Hardware- und Software-RAID

RAID-Systeme, Redundant Array of Inexpensive Disks, werden auf eine von zwei grundlegenden Arten umgesetzt: als Software oder als dedizierte Hardware. Beide Methoden sind durchaus brauchbar und haben ihre eigenen Vorzüge.

Im Umfeld kleiner Unternehmen, wo Systeme mit Intel- und AMD-Architektur sowie Windows-Betriebssysteme vorherrschen, ist Hardware-RAID so verbreitet, dass rund um Software-RAID viel Verwirrung entstanden ist – nicht zuletzt, wie wir sehen werden, aufgrund der Fülle betrügerischer Software-RAID-Produkte, die als dedizierte Hardware angepriesen und umgangssprachlich als „Fake RAID“ bezeichnet werden.

Als RAID erstmals entwickelt wurde, kam es als Software auf High-End-Enterprise-Servern zum Einsatz, auf denen beispielsweise proprietäres UNIX lief, wo die Systeme äußerst stabil und die Hardware sehr leistungsfähig und robust waren, sodass Software-RAID sehr gut funktionierte. Frühes RAID konzentrierte sich vorwiegend auf gespiegeltes RAID oder sehr einfaches Paritäts-RAID (wie RAID 2), das nur wenig Overhead verursachte.

Als der Bedarf an RAID in das Umfeld kleinerer Server überzugreifen begann und als Paritäts-RAID an Beliebtheit gewann und zu seiner Unterstützung größere Rechenleistung erforderte, wurde es zu einem Problem, dass die leistungsschwachen Prozessoren im x86-Umfeld durch die Rechenlast von RAID, insbesondere RAID 5, erheblich beeinträchtigt wurden. Dies führte, zusammen mit dem Umstand, dass nahezu kein auf diesen Plattformen stark genutztes Betriebssystem über Software-RAID-Implementierungen verfügte, zur natürlichen Entwicklung von Hardware-RAID – einer Offload-Prozessorkarte (ähnlich einer GPU für Grafik), die über einen eigenen vollständigen Computer mit eigener CPU, eigenem Speicher und eigener Firmware verfügte.

Hardware-RAID löste das Problem des RAID-Overheads im x86-Server-Umfeld sehr gut. Als CPUs leistungsfähiger wurden und Speicher weniger knapp wurde, begannen verbreitete x86-Betriebssysteme wie Windows Server, Software-RAID-Optionen anzubieten. Insbesondere Windows-Software-RAID war als schlechte RAID-Implementierung bekannt und nur in den Server-Versionen der Betriebssysteme verfügbar, was zu einer mangelnden Wertschätzung von Software-RAID in der Gemeinschaft der überwiegend mit Windows arbeitenden Systemadministratoren führte.

Aufgrund der historischen Implementierungen im Enterprise-Server-Umfeld und im Commodity-x86-Umfeld entstand eine natürliche Trennung zwischen den beiden Märkten, die anfangs durch die Technik und später rein durch Ideologie gestützt wurde. Wenn Sie mit einem Systemadministrator im Commodity-Umfeld sprechen, werden Sie nahezu durchweg hören, dass Hardware-RAID die einzige Option sei. Sprechen Sie dagegen mit einem Systemadministrator im Umfeld von Mainframes, RISC (Sparc, Power, ARM) oder EPIC (Itanium) Servern (manchmal UNIX-Server genannt), werden Sie oft auf Überraschung stoßen, da Hardware-RAID für diese Systemklassen gar nicht verfügbar ist – Software-RAID ist schlicht eine ausgemachte Sache. Keines der beiden Lager scheint wirklich über die Situation im jeweils anderen Bescheid zu wissen, und Überschneidungen der Kompetenzen zwischen beiden sind bis vor Kurzem relativ selten gewesen, da Enterprise-UNIX-Plattformen wie Linux, Solaris und FreeBSD begonnen haben, auf Commodity-Hardware-Plattformen sehr beliebt und gut verstanden zu werden.

Um die Sache für das Commodity-Server-Umfeld noch verwirrender zu machen, begann eine Vielzahl von Anbietern, das durch das Fehlen von Software-RAID des dominierenden Betriebssystemanbieters für den Markt der Nicht-Server-Betriebssysteme entstandene Vakuum zu füllen und dabei eine weniger technisch versierte Zielgruppe anzusprechen, indem sie Nicht-RAID-Controllerkarten zusammen mit einem „Treiber“ verkauften, der tatsächlich Software-RAID war, und vorgaben, das resultierende Produkt sei in Wirklichkeit Hardware-RAID. Dies sorgte bestenfalls für große Verwirrung und schlimmstenfalls für eine ungeheure Geringschätzung von Software-RAID, da nahezu durchweg jedes System, dessen Kernfunktion der Schutz von Daten ist und dessen Markt auf Täuschung und Verwirrung aufgebaut ist, in einer Katastrophe enden wird. Fake-RAID-Systeme haben regelmäßig Probleme mit Leistung und Zuverlässigkeit. Während ein Software-RAID-Paket eines Drittanbieters theoretisch eine vernünftige Option ist, sieht die Realität des Software-RAID-Marktes so aus, dass im Wesentlichen alle hochwertigen Software-RAID-Implementierungen native Bestandteile entweder des Betriebssystems selbst (Linux, Mac OSX, Solaris, Windows) oder des Dateisystems (ZFS, VxFS, BtrFS) sind und von den Hauptanbietern bereitgestellt und gepflegt werden, sodass wenig Raum oder Zweck für Drittanbieterprodukte bleibt – mit Ausnahme des Windows-Desktop-Umfelds, in dem einige wenige, kleine seriöse Software-RAID-Anbieter existieren, die jedoch oft von den Fake-RAID-Anbietern überschattet werden.

Heute besteht nahezu kein Bedarf mehr an Hardware-RAID, da Commodity-Plattformen unglaublich leistungsfähig sind und fast immer ein dramatischer Überschuss sowohl an Rechen- als auch an Speicherressourcen vorhanden ist. Hardware-RAID konkurriert stattdessen überwiegend über Funktionen statt über die Reduzierung der Ressourcenlast. Die Wahl zwischen Hardware-RAID und Software-RAID im Commodity-Server-Umfeld ist nahezu vollständig eine Frage der Präferenz und des Marktimpulses und nicht spezifischer Leistung oder Funktionen – beide Plattformen sind im Wesentlichen gleichwertig, wobei die einzelnen Implementierungen bei der Betrachtung von Produktoptionen weitaus wichtiger sind als die Hardware- und Softwareansätze für sich genommen.

Heutige Hardware-RAID-Angebote tendieren dazu, eher „generisch“ zu sein, mit recht schlichten Implementierungen der Standard-RAID-Level. Hardware-RAID neigt dazu, seinen Wert durch die Reduzierung der Ressourcennutzung (CPU- und Speicher-Offload), die Möglichkeit zum „blinden Tausch“ ausgefallener Laufwerke, vereinfachte Speicherverwaltung, vom Betriebssystem unabhängig abstrahierten Speicher auf Blockebene, schnellen, nah an den Laufwerken befindlichen Cache sowie batterie- oder flash-gepufferten Cache zu erlangen. Software-RAID neigt dazu, seinen Wert durch geringeren Stromverbrauch, niedrigere Anschaffungskosten, in das Betriebssystem integrierte Verwaltung, einzigartige oder fortschrittliche RAID-Funktionen (wie ZFS' RAIDZ, das nicht unter dem Write Hole des Standard-RAID 5 leidet) und insgesamt allgemein bessere Leistung zu erlangen. Es ist wahrhaftig keine Diskussion über besser oder schlechter, sondern über besser oder schlechter für eine ganz bestimmte Situation, wobei der wichtigste Faktor oft Vertrautheit und Wohlbefinden und/oder das Standardangebot des Anbieters ist.

Einer der am häufigsten übersehenen, aber wichtigen Unterscheidungsmerkmale zwischen Hardware- und Software-RAID ist die Veränderung der mit der Verwaltung des RAID-Arrays verbundenen Aufgabenrolle. Hardware-RAID verlagert die Handhabung des Arrays auf den Server-Administrator (die Support-Rolle, die am physischen Server arbeitet und im Rechenzentrum stationiert ist), während Software-RAID die Handhabung des Arrays auf den Systemadministrator verlagert (die Support-Rolle, die am Betriebssystem und darüber arbeitet und selten im Rechenzentrum sitzt). Im SMB-Markt mag dieser Faktor völlig übersehen werden, doch in einem Fortune-500-Unternehmen kann der Unterschied in der Aufgabenrolle sehr bedeutsam sein. In vielen Fällen können bei Hardware-RAID der Austausch von Festplatten und die Systemeinrichtung ohne die Notwendigkeit eines Eingreifens des Systemadministrators erfolgen. Server-Administratoren im Rechenzentrum können ausgefallene Laufwerke entweder über Warnmeldungen oder durch das Suchen nach „bernsteinfarbenen Leuchten“ bei Rundgängen entdecken und den Austausch im laufenden Betrieb vornehmen, ohne jemanden kontaktieren oder auch nur wissen zu müssen, was auf dem Server überhaupt läuft. Bei Software-RAID müsste der Systemadministrator nahezu immer in die Verwaltung des Offline-Schaltens eines ausgefallenen Datenträgers, die Koordination des Austauschvorgangs mit dem Rechenzentrum und das Online-Schalten des neuen Datenträgers nach Abschluss des Austauschvorgangs einbezogen werden.

Aufgrund der Art und Weise, wie CPU-Offloading und Leistung funktionieren, und aufgrund einiger Vorteile in der Art und Weise, wie nicht standardmäßige RAID-Implementierungen oft die Wiederherstellung von Paritäts-RAID handhaben, besteht eine Tendenz, dass gespiegelte RAID-Level Hardware-RAID begünstigen und Software-RAID-Level Paritäts-RAID begünstigen. Paritäts-RAID ist drastisch CPU-intensiver, sodass der Zugriff auf die leistungsstarken zentralen CPU-Ressourcen ein wesentlicher Faktor bei der Beschleunigung von RAID-Berechnungen sein kann. Doch bei gespiegeltem RAID, wo die RAID-Wiederherstellung weitaus sicherer ist als bei Paritäts-RAID und wo automatisierte Rebuilds wichtiger sind, bringt Hardware-RAID den Vorteil, einen blinden Laufwerksaustausch sehr leicht zu ermöglichen.

Ein Aspekt der Diskussion über Hardware- und Software-RAID, der äußerst paradox ist, besteht darin, dass derselbe Markt, der Software-RAID oft ohne Weiteres als Hardware-RAID unterlegen abtut, sich nahezu vollständig überschneidet (Sie können sich das Venn-Diagramm hierzu im Kopf vorstellen) mit dem Markt, der der Ansicht ist, dass Dateiserver Commodity-NAS-Appliances unterlegen seien – obwohl diese NAS-Appliances im SMB-Bereich nahezu durchweg auf denselben Software-RAID-Implementierungen basieren, die beiläufig abgetan werden. So wird es oft gleichzeitig als unterlegen und überlegen betrachtet. Zu den auf Software-RAID basierenden NAS-Geräten im SMB-Bereich sowie zur NAS-Appliance-Software zählen: Netgear ReadyNAS, Netgear ReadyData, Buffalo Terastation, QNAP, Synology, OpenFiler, FreeNAS, Nexenta und NAS4Free.

Bei Hardware- und Software-RAID gibt es wahrhaftig kein „verwende stets die eine oder die andere Variante“. Selbst riesige, sechsstellige Enterprise-NAS- und SAN-Appliances sind unentschieden, welche zu verwenden ist, wobei ein Teil der Branche jeweils in die eine oder andere Richtung geht. Die wahre Antwort lautet: Es hängt von Ihrer spezifischen Situation ab – Ihrer Aufgabenteilung, Ihren technischen Anforderungen, Ihrer Erfahrung, Ihrem Budget usw. Beide Optionen sind in jeder Organisation vollkommen brauchbar.