2.7.5 Festplattenverbund

In diesem Kapitel werden wir uns mit Festplattenverbundsystemen und der logischen Struktur von RAID beschäftigen. Ein Festplattenverbund ermöglicht es, mehrere physische Festplatten zu einem logischen Laufwerk zu kombinieren, um die Datenverfügbarkeit, Ausfallsicherheit und/oder Leistung zu verbessern. Dies ist besonders in Serverumgebungen und bei der Verwaltung großer Datenmengen von Bedeutung.

Übersicht Festplattenverbünde

Typisches Beispiel Vorteile Nachteile
NAS NAS im Heimnetzwerk zur Datensicherung oder als Abteilungsspeicher - Zentrale Datenverwaltung
- Skalierbarkeit
- Integrierte Backup- und Snapshot-Funktionen
- Energieeffizient		 - Geschwindigkeit abhängig vom Netzwerk
SAN Datenverbund zwischen verschiedenen Studios oder Radiosendern - Sehr schnelle Datenübertragung
- Geringe Latenz
- Zentrale Verwaltung der Speicherressourcen		 - Hohe Kosten
- Komplexität bei Einrichtung und Verwaltung
DAS Direkt angeschlossene Speicherlösung für Videoschnitt - Einfach einzurichten
- Geringe Kosten
- Hohe Datenübertragungsraten durch direkte Anbindung		 - Begrenzte Skalierbarkeit
- Speicherressourcen nur für den angeschlossenen Computer zugänglich
Cloud Cloud-Speicher für Projektdateien und Zusammenarbeit im Team - Zugriff auf Daten von überall
- Dynamisch anpassbarer Speicherplatz
- Redundante Datensicherung		 - Abhängigkeit vom Internet
- Langfristige Kosten
- Datenschutzbedenken

Netzwerkgebundene Speicher (NAS)

NAS (Network Attached Storage) ist eine Speicherlösung, bei der ein dedizierter Speicherserver über das Netzwerk zugänglich gemacht wird. NAS-Systeme bieten eine zentrale Speicherlösung, die von mehreren Clients im Netzwerk gleichzeitig genutzt werden kann. Typische Einsatzbereiche von NAS-Systemen sind die Speicherung von Mediendateien, Backup-Lösungen und die gemeinsame Nutzung von Dokumenten innerhalb eines Unternehmens oder Haushalts.

Vorteile von NAS

  • Zentrale Datenverwaltung: Ermöglicht den zentralen Zugriff und die Verwaltung von Daten.
  • Skalierbarkeit: Einfaches Hinzufügen weiterer Speicher bei Bedarf.
  • Datensicherung: Viele NAS-Systeme bieten integrierte Backup- und Snapshot-Funktionen.
  • Energieeffizienz: NAS-Geräte sind in der Regel energieeffizienter als herkömmliche Server.

Typische NAS-Systeme für den SoHo (Small Office/Home Office) Gebrauch sind Western Digital My Cloud, Synology DiskStation oder QNAP NAS-Systeme. Die Preise beginnen für Systeme mit zwei Festplatten bei ca. 400 € (Stand 2024). Diese Systeme bieten eine zentrale Datenverwaltung, Datensicherung, und die Möglichkeit, Daten einfach zu teilen und zuzugreifen.

Ein NAS hat zwar eine Web-Oberfläche zur Konfiguration, aber auf dem System selbst läuft ein Linux-Betriebssystem.

Storage Area Network (SAN)

SAN (Storage Area Network) ist ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das Speichergeräte wie Festplatten, SSDs und Bandlaufwerke mit Servern verbindet. Es ermöglicht den Servern den direkten Zugriff auf die Speicherressourcen, als ob sie direkt angeschlossen wären.

Vorteile von SAN

  • Hohe Leistung: Bietet sehr schnelle Datenübertragungsraten und geringe Latenzzeiten.
  • Zentrale Verwaltung: Ermöglicht die zentrale Verwaltung und Zuweisung von Speicherressourcen.
  • Skalierbarkeit: Einfaches Hinzufügen weiterer Speichergeräte und Server.

Nachteile von SAN

  • Kosten: Hohe Anschaffungs- und Betriebskosten.
  • Komplexität: Erfordert spezielles Fachwissen für Einrichtung und Verwaltung.

Direct Attached Storage (DAS)

DAS (Direct Attached Storage) ist eine Speicherlösung, bei der die Speichergeräte direkt an einen Server oder Computer angeschlossen sind. Dies kann über interne Verbindungen (z.B. SATA, SAS) oder externe Verbindungen (z.B. USB, Thunderbolt) erfolgen.

Vorteile von DAS

  • Einfachheit: Leicht einzurichten und zu verwenden.
  • Kosten: Geringere Kosten im Vergleich zu SAN und NAS.
  • Leistung: Hohe Datenübertragungsraten, da keine Netzwerkübertragung erforderlich ist.

Nachteile von DAS

  • Begrenzte Skalierbarkeit: Schwieriger zu erweitern und zu verwalten.
  • Zugänglichkeit: Speicherressourcen sind nur für den angeschlossenen Server zugänglich.

Cloud-Speicher

Cloud-Speicher bietet eine flexible und skalierbare Lösung zur Datenspeicherung, bei der die Daten über das Internet auf entfernten Servern gespeichert werden. Cloud-Speicherdienste wie Amazon S3, Google Drive oder Dropbox ermöglichen den einfachen Zugriff auf Daten von überall aus und bieten umfangreiche Sicherungs- und Synchronisierungsfunktionen.

Vorteile von Cloud-Speicher

  • Flexibilität: Einfacher Zugriff auf Daten von überall aus.
  • Skalierbarkeit: Dynamische Anpassung des Speicherplatzes nach Bedarf.
  • Sicherheit: Daten werden in der Regel mehrfach redundant gespeichert und gesichert.

Nachteile von Cloud-Speicher

  • Abhängigkeit vom Internet: Der Zugriff auf Daten ist ohne Internetverbindung nicht möglich.
  • Kosten: Langfristige Speicherkosten können höher sein als bei lokalen Speichersystemen.
  • Datenschutz: Sensible Daten könnten potenziell von Drittanbietern eingesehen werden.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID ist eine Technik zur Verwaltung mehrerer physischer Festplatten, um Ausfallsicherheit und/oder Leistung zu verbessern. RAID-Systeme kombinieren mehrere Festplatten zu einer logischen Einheit, die von Betriebssystemen als einzelnes Laufwerk erkannt wird. Alle oben genannten Systeme (NAS, SAN, DAS, Cloud) arbeiten mit RAID-Systemen zur Verbesserung der Ausfallsicherheit.

Vorteile von RAID

  • Erhöhte Datenverfügbarkeit: Schutz vor Datenverlust bei Festplattenausfall.
  • Verbesserte Leistung: Höhere Datenübertragungsraten durch parallelen Zugriff auf mehrere Festplatten.
  • Skalierbarkeit: Einfaches Hinzufügen weiterer Festplatten zur bestehenden RAID-Konfiguration.

Nachteile von RAID

  • Kosten: Höhere Kosten durch die Notwendigkeit zusätzlicher Festplatten.
  • Komplexität: Komplexere Verwaltung und Einrichtung im Vergleich zu Einzelplattenlösungen.
  • Keine 100%ige Sicherheit: RAID schützt zwar vor Hardwarefehlern, nicht jedoch vor Datenkorruption oder Anwenderfehlern.

RAID-Level

Übersicht RAID-Level

Level Beschreibung Min. Anzahl Festplatten Kapazität (bezogen auf volle HDD-Kapazität)
RAID 0 Striping 2 keine Ausfallsicherheit Volle Kapazitäten aller Platten
RAID 1 Mirroring 2 kein Performancevorteil 1/2 der Gesamtkapazität (da gespiegelt)
RAID 5 Striping mit Parität 3 (n-1)/n der Gesamtkapazität:
RAID 6 Striping mit doppelter Parität 4 (n-2)/n der Gesamtkapazität
RAID 10 Kombination aus RAID 1 und 0 4 Empfehlung für kritische Systme 1/2 der Gesamtkapazität (wegen Spiegelung und Striping)

RAID 0 (Striping)

RAID 0 verteilt Daten gleichmäßig über zwei oder mehr Festplatten, ohne Redundanz.

Leistung: Fast doppelte Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, da mehrere Festplatten gleichzeitig genutzt werden können.

Speicherkapazität: Gesamte Speicherkapazität entspricht der Summe der Kapazitäten aller Festplatten.

Ausfallsicherheit: Keine Fehlertoleranz; bei Ausfall einer Festplatte gehen alle Daten verloren.

Minimale Anzahl an Festplatten: 2

RAID 1 (Mirroring)

RAID 1 speichert identische Daten auf zwei oder mehr Festplatten, was als Spiegelung bezeichnet wird.

Leistung: Gesteigerte Lesegeschwindigkeit, da Daten parallel von mehreren Festplatten gelesen werden können; Schreibgeschwindigkeit ist ähnlich wie bei einer einzelnen Festplatte.

Speicherkapazität: Die effektive Kapazität entspricht der Kapazität der kleinsten Festplatte im Verbund.

Ausfallsicherheit: Eine Festplatte kann ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen.

Minimale Anzahl an Festplatten: 2

RAID 5 (Striping mit Sicherungsblöcken)

RAID 5 kombiniert Daten-Striping (Aufteilung der Daten auf mehrere Festplatten) mit speziellen Sicherungsblöcken, die über alle Festplatten im Array verteilt sind. Diese Sicherungsblöcke dienen der Rekonstruktion von Daten, falls eine Festplatte ausfällt.

  • Funktionsweise: Die Daten werden blockweise auf alle Festplatten verteilt, und die Sicherungsblöcke rotieren zwischen den Festplatten. Beispielhaft funktioniert das so:

    • Festplatte 1 speichert Block A,
    • Festplatte 2 speichert Block B,
    • Festplatte 3 speichert eine Kombination aus Block A und Block B (diese Kombination ermöglicht die Wiederherstellung der Daten, falls eine Festplatte ausfällt).

    Beim Speichern der nächsten Datenblöcke wechseln sich die Festplatten ab: - Festplatte 2 speichert Block C, - Festplatte 3 speichert Block D, - Festplatte 1 speichert eine Kombination aus C und D.

    Diese rotierende Sicherung ermöglicht eine effiziente Ausfallsicherheit, ohne dass eine gesamte Festplatte nur für Sicherungen reserviert werden muss.

  • Leistung: Gute Leseleistung; Schreibleistung ist etwas reduziert, da bei jedem Schreibvorgang die Sicherungsblöcke aktualisiert werden müssen.

  • Speicherkapazität: Gesamte Kapazität entspricht der Summe der Kapazitäten aller Festplatten minus die Kapazität einer Festplatte (n-1).

  • Ausfallsicherheit: Eine Festplatte kann ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen.

  • Minimale Anzahl an Festplatten: 3

  • Nachteil im Rebuild -Fall: Wenn eine Festplatte in RAID 5 ausfällt, müssen die Daten während des Wiederherstellungsprozesses aus den Sicherungsblöcken und den verbleibenden Festplatten rekonstruiert werden. Dieser Vorgang kann lange dauern (Stunden oder Tage) und während dessen sollte auf die Daten nicht (oder nur sehr wenig) zugegriffen werden.

RAID 6 (Striping mit doppelter Parität)

RAID 6 erweitert RAID 5 durch die Verwendung von zwei Paritätsblöcken, die über alle Festplatten im Array verteilt sind.

Leistung: Gute Leseleistung; Schreibleistung ist aufgrund der Berechnung und Speicherung der doppelten Paritätsinformationen reduziert.

Speicherkapazität: Gesamte Kapazität entspricht der Summe der Kapazitäten aller Festplatten minus die Kapazität von zwei Festplatten (n-2).

Ausfallsicherheit: Zwei Festplatten können gleichzeitig ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen.

Minimale Anzahl an Festplatten: 4

RAID 10 (Kombination aus RAID 1 und RAID 0)

RAID 10 kombiniert die Spiegelung von RAID 1 und das Striping von RAID 0. Es bietet sowohl hohe Leistung als auch Ausfallsicherheit.

Leistung: Sehr hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten durch parallelen Zugriff und Datenverteilung.

Speicherkapazität: Die effektive Kapazität entspricht der Hälfte der Summe der Kapazitäten aller Festplatten.

Ausfallsicherheit: Mindestens eine Festplatte pro Spiegelpaar kann ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen.

Minimale Anzahl an Festplatten: 4