Zusammenbau NAS-Server mit RAID-System

• Überprüfung aller ausgewählten Komponenten auf Kompatibilität
• Fachgerechte Montage alle Komponenten
• Abschliessender Funktionstest
• Zusätzliche Hard- und Software-Komponenten, wie z.B. zusätzliche Backupsysteme (Backup-Software in Zusammenarbeit mi DLT, Online Backup, Archiv-Festplatten), Lüftersteuerungen, mehrere Laufwerke/Speicher oder Server-Replikation werden nach Aufwand verrechnet

Grundsätzliches über RAID-Systeme

RAID: mit mehreren Festplatten schneller und/oder sicherer arbeiten

Wenn man mehrere Festplatten in seinem Dateiserver betreiben will, kann man diese so organisieren, dass die Ausfallsicherheit des Systems verbessert oder die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Daten erhöht wird. Hierbei wird u.a. das Prinzip der Redundanz, d.h. der mehrfachen Datenspeicherung, angewandt.

Der klassische Ansatz hierzu nennt sich RAID („Redundant Array of Independent Disks“, also „Redundante Anordnung unabhängiger Festplatten“). Hierbei werden mehrere Festplatten als Einheit verwaltet und die Daten werden auf diese Platten verteilt und dabei mehrfach gespeichert. So kann mindestens eine Festplatte ausfallen, ohne dass ein Datenverlust entsteht.

Eine andere Lösungen bieten NAS-Betriebssysteme von QNAP oder viele andere Linux-Distributionen an. Die können zwar auch normales RAID, bieten aber mit den Dateisystemen ZFS und EXT4 alternative Lösungen, die u.a. RAID-Fähigkeiten integriert haben (siehe QNAP und EXT4).

Auf der Ebene des Benutzers oder eines Anwendungsprogramms erscheint ein RAID wie ein einfacher Datenträger. Die Organisation der Festplatten erfolgt also "weiter unten" auf der Hardware- oder Systemebene.

RAID-Implementierungen

RAIDs können mithilfe von Hardware-Komponenten oder nur vom Betriebssystem, also ohne Kauf irgendwelcher Hardware, verwirklicht werden. Software-RAIDs können immer, Hardware-RAIDs oft im laufenden Betrieb erweitert werden. Dies verleiht dem RAID-Konzept eine grosse Flexibilität.

"Echtes" Hardware-RAID

Die Festplatten werden von einem speziellen RAID-Controller verwaltet. Dies ist eine Steckkarte, die die Controller-Hard- und Software und Anschlüsse für die Festplatten enthält. Ein eigener Prozessor erledigt die notwendigen Berechnungen und entlastet so den Hauptprozessor des Rechners. Ein im Controller eingebauter Cache beschleunigt die Operationen. Zur Absicherung bei Stromausfällen (s.u.) sollte ausserdem eine eigene Speicherbatterie oder ein anderes Speicherverfahren vorhanden sein.

Der Zugriff auf die Daten ist nur mit einem funktionierenden Controller möglich. Sollte der Controller ausfallen, braucht man ein Ersatzgerät, das das verwendete Datenformat verarbeiten kann, sonst kommt man trotz intakter Festplatten nicht mehr an seine Daten. Bei guten Markengeräten kann aber eine solche Kompatibilität gegeben sein.

Ein Hardware-RAID-Controller ist allerdings nicht billig. Einige hundert Euro müssen hier angelegt werden, dazu kommt noch der Preis der Festplatten (sinnvollerweise mindestens 3).

Software-RAID

Die gesamte RAID-Verwaltung wird vom Betriebssystem übernommen. Spezielle Hardware muss nicht angeschafft werden (ausser den Festplatten natürlich). Alle Operationen werden vom Hauptprozessor des Rechners erledigt, was aber bei modernen Geräten und mässiger Belastung nicht ins Gewicht fällt. Alle modernen Betriebssysteme (Linux, Unix, BSD, Windows, MacOS etc.) beherrschen Software-RAID. Kosten fallen hierfür nicht an. Bei Windows 10 ist allerdings zumindest die Pro-Edition erforderlich.

Host-RAID / BIOS-RAID

Hier ist ein RAID-Controller direkt auf der Hauptplatine des Rechners eingebaut oder auf einer eigenen Erweiterungs-Steckkarte. Der Unterschied zum "echten" Hardware-RAID liegt darin, dass diese Erweiterungen nur wenige Hardware-Komponenten mitbringen, sondern das RAID über eine eigene Software realisieren. Die Operationen werden - wie beim Software-RAID - vom Hauptprozessor des Rechners erledigt.

Solche Erweiterungen sind sehr kostengünstig, aber für den Produktiveinsatz keinesfalls empfehlenswert. Die Festplatten können nur mit dem jeweils verwendeten Controller ausgelesen werden. Bei dessen Ausfall besteht die Gefahr eines vollständigen Datenverlustes, wenn man keinen identischen Controller als Ersatz zur Verfügung hat.

RAID-Level

RAID-Level bezeichnet die Art Organisation der Festplatten, unabhängig von der Art der Implementierung als Hard- oder Software-RAID. Der RAID-Level kann auf Geschwindigkeit, erhöhte Ausfallsicherheit oder einen Kompromiss von beidem ausgelegt sein.

Die gebräuchlichsten RAID-Level sind:

RAID 0

Hier liegt der Fokus ausschliesslich auf erhöhter Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Mehrere Festplatten werden zu einer einzigen Einheit zusammengefasst. Die Daten werden so auf die einzelnen Platten verteilt, dass Zugriffe parallel erfolgen können. Da nun mehrere Platten gleichzeitig Daten übertragen können, verringert sich die Zugriffszeit. Bei RAID 0 gibt es keine Redundanzen, d.h. die Kapazitäten aller Platten addieren sich. Allerdings gilt dies genauso für die Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Datenträger.

RAID 0 ist in reiner Form für normale Produktivsysteme ungeeignet.

RAID 1

Bei RAID 1 werden die Datenträger gespiegelt, d.h. auf jeder Platte wird der identische Datenbestand abgelegt. Bei Ausfall eines Datenträgers kann problemlos weitergearbeitet werden. Die defekte Festplatte muss natürlich baldmöglichst ausgetauscht werden. Ausserdem erhöht RAID 1 die Lesegeschwindigkeit, denn ein Lesevorgang kann von allen Kopien gleichzeitig erfolgen. Die Schreibgeschwindigkeit kann allerdings sinken.

Es werden mindestens 2 Platten benötigt. Die Kapazität des Gesamtsystems entspricht derjenigen der kleinsten Platte.

RAID 5

RAID 5 ist gewissermassen ein RAID 0 mit zusätzlichen Redundanzen. Die Informationen werden wie bei RAID 0 in kleine Blöcke aufgeteilt und auf verschiedene Platten verteilt. Redundanz wird dadurch erreicht, dass auf eine weitere Platte eine Prüfsumme geschrieben wird, mit deren Hilfe man bei Ausfall einer Platte die fehlenden Daten wiederherstellen kann. Also: fällt eine Platte mit einem Datenblock aus, hat man die Prüfsumme zum Wiederherstellen. Fällt die Platte mit der Prüfsumme aus, hat man noch die originalen Daten.

Die Gesamtkapazität des RAID-Verbundes ist relativ hoch, z.B. beträgt sie 3 TB bei 4 Festplatten mit je 1 TB.

Andere und kombinierte Level

Es gibt noch etliche weitere Level, die als Vorläufer oder Abwandlung der oben genannten keine keine grosse bzw. nur noch historische Bedeutung besitzen.

Anders verhält es sich mit den kombinierten Leveln: Man kann, wenn man genug Festplatten hat, also richtig viele, einen RAID x aus mehreren RAIDs y bilden. Auf diese Weise will man die Vorteile der einzelnen Level kombinieren bzw. Nachteile eines Levels (z.B. fehlende Redundanz, geringe Geschwindigkeit etc.) mithilfe der Vorzüge des anderen Levels kompensieren.

So ist z.B. RAID 01 ist ein RAID 1 aus mehreren RAID 0. Die RAID 0-Verbünde, die einzeln keine Redundanz haben, werden in einem RAID 1 gespiegelt. Bei dieser Anordnung werden dann mindestens 4 Platten benötigt. RAID 10 ist umgekehrt ein RAID 0, der aus mehreren RAID 1 gebildet wird. Nach dem gleichen Prinzip läuft es bei allen Kombinationen, wie z.B. 15, 51, 55 usw. Die Möglichkeiten, RAIDs aufzusetzen, sind nur schwer überschaubar. Die Zahl der dafür benötigten Festplatten allerdings manchmal auch.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

RAID-Systeme, egal ob Hard- oder Software-RAID, sind darauf angewiesen, dass während des Schreibvorgangs einer Transaktion die Stromversorgung erhalten bleibt. Fällt dennoch in dieser Situation der Strom aus, ist der Datenbestand auf den verschiedenen Platten möglicherweise nicht mehr konsistent.

Gute Hardware-RAID-Controller besitzen darum eine eigene Batterie oder ein anderes Sicherungsverfahren (z.B. einen Kondensator in Verbindung mit einem Flash-Speicher), um bei einem Stromausfall die noch nicht auf die Platten geschriebenen Daten zwischenzuspeichern, bis das System wieder läuft. Software-RAID-Lösungen sind darauf angewiesen, dass der Rechner wahrend eines Schreibvorgangs nicht ausfällt. Darum sollte ein Software-RAID-System niemals ohne eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) betrieben werden.

Allerdings ist auch bei Hardware-RAID eine USV als zusätzliche Absicherung sehr sinnvoll und bei Produktivsystemen unbedingt zu empfehlen.

RAID ist keine Backuplösung!

RAID verbessert die Verfügbarkeit der Daten in einem funktionierenden System. Aber auch ein gut eingerichtetes und z.B. mit einer USV abgesichertes RAID ist KEINE Backuplösung und ersetzt keinesfalls eine durchdachte Datensicherungs-Strategie! Dies zu glauben, wäre grob fahrlässig!

RAID ist eine zusätzliche, nicht unkomplizierte Systemkomponente, die wie alle anderen auch in irgendeiner Weise kaputtgehen kann. Dieses Risiko wirkt der eigentlich erhöhten Sicherheit entgegen. Auch ein RAID kann durch Systemabstürze, Hardwareschäden o.ä. derart beschädigt werden, dass eine Wiederherstellung nur mithilfe einer Sicherung möglich ist. Und vor mechanischer Zerstörung des Systems durch Feuer, Wasser oder dem Verlust durch Diebstahl kann es sowieso nicht schützen.

Wenn Sie ein System verwenden, das anfällig gegen Viren, Ransomware (Verschlüsselungs- und Erpressungstrojaner) und sonstige Malware ist, kann RAID Sie davor nicht schützen. Diese Schädlinge wirken unmittelbar auf den Datenbestand ein, unabhängig von der Art seiner Speicherung. Im Extremfall hilft nur, das beschädigte System komplett zu löschen und aus der Sicherung zu rekonstruieren.

Welches RAID ist das richtige?

Diese Frage ist genauso gut zu beantworten wie: "Welches ist das beste Auto?". Nämlich gar nicht. Erst einmal müssen die Voraussetzungen geklärt werden, wie Einsatzzweck und Grösse des Computersystems und die Prioritäten, die der Anwender setzt bzw. in seiner Situation setzen sollte. Und dabei ist dann auch zu klären, ob man überhaupt ein RAID braucht oder ob ein seriöses Backup-Konzept nicht ausreicht (auch ein solches kann z.B. eine zweite, fest eingebaute Platte einbeziehen). Auch der Einsatz der RAID-fähigen NAS-Systemen von QNAP ist zu prüfen.

Wenn es um kleinere Systeme mit wenigen Arbeitsplätzen und geringerer Auslastung geht, empfiehlt sich z.B. ein kleines Software-RAID 1 mit zwei, besser drei gespiegelten Platten. Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung sollte unbedingt vorhanden sein.