firmengröße und den Anforderungen der Abteilungen in Gruppen oder in unternehmensweiten Netzwerken zusammengefasst. RAID-Systeme sichern hier eine optimale Verfügbarkeit der Daten sowie permanente Zugriffsmöglichkeiten eines jeden Anwenders. Selbst den höchsten Anforderungen durch Anwendun­gen wie Video on Demand, Onlinedatenbanken, Audio-Video-Verarbeitung und Multimedia werden RAID-Subsysteme gerecht. Mit Kapazitäten in den Terrabyte-Bereich, mit Datenübertragungsraten von bis zu 200 MB/Sek. (Fibre Channel RAID-Systeme), sind RAID-Lösungen das Konzept für die Bewältigung der uns bevorstehenden Datenflut. Ein RAID-Array verbindet mehrere Festplatten zu einer logischen Einheit, wobei entweder Fehlertoleranz, Geschwindigkeit oder Kapazität primär optimiert werden soll. Je nach dem Ziel der Optimierung wird die Entscheidung für den bestmöglichen RAID-Level fallen.

Fünf verschiedene Typen von RAID-Levels wurden definiert (0, 1, 3, 4, 5). Es haben sich bis heute die RAID-Level 0, 1, 5 in der Praxis durchgesetzt. Einige Computerhersteller haben zur Differenzierung eigene RAID-Levels, beispielsweise sie­ben definiert. Diese Lösung basiert aber auf dem RAID-Level 5.

Organisation der Laufwerke

Mit RAID (Redundant Array of Independent Disks) werden mehrere unabhängige Festplatten zusammengeschaltet, um ein großes logisches Laufwerk zu bilden. Nicht nur Daten werden auf diesem Array gespeichert, es werden auch „Redundanz Informationen" hinzugefügt. Diese Redundanz Informationen können die Daten selbst sein (Spiegeln) oder Parity Daten, die aus mehreren Datenblöcken berechnet werden (RAID 3, 4, oder 5).

Das Betriebssystem (z.B. Windows, NetWare oder Unix) greift nun nicht mehr auf die einzelnen Festplatten zu, sondern auf das Array. Die Verfügbarkeit zu erhöhen ist das eigentliche Ziel von RAID. RAID verhindert Ausfallzeiten im Falle eines Festplattenausfalls. Allerdings kann es keine Daten restaurieren, die von den Benutzern gelöscht, oder durch ein Ereignis wie Diebstahl oder Feuer zerstört wurden. Deshalb benötigt man immer ein Backup, um das System vor diesen Ereignissen zu schützen, auch dann, wenn ein RAID System installiert ist.

RAID Sicherheitskonzept - RAID Level 0, 13 2 RAID 0 oder Data Striping

Bei diesem RAID Level werden zwei oder mehr Festplatten zusammen geschaltet, indem die Nutzdaten (ABCD...) in kleine Blöcke aufgeteilt werden (4-128 KB Blockgröße). Diese Blöcke werden abwechselnd auf den unterschiedlichen Platten des RAID 0 Arrays gespeichert. Damit kann auf zwei oder mehr Festplatten parallel zugegriffen werden und die Schreib-/ Lesegeschwindigkeit wird besonders bei sequenziellen Zugriffen erhöht. Bei RAID 0 werden allerdings keinerlei Redundanz Informationen erzeugt, so dass beim Ausfall einer Festplatte alle Daten verloren sind. Diese fehlende Redundanz wird durch die 0 als RAID Level angezeigt. RAID 0 wird deshalb nicht in Serversystemen verwendet. Dort ist Sicherheit eine unabdingbare Anforderung.

RAID 1 (Drive Mirroring/Duplexing)

In einem RAID 1 System werden identische Daten auf zwei Festplatten gespeichert (100% Redundanz). Fällt eine der beiden Festplatten aus, arbeitet das Betriebssystem mit der verbleibenden Festplatte weiter. Obwohl es die optimale Ausfallsicherheit bietet, wird RAID 1 meist nur in kleinen Servern eingesetzt. Werden große Kapazitäten benötigt, wird RAID 1 sehr schnell recht teuer, da die doppelte Plattenkapazität benötigt wird (doppelte Anzahl an Festplatten), um die Redundanz zu erhalten.

RAID 2 oder Hamming System

Ein RAID 2 System teilt die Daten in einzelne Bytes auf und schreibt sie auf die Datenplatten des Arrays. ECC (Error Correction Code) wird nach dem Hamming Algorithmus berechnet und auf zusätzliche Festplatten gespeichert. Dieses Verfahren wurde während der Anfänge von RAID verwendet, als die Festplatten noch keine integrierten ECC-Mechanis­men hatten. Das heutzutage in allen Massenspeichern integrierte ECC Verfahren macht die Eigenschaft von RAID 2, einzelne Bit-Fehler korrigieren zu können, überflüssig. Deshalb wird dieser RAID Level nicht mehr eingesetzt.

RAID Sicherheitskonzept - RAID Level 3, 4, 5 RAID 3 oder Byte Striping mit Parity Lautwerk

In einer RAID 3 Konfiguration werden die Daten in einzelne Bytes aufgeteilt und dann abwechselnd auf die Datenlaufwerke des Arrays geschrieben (üblicherweise 2-4 Festplatten). Ein Parity Byte wird für jede Datenreihe hinzugefügt und auf einer zusätzlichen Festplatte, dem sog. Parity Laufwerk, gespeichert. (Dies ist vergleichbar mit der Parity, die für Speichermodule auf dem Mainboard verwendet wird, wo 8 Daten Bits von einem Parity Bit geschützt werden).

Fällt eine Festplatte in einem RAID 3 Array aus, können die Daten aus den übrigen Nutzdaten und den gespeicherten Parity Informationen über das RAID System berechnet werden. Da moderne Festplatten und Betriebssysteme nicht mehr mit einzelnen Bytes, sondern Blöcken arbeiten, findet RAID 3 kaum noch Anwendung.

RAID 4 oder Block Striping mit Parity Laufwerk

RAID 4 ist mit RAID 3 durchaus vergleichbar, allerdings mit dem Unterschied, dass die Daten in größere Blöcke (8, 16, 64 oder sogar 128 Kbyte) anstatt in Bytes aufgeteilt werden. Diese Blöcke werden auf den Datenfestplatten gespeichert (vergleichbar mit RAID 0 Funktion). Ein Parity Block (vergleichbar mit der Summe der Daten in dieser Zeile) wird für jede Zeile berechnet und auf der Parity Festplatte gespeichert. Die Performance eines RAID 4 Systems ist sehr gut, wenn man große sequentielle Lese- und Schreibzugriffe hat, bei verteilten Schreibzugriffen allerdings relativ langsam.

RAID 5 oder Block Striping mit verteilter Parity

Der Unterschied zwischen RAID 4 und diesem RAID Level ist, dass bei RAID 5 die Parity über alle Festplatten des Arrays verteilt wird. Dies beschleunigt verteilte Schreibzugriffe, da es kein dediziertes Parity Laufwerk mehr gibt, welches zu einem Flaschenhals werden könnte. Die Lesegeschwindigkeit ist üblicherweise mit der von RAID 4 vergleichbar. Deshalb ist RAID 5 der typischerweise verwendete RAID Level bei Servern mit hoher Massenspeicherkapazität.

RAID Sicherheitskonzept - RAID Level 10 RAID 10 oder Mirrored Striping Array

Dieser neue RAID Level ist eine Kombination von RAID 1 (mirroring) und RAID 0 (striping) und hat Eigenschaften von beiden Arrays - Sicherheit und sequenzielle Performance. Manchmal wird dieser RAID Level auch RAID 0 + 1 benannt. Üblicherweise werden 4 Festplatten verwendet, da RAID 10 aus zwei Paaren gespiegelterArrays besteht, die dann zu einem RAID 0 Array zusammengefasst werden. RAID 10 ist besonders geeignet, wenn große Dateien redundant gespei­chert werden sollen; da keine Parity berechnet werden muss, sind Schreibzugriffe sehr schnell.

RAID Sicherheitskonzept - Arten von RAID-Systemen Fibre Channel

Trotz ständig neuer Entwicklungen an der SCSI Schnittstelle wurde die Lücke zu den Peripheriegeräten und den Prozessorleistungen immer größer. Echtbildzeitanwendungen oder Video-on-Demand Anwendungen sind für die neuen Prozessorgenerationen keine Schwierigkeit mehr, verlangen aber eine kontinuierliche Datentransferrate von mindestens 20 MB/Sek. Um diesen Datenanforderungen gerecht zu werden, wurde der Fibre Channel entwickelt. Diese Entwicklung entstand bereits im Jahre 1988 in der ANSI-Gruppe und ist mittlerweile in das Projekt X3T11 verlagert worden. Der Fibre Channel soll eine transparente Verbindung zwischen Desktop Anwendungen, Server Systemen und Peripherie schaffen, wobei bereits bestehende Übertragungsprotokolle mit eingebunden werden. Der Hauptvorteil liegt darin, dass vorhandene Software weiterhin genutzt werden kann. Das Fibre Channel Protokoll verfügt über keinen eigenen Befehlssatz, sondern dient speziell nur zur Datenübertragung von Port zu Port. Die Bedeutung und der Inhalt der asynchron übertragenen Daten bleiben dem Fibre Channel verborgen. Die Steuerung der hohen Datenmenge erfolgt durch die Hardware, es besteht aber die Möglichkeit durch Nutzung unterschiedlicher Serviceklassen von bestätigtem und unbestätigtem Datentransfer zu wählen. Die Fibre Channel Arrays werden an einen FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop ) Controller auf PCI-Basis angeschlossen in Verbindung mit single oder dual Port Bypass Modulen. An einem FC-AL können bis zu 126 Devices mit einer Kabellänge (Kupfer) von 30 m und bis zu 10 km bei Fibreoptic eingebunden werden.

RAID-Sonderspezifikationen

IBM - RAID l E0 (Striping, Mirroring und Skewed Parity) Was ist RAID 1E0?

RAID 1 EO ist eine Erweiterung der Raidstufen 1 E und Raid 5 Disk Technologie. Warum RAID 1E0 verbessern?

RAID 1 EO ist eine Kombination aus mehreren lokalen Raid 1 E Array . Das konventionelle Raid 1 E besteht aus einem Minimum von drei HDD, deren Daten über alle HDD versetzt gespiegelt werden.

Um diese erweiterte RAID 1 EO Stufe anzuwenden, muss ein weiteres Array hinzugefügt werden. Ein RAID Level 1 EO Array kann somit erst ab 6 HDD etabliert werden.

Wie funktioniert RAID 1 EO überhaupt?

Das folgende Beispiel zeigt ein typisches RAID 1 EO Array.

In diesem Beispiel sind 6 HH eingesetzt. Die Daten werden quer in jeder einzelnen Dreiergruppe in den lokalen RAID-1 E Arrays gespiegelt.

Welche Auswirkung hat dies auf die Redundanz?

Redundanz (oder die Fähigkeit Fehler zu tolerieren) ist hier derart gestaltet, dass Daten weiterhin verfügbar sind, selbst wenn eine physikalische Festplatte ausfällt. Als weiterer Bonus wird die Performance durch paralleles Lesen gesteigert, da die Hälfte der HDD in einem Array den Datensatz, die andere die Spiegeldaten enthält.

Wie in einem konventionellen RAID 1 E Array, ist hier die Datenredundanz ausgezeichnet. Der Ausfall einer HDD führt le­diglich dazu, dass das betroffene Array auf RAID 1 E zurückfällt. Unbetroffene RAID 1 E Arrays arbeiten ungehindert weiter. RAID 1 EO Spanned Arrays können aus maximal 60 HDD bestehen. In der vollen Ausbaustufe werden vier lokale RAID 1 E Arrays aus jeweils 15 HDD zu einem Spanned RAID 1 EO Array gruppiert.

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