Hardware RAID, RAID 6 und Windows Storage Server

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Netzwerkspeicherlösungen (NAS) mit Hardware-RAID.

Hohe Datensicherheit und Zuverlässigkeit ohne Performance-Verlust.

RAID ist eine Abkürzung für Redundant Array of Independent Disks und beschreibt eine Technologie, die es erlaubt, mehrere unabhängige Festplatten in einem oder mehreren Arrays zu verbinden, um so die Performance, Kapazität und Datensicherheit zu steigern. Als Anfang der 1990er Jahre die ersten RAID-Lösungen implementiert wurden, waren diese zunächst ausschließlich Hardware-basierend – das heißt die Steuerung des Festplattenverbunds wurde von Controller Boards mit Hochleistungs-I/O-Prozessoren übernommen. Aufgrund der hohen Kosten des RAIDControllers wurde diese Lösung nur in hochpreisigen Servern im Enterprise-Bereich eingesetzt.

Mit der Einführung von Software-basierendem RAID wurde diese Speichertechnologie auch für günstigere Server, Netzwerkspeicher (NAS), externe Speichergeräte bis hin zu Desktop-Computern und mobilen Endgeräten interessant und kann heutzutage nicht nur im Unternehmens- sondern auch im Konsumentenbereich gefunden werden.

Dieses Whitepaper befasst sich zunächst mit den Vorteilen der Implementierung eines Hardware-RAIDs in einem NAS und geht dann der Frage nach, warum Unternehmen ihre Daten im RAID 6 speichern sollten. Im zweiten Teil wird die neue Buffalo TeraStation™ WSH mit Windows Storage Server 2016 und Hardware RAID genauer betrachtet.

Software RAID vs. Hardware RAID

Operating System Software RAID

Bei einem reinen Software-RAID wird der Festplattenverbund des NAS durch eine in das Betriebssystem integrierte Applikation gesteuert. Diese Applikation wird normalerweise kostenfrei als Feature des Betriebssystems mit angeboten und erfordert keine zusätzliche Hardware. Der gröte Vorteil des Software-RAIDs ist somit auch schon erklärt – niedrige Kosten. Die einzigen Kosten, die der Nutzer hier hat, liegen bei der Anschaffung zusätzlicher Massenspeicher für die Datenredundanz.

Software RAID hat jedoch eine Reihe von Nachteilen vor allem in Bezug auf die Performance und Datensicherheit:

  • Negative Auswirkung auf die Leistung der Speicherlösung: Mit der Komplexität des RAIDs wächst die Auslastung des Systems. Bei einem RAID 5 zum Beispiel wird die Performance des NAS stark beeinträchtigt. Man muss sich hier also für eines entscheiden – hohe Leistung bei geringerer Datensicherheit oder eingeschränkte Leistung bei hoher Datensicherheit.
  • Kein Schutz beim Booten: Während des Systemstarts ist die RAID Software nicht aktiv und kann die gespeicherten Daten nicht verwalten oder schützen. So kann ein Festplattenausfall oder Datenkorruption beim Booten dazu führen, dass das RAID nicht mehr ansprechbar ist.
  • Datenverlust durch System-Crashs oder Virenbefall des Host-Systems

Hardware-RAID

Hardware-RAID heißt, dass die Ansteuerung des Festplatten-Arrays von einem eigenen Controller übernommen wird. Dies entlastet die Haupt-CPU, die somit unbeeinträchtigt von RAID-Vorgängen arbeiten kann. Das System kann so selbst bei komplexen RAID-Leveln wie RAID 5 oder 6 eine hohe Performance aufrecht erhalten und gleichzeitig aufwendige Applikationen ausführen. Sogar die hohe Auslastung eines RAID-Rebuilds macht sich nicht in Leistungseinbußen bemerkbar. Die Trennung der RAID-Steuerung vom Betriebssystem hebt zudem auch viele andere Nachteile, die das Software-RAID mit sich bringt, auf:

  • Geschützt beim Systemstart: Falls das Boot-Laufwerk beim Starten Fehler produziert oder total ausfällt, hat dies keine negativen Auswirkungen auf die auf dem RAID-Verbund gespeicherten Daten.
  • Bei einem Systemcrash des Hosts bleiben die Daten intakt
  • Ein Virus-bedingter Crash des Host-Systems beeinträchtig das RAID-Array und die Datenintegrität nicht.

Aufgrund der zusätzlichen und nicht geringen Kosten werden Hardware-RAID-Controller jedoch selten in NAS-Lösungen implementiert. Für die meisten Anwendungsfälle ist ein Software-RAID völlig ausreichend.

RAID 5 und RAID 6

Im Gegensatz zu RAID 1, bei dem Daten eins zu eins gespiegelt werden, werden bei RAID 5 und RAID 6 kompliziertere Verfahren der Datenspeicherung und -verteilung auf die Laufwerke im Array angewandt. Für RAID 5 werden mindestens drei Laufwerke, für RAID 6 vier Laufwerke benötigt – allerdings wird RAID 6 nicht von Windows unterstützt, so dass es für viele Nutzer keine Option darstellt.

Bei beiden RAID-Leveln erstellt der RAID-Controller von den zu schreibenden Datenblöcken Prüfsummen – sogenannte Parität – und schreibt sie getrennt davon auf ein benachbartes Laufwerk. Dabei werden die Daten und Prüfsummen nach einem speziellen Verfahren gleichmäßig auf alle Laufwerke verteilt. Wenn ein Laufwerk im Verbund ausfällt, werden die verlorenen Daten aus den noch vorhandenen Datenblöcken und Paritätsdaten wiederhergestellt und auf ein neues Laufwerk geschrieben. Diese Rekonstruktion kann viele Stunden bis hin zu Tagen dauern. Während bei RAID 5 nur ein Laufwerk ausfallen darf, verlieren Nutzer von RAID 6 selbst beim Ausfall zwei (beliebiger) Laufwerke keine Daten und sind somit auch während der RAID-Rekonstruktion nach einem Laufwerks-Ausfall vor Datenverlust geschützt. Diese „zweidimensionale“ Parität des RAID 6 steigert jedoch den ohnehin hohen Rechenaufwand des RAID 5 noch weiter.

Ein weiteres Risiko stellen „Non-recoverable Read Errors“ dar. Diese können auch bei modernen und sehr zuverlässigen Festplatten oder SSDs auftreten. Wenn ein solcher Fehler während einer RAIDRekonstruktion auftritt, führt dies bei RAID 5 mit großer Wahrscheinlichkeit zu Datenverlust. In den meisten Fällen bricht das RAID zudem den Rebuild wegen des Lesefehlers ab. In diesem Fall müssten die Daten des degradierten RAID zunächst gesichert und dann das RAID neu eingerichtet werden. Mit RAID 6 kann man dieses Risiko des Datenverlusts und des extrem aufwendigen Wiederherstellungsverfahrens des RAIDVerbunds weitestgehend ausschließen. Die zweite Parität des RAID 6 kann hier genutzt werden, um die auf dem anderen Laufwerk nicht lesbaren Sektoren zu rekonstruieren.

Komplexe RAID-Level erkaufen sich ihre Datensicherheit letztendlich mit einem gesteigerten Rechenaufwand. Im Falle eines Software-RAIDs führt dies unvermeidlich zur Beeinträchtigung der Leistung der Haupt-CPU. Für Nutzer und Unternehmen mit hohen Ansprüchen an die Verfügbarkeit der Daten wäre eine NAS-Lösung mit RAID 6 und Hardware-RAID demnach ideal. Hardware- RAID ist jedoch bei im Vergleich zu Enterprise-Servern extrem kostengünstigen Netzwerkspeichern bisher eher eine Seltenheit.

Buffalo TeraStation™ WSH mit Windows Storage Server und Hardware RAID

Unternehmen wünschen sich von einem Netzwerkspeicher neben starker Leistung und hoher Zuverlässigkeit, dass er sich leicht in das Unternehmensnetzwerk einbinden lässt. Für Netzwerke mit ausschließlich Windows-Richtlinien und/oder für vollständig integrierte Windows-Umgebungen sind NAS mit Windows Storage Server die optimale Lösung. Sie lassen sich nahtlos integrieren und können ganz einfach mit großen und komplexen Domänenorganisationen (einschließlich Unterdomänen) verwendet werden. Weitere Vorteile eines WSS-NAS:

  • Geringere Netzwerkkomplexität bei höherer Effizienz, Performance und Verfügbarkeit
  • Resilient File System (ReFS) für maximale Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit
  • Leichte Verwaltung von Rechenzentren und privaten Clouds sowie bequeme Verknüpfung mit öffentlichen Cloud-Services
  • Vereinfachte Verbindungen zwischen Benutzern und IT-Ressourcen
  • Kompatibilät der Anwendungen mit Windows Server 2012: Da der Buffalo™ Windows Storage Server 2012 R2 über dieselbe Code-Basis wie die Windows Server™ 2012-Geräte verfügt, ist es nicht erforderlich, die Kompatibilität der Anwendungen einzeln zu testen. Auch Antivirus- und Sicherungsanwendungen, die mit Windows Server 2012-Betriebssystemen funktionieren, lassen sich problemlos mit Windows Storage Server 2012 R2 verwenden.

Ein Nachteil des Windows Storage Server Betriebssystems ist die eingeschränkte RAID-Level- Unterstützung: RAID 6 sowie RAID 10 sind nicht möglich. Die Implementierung eines Hardware-RAIDControllers löst dieses Problem – war aber bisher nur in hochpreisigen Windows-Server-Lösungen zu finden. Um der Nachfrage der Kunden gerecht zu werden, hat Buffalo jetzt die auf 2016 umgestellte und mit 8 GB ausgestatte NAS Version mit Hardware-RAID und Windows Storage Server für kleine und mittlere Unternehmen auf den Markt gebracht: die TeraStation™ WSH5610DNS6.

TeraStation™ WSH5610DNS6

Die TeraStation™ WSH5610DNS2 mit Windows Storage Server ist mit einem Buffalo-proprietären Hardware- RAID-Controller und einer separaten SSD für das Betriebssystem ausgestattet. Dies steigert sowohl die Zuverlässigkeit und Stabilität als auch die Leistung und Geschwindigkeit des NAS und das HDD-Array kann komplett für Anwenderdaten genutzt werden.

  • Windows Storage Server 2012 R2 Standard (Nutzeranzahl unbegrenzt)
  • Intel® Celeron™ Quad Core-Prozessor mit 2 GHz und 4 GB DDR3 RAM
  • Nahtlose Integration in die Windows Server 2012 R2-Umgebung
  • iSCSI Target 3.3 optimiert speicherbezogene Aufgaben in Entwicklungsund Testumgebungen sowie in Produktionsumgebungen von kleinen und mittelständischen Unternehmen bzw. Zweigstellen
  • RAID 0/10/5/6
  • Vollständig bestückt mit WD Red Festplatten mit einer Gesamtkapazität von 12 oder 24 TB
  • 2 x LAN, 1 x USB 3.0, 2 x USB 2.0, 1 x eSATA, 1 x HDMI, 1 x UPS Serial D-Sub 9
  • Unterstützung von DFS (Distributed File System)
  • Vorinstallierte Software: RAID Builder, E-Mail-Benachrichtigung, Buffalo Dashboard, Buffalo Replikation und Backup (Remote-Sicherungen möglich)
  • 3 Jahre beschränkte Garantie

Fazit

Für Unternehmen und professionelle Nutzer, die sehr hohe Ansprüche an die Daten- und Ausfallsicherheit ihres NAS haben, sollte RAID 6 das RAID-Level der Wahl sein. Nur so ist das System auch während des RAIDRebuilds nach einem Festplattenausfall vor Datenverlust geschützt. Da die Wiederherstellung eines RAIDs bei sehr großen, heutzutage üblichen Datenmengen durchaus auch ein oder zwei Tage daueren kann, ist das Risiko eines zweiten Festplattenausfalls oder eines „Nonrecoverable Read Errors“ während dieser Zeit zu hoch, als dass es Unternehmen einfach ignorieren könnten.

Windows Software unterstützt allerdings RAID 6 bisher nicht. Nutzer, die aufgrund der einfachen Integration und/oder Unternehmensrichtlinien auch bei ihrem NAS auf Windows Storage Server setzen, können mit der Buffalo TeraStation WSH mit Hardware-RAID diese Schwäche umgehen. Hardware-RAID bringt zudem weitere Vorteile vor allem im Bereich Performance und Stabilität und ist jetzt auch für Unternehmen mit geringeren Budgets erschwinglich.