Was ist ein RAID 5? Wie funktioniert es?
Obwohl es RAID seit über 50 Jahren gibt, ist RAID immer noch sehr beliebt, insbesondere in Unternehmensumgebungen. Insgesamt ist es eine ziemliche Leistung, dass jede Technologie so lange relevant ist.
Wenn wir uns auf den Status von RAID in der heutigen Zeit konzentrieren, sind einige RAID-Level sicherlich relevanter als andere. Insbesondere RAID 5 war in den letzten zwei Jahrzehnten eine der beliebtesten RAID-Versionen.
Da die Festplattengrößen exponentiell zugenommen haben, stellt sich jedoch die Frage. Ist RAID 5 noch zuverlässig? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zuerst darüber sprechen, was RAID 5 genau ist, es sind funktionierende Mechanismen, Anwendungen und Fehler.
RAID-Terminologie
RAID 5 verwendet block-interleaved verteilte Parität. Um dies zu verstehen, müssen wir mit den Grundlagen von RAID beginnen.
REdundant Einrray von IchnAbhängig Disks (RAID) ist im Grunde eine Datenspeichertechnologie, die verwendet wird, um Schutz vor Festplattenausfällen durch Datenredundanz oder Fehlertoleranz zu bieten und gleichzeitig die Gesamtleistung der Festplatte zu verbessern.
RAID-Systeme implementieren Techniken wie Striping, Spiegelung und Parität. Striping Verteilt Teile logisch sequenzieller Daten auf alle Festplatten in einem Array, was zu einer besseren Lese-/Schreibleistung führt.
Paritätim Kontext von RAID sind Wiederherstellungsdaten, die auf eine dedizierte Paritätsfestplatte geschrieben oder über alle Festplatten im Array verteilt werden. Wenn eine Festplatte im Array ausfällt, können diese Paritätsdaten zusammen mit den Daten auf den verbleibenden Arbeitslaufwerken verwendet werden, um die verlorenen Daten zu rekonstruieren.
Wie funktioniert RAID 5?
Verwendung von RAID 5-Arrays Striping auf Blockebene mit Verteilte Parität. Da mindestens zwei Festplatten für das Striping erforderlich sind und eine weitere Festplatte für die Parität benötigt wird, benötigen RAID 5-Arrays mindestens 3 Disketten. Nehmen wir ein RAID 5-Array mit 4 Festplatten als Beispiel, um besser zu verstehen, wie es funktioniert.
Beim Schreiben in das Array wird eine Blockgröße der Daten (A1) wird auf die erste Festplatte geschrieben. Dieser Datenblock wird auch als Streifen. Die Größe des Blocks wird als Chunk-Größe, und sein Wert variiert, je nachdem, was der Benutzer festlegen muss.
Wenn Sie mit dem Schreibvorgang fortfahren, wird der nächste logisch aufeinanderfolgende Datenblock (A2) auf den zweiten Datenträger und derselbe mit dem dritten (A3) geschrieben. Da Datenblöcke über diese drei Streifen verteilt sind, werden sie zusammenfassend als Streifen.
Streifengröße, wie der Name schon sagt, bezieht sich auf die Summe der Größe aller Streifen oder Brocken im Streifen. Im Allgemeinen verwenden Hardware-RAID-Controller Stripe-Größe, aber einige RAID-Implementierungen verwenden auch Chunk Size.
Nachdem die Daten über die Datenträger verteilt wurden (A1, A2, A3), werden die Paritätsdaten berechnet und als blockgroßer Block auf dem verbleibenden Datenträger (Ap) gespeichert. Damit wurde ein vollständiger Datenstreifen geschrieben.
In unserem Beispiel wiederholt sich derselbe Prozess erneut, da Daten über drei Datenträger verteilt werden, während die vierte Festplatte Paritätsdaten speichert. Um es einfach auszudrücken, dies wird fortgesetzt, bis der Schreibvorgang abgeschlossen ist.
Aber es gibt noch einige weitere Dinge, die hier behandelt werden müssen, z. B. wie Paritätsdaten tatsächlich berechnet werden und das Layout von Daten und Paritätsblöcken im Array. Verlagern wir also den Fokus auf die im nächsten Abschnitt.
Parität in RAID 5
Verschiedene RAID-Level verwenden unterschiedliche Algorithmen zur Berechnung von Paritätsdaten. RAID 5 verwendet speziell die Exklusiver OP (XOR) -Operator für jedes Datenbyte.
XOR gibt eine wahre Ausgabe zurück, wenn nur eine der Eingaben wahr ist. Wenn beide Eingaben true (1,1) oder false (0,0) sind, ist die Ausgabe false. Die folgende Tabelle und das folgende Beispiel sollen dies besser veranschaulichen.
| Erster Input | Zweite Eingabe | Ausgabe |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Kehren wir zu unserem Beispiel von früher zurück und schauen uns den ersten Streifen an. Nehmen wir an, das erste Datenbyte auf den Strips lautet wie folgt:
A1 – 10111001
A2 – 11001010
A3 – 10011011
Durch die Durchführung einer A1 XODER A2 Operation erhalten wir die 01110011 Ausgabe. Wenn wir eine weitere XOR-Operation mit dieser Ausgabe und A3 durchführen, erhalten wir die Paritätsdaten (Ap), die zu 11101000 kommen.
Nehmen wir an, eine der Festplatten im Array (z. B. Datenträger 2) fällt aus. Wir können eine A1 XODER A3-Operation durchführen, um 00100010 als Ausgabe zu erhalten. Wenn wir eine weitere XOR-Operation mit dieser Ausgabe und den Paritätsdaten durchführen, erhalten wir die folgende Ausgabe:
00100010
11101000
11001010
Damit haben wir das erste Datenbyte auf Festplatte 2 rekonstruiert. Kurz gesagt, auf diese Weise bieten Paritätsdaten Fehlertoleranz und schützen Ihre Daten im Falle eines Festplattenausfalls. Diese Redundanz hat jedoch ihre Grenzen, da RAID 5 nur vor einem Festplattenausfall schützt. Wenn zwei Festplatten gleichzeitig ausfallen, gehen alle Daten verloren.
Schließlich gibt es auch noch die Frage des Datenlayouts im Array. Im Gegensatz zu RAID-Level 2, 3 und 4, die eine dedizierte Paritätsfestplatte verwenden, verwendet RAID 5 verteilte Parität. Dies bedeutet, dass die Paritätsblöcke über das Array verteilt sind, anstatt auf einem einzelnen Laufwerk gespeichert zu werden.
Unser Beispiel von oben zeigt ein asynchrones Layout von links nach rechts, das sich jedoch abhängig von bestimmten Faktoren ändern kann. Beispielsweise können die Datenblöcke von links nach rechts oder von rechts nach links in das Array geschrieben werden. Dementsprechend kann sich der Paritätsblock am Anfang oder Ende des Streifens befinden.
Bei einem synchronen Layout bestimmt auch die Position des Paritätsblocks, wo der nächste Stripe beginnt. Zum Beispiel ist das Array unten als linkssynchron eingerichtet, was bedeutet, dass Daten von links nach rechts geschrieben werden. Darüber hinaus bestimmt der Paritätsblock (Ap), wo der nächste Streifen (B1) beginnt usw.
Sollten Sie RAID 5 verwenden?
RAID 5 bietet sowohl Leistungssteigerungen durch Striping als auch Fehlertoleranz durch Parität. Und im Gegensatz zu niedrigeren RAID-Levels muss es sich nicht mit dem Engpass einer dedizierten Paritätsfestplatte auseinandersetzen. Dies machte es in den 2000er Jahren sehr beliebt, insbesondere in Produktionsumgebungen.
RAID 5 hatte jedoch schon immer einen kritischen Fehler, da es nur vor einem einzigen Festplattenausfall schützt. Theoretisch ist es äußerst unwahrscheinlich, dass zwei Festplatten nacheinander ausfallen. Aber bei realen Anwendungen liegen die Dinge anders.
Für den Anfang sind die Festplattengrößen exponentiell gewachsen, während die Lese- / Schreibgeschwindigkeiten keine großen Verbesserungen erfahren haben. Aufgrund dieser Diskrepanz dauert die Neuerstellung des Arrays recht lange, wenn eine Festplatte ausfällt. Abhängig von der Größe und den Spezifikationen des Arrays kann dies von Stunden bis Tagen reichen.
Als nächstes kaufen die Leute oft Disketten in Sets. Wenn Sie Laufwerke derselben Marke derselben Arbeitslast und Umgebung aussetzen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie etwa zur gleichen Zeit ausfallen.
Aber nehmen wir an, nur eine Festplatte ist ausgefallen. Wenn Sie regelmäßig Disk Scrubbing durchgeführt haben, sind Sie wahrscheinlich gut. Wenn Sie jedoch nicht nach Fehlern gesucht haben, besteht die Gefahr, dass während des Wiederherstellungsvorgangs UREs auftreten, da eine der Festplatten im Array gerade ausgefallen ist.
Nicht behebbare Lesefehler (UREs) sind ein großes Problem beim Neuaufbau von Arrays, da ein einzelnes MB nicht lesbarer Daten das gesamte Array unbrauchbar machen kann. Dies liegt an der Funktionsweise der meisten RAID-Setups.
Bestimmte RAID-Implementierungen wie ZFS RAID und Linux-Software-RAID und einige Hardware-Controller markieren den Sektor als schlecht und setzen den Wiederaufbau fort. Die meisten Hardware-RAID-Controller stoppen jedoch einfach die Rekonstruktion und markieren das gesamte Array als ausgefallen.
Der Grund dafür ist, dass es am besten ist, das Array zu stoppen, anstatt eine Datenbeschädigung zu riskieren. Dies geschieht unter der Annahme, dass Sie entweder aus einer Sicherung oder die Daten von jedem Laufwerk einzeln wiederherstellen.
Wenn Sie all diese Faktoren kombinieren, ist es nicht schwer zu verstehen, warum RAID 5 in den letzten Jahren in Ungnade gefallen ist. Aus diesem Grund werden heutzutage andere RAID-Versionen wie RAID 6 oder ZFS RAID-Z2 bevorzugt, insbesondere für größere Arrays, bei denen die Wiederherstellungszeiten höher sind und die Möglichkeit besteht, dass mehr Daten verloren gehen.
Das heißt jedoch nicht, dass RAID 5 bereits irrelevant ist. HDD-Hersteller haben diese Dinge berücksichtigt und die Laufwerke verbessert, indem sie die URE-Häufigkeit in den letzten Jahren exponentiell gesenkt haben. Wir empfehlen Ihnen, sich generell für andere RAID-Level zu entscheiden, aber wenn Sie trotzdem mit RAID 5 gehen möchten, sollten Sie dies nur bei kleinen Arrays tun.
Schließlich sind hier einige Anforderungen und Dinge, die Sie wissen sollten, wenn Sie ein RAID 5-Array einrichten möchten:
- Wie bereits erwähnt, benötigt ein RAID 5-Array mindestens 3 Festplatteneinheiten. Dies liegt daran, dass mindestens 2 Laufwerke für das Striping erforderlich sind und ein weiterer Speicherplatz zum Speichern von Paritätsdaten erforderlich ist.
- Der nutzbare Speicher in einem RAID 5-Setup kann mit (N – 1) x (Kleinste Festplattengröße) berechnet werden. Sie sollten Laufwerke gleicher Größe verwenden, da bei einer ungleichmäßigen Konfiguration die kleinste Festplatte einen erheblichen Engpass verursacht.
- RAID 5 bietet eine hervorragende Leseleistung, da mit Striping Daten gleichzeitig von mehreren Festplatten gelesen werden können. Aus dem gleichen Grund ist die Schreibleistung jedoch nicht so gut, da auch Paritätsinformationen für mehrere Festplatten geschrieben werden müssen.
- RAID 5 kann über Softwareimplementierungen eingerichtet werden, aber es ist am besten, Hardware-RAID-Controller für ein RAID 5-Array zu verwenden, da die Leistung bei Softwareimplementierungen leidet.
- Schließlich ist die Redundanz von RAID nicht dasselbe wie Backups. Der Zweck von RAID besteht einfach darin, vor Festplattenausfällen zu schützen. Es gibt viele Gründe für separate Offsite-Backups, von Malware bis hin zu menschlichem Versagen und Unfällen.
