RAID 10 und RAID 01 im Vergleich

Diese beiden RAID-Level sorgen häufig für erhebliche Verwirrung, teils weil sie fälschlicherweise als gleichbedeutend verwendet werden und oft schlicht, weil sie schlecht verstanden werden.

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass beide mit oder ohne Pluszeichen geschrieben werden können: RAID 10 ist RAID 1+0 und RAID 01 ist RAID 0+1. Merkwürdigerweise wird RAID 10 fast nie mit dem Plus geschrieben und RAID 01 fast nie ohne. Storage-Ingenieure sind sich im Allgemeinen einig, dass das Plus nie verwendet wird, da es überflüssig ist.

Beide dieser RAID-Level sind “zusammengesetzte” Level, die aus zwei verschiedenen, einfachen RAID-Typen kombiniert werden. Beide sind spiegelbasiertes, paritätsloses zusammengesetztes oder verschachteltes RAID. Beide haben im Wesentlichen identische Leistungsmerkmale – minimalen Overhead und minimale Latenz bei NX-Lesegeschwindigkeit und (NX)/2-Schreibgeschwindigkeit, wobei N die Anzahl der Laufwerke im Array und X die Leistung eines einzelnen Laufwerks im Array ist.

Was die beiden RAID-Level voneinander unterscheidet, ist der Umgang mit Laufwerksausfällen. Im Überblick: RAID 10 ist unter nahezu allen vernünftigen Szenarien äußerst sicher. RAID 01 hingegen wird mit zunehmender Größe des Arrays rasch recht riskant.

Bei einem RAID 10 führt der Ausfall eines einzelnen Laufwerks zur Degradierung eines einzigen RAID-1-Sets innerhalb des RAID-0-Stripes. Der Stripe-Level erfährt keine Degradierung, lediglich der eine einzelne RAID-1-Spiegel. Alle anderen Spiegel bleiben unberührt. Das bedeutet, dass unser einziges erhöhtes Risiko darin besteht, dass dieses eine einzelne Laufwerk nun ohne Redundanz läuft und keinerlei Schutz hat. Alle anderen gespiegelten Sets behalten ihren vollen Schutz. Unsere Gefährdung ist also ein einzelnes, ungeschütztes Laufwerk – ganz so, wie man es bei einem Desktop-Rechner erwarten würde.

Die Array-Reparatur bei einem degradierten RAID 10 ist das schnellstmögliche Reparaturszenario. Nach dem Austausch eines ausgefallenen Laufwerks geschieht lediglich, dass dieser eine Spiegel neu aufgebaut wird – was ein einfacher Kopiervorgang ist, der auf RAID-1-Ebene unterhalb des RAID-0-Stripes abläuft. Das bedeutet, dass der Spiegelungsprozess bei einem im Leerlauf befindlichen Gesamt-Array mit voller Geschwindigkeit ablaufen kann und das Gesamt-Array nicht einmal bemerkt, dass dies überhaupt geschieht. Eine Festplatte-zu-Festplatte-Spiegelung ist äußerst schnell, effizient und zuverlässig. Dies ist ein ideales Wiederherstellungsszenario. Selbst wenn mehrere Spiegel gleichzeitig degradiert sind und gleichzeitig repariert werden, gibt es keine zusätzliche Auswirkung, da der Wiederaufbau des einen die anderen nicht beeinträchtigt. Sowohl das Risiko als auch die Auswirkungen der Reparatur bei RAID 10 skalieren äußerst gut.

RAID 01 hingegen verliert beim Ausfall eines einzelnen Laufwerks sofort einen gesamten RAID-0-Stripe. In einem typischen RAID-01-Spiegel gibt es zwei RAID-0-Stripes. Das bedeutet, dass die Hälfte des gesamten Arrays ausgefallen ist. Sprechen wir von einem RAID-01-Array mit acht Laufwerken, macht der Ausfall eines einzelnen Laufwerks vier Laufwerke augenblicklich unbrauchbar und faktisch ausgefallen (die Hardware muss nicht ersetzt werden, aber die Daten auf den Laufwerken sind veraltet und müssen neu aufgebaut werden, um nützlich zu sein). Aus Risikoperspektive können wir dies also als einen Ausfall des gesamten Stripes betrachten.

Was nach dem Ausfall eines einzelnen Laufwerks übrig bleibt, ist nichts weiter als ein einzelner, ungeschützter RAID-0-Stripe. Das ist weitaus gefährlicher als der entsprechende RAID-10-Ausfall, denn statt nur einer einzigen, isolierten Festplatte, die gefährdet ist, sind nun mindestens zwei Festplatten und möglicherweise viele weitere gefährdet, und jedes diesem Risiko ausgesetzte Laufwerk vergrößert das Risiko erheblich.

Als Beispiel: Im kleinstmöglichen RAID-10- oder RAID-01-Array haben wir vier Laufwerke. Bei RAID 10 besteht beim Ausfall eines Laufwerks unser Risiko darin, dass auch sein zugehöriger Partner ausfällt, bevor wir das Array neu aufbauen. Wir sorgen uns nur um dieses eine Laufwerk; alle anderen Laufwerke im RAID-10-Set sind weiterhin geschützt und sicher. Nur dieses eine ist von Belang. Bei einem RAID 01 ist, wenn das erste Laufwerk ausfällt, sein Partner in seinem RAID-0-Set augenblicklich nutzlos und faktisch ausgefallen, da es im Array nicht mehr betriebsfähig ist. Übrig bleiben zwei Laufwerke ohne jeglichen Schutz, die nichts als RAID 0 betreiben, und somit haben wir dasselbe Risiko, das RAID 10 hatte, nur doppelt. Jedes Laufwerk trägt dasselbe Risiko wie das eine Laufwerk zuvor. Das macht unser Risiko selbst im besten Fall deutlich höher.

Für ein dramatischeres Beispiel betrachten wir jedoch ein großes RAID-10- und RAID-01-Array mit vierundzwanzig Laufwerken. Wiederum gilt bei RAID 10: Fällt ein Laufwerk aus, sind alle anderen, bis auf seinen einen Partner, weiterhin geschützt. Die zusätzliche Größe des Arrays fügte nahezu kein zusätzliches Risiko hinzu. Wir fürchten weiterhin nur den Ausfall dieses einen einzelnen Laufwerks. Im Gegensatz dazu hätte bei RAID 01 eines seiner RAID-0-Arrays versagt und durch den Ausfall eines Laufwerks zwölf Festplatten auf einmal außer Betrieb gesetzt, sodass die übrigen zwölf Festplatten in einem RAID 0 ohne jede Form von Schutz verbleiben. Die Wahrscheinlichkeit, dass eines von zwölf Laufwerken ausfällt, ist offensichtlich erheblich höher als die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Laufwerk ausfällt.

Das ist noch nicht das ganze Bild. Die Wiederherstellung der einzelnen RAID-10-Festplatte ist schnell, es handelt sich um einen direkten Kopiervorgang von einem Laufwerk auf das andere. Sie nutzt minimale Ressourcen und dauert nur so lange, wie ein einzelnes Laufwerk benötigt, um sich vollständig zu lesen und zu schreiben. RAID 01 hat dieses Glück nicht. Anders als RAID 10, das nur einen kleinen Teil des gesamten Arrays neu aufbaut – und zwar einen Teil, der nicht mit dem Array mitwächst; die Zeit zur Wiederherstellung eines RAID 10 mit vier Laufwerken oder eines RAID 10 mit vierzig Laufwerken nach einem Ausfall ist identisch – muss RAID 01 eine gesamte Hälfte des kompletten übergeordneten Arrays neu aufbauen. Im Fall des Arrays mit vier Laufwerken ist dies die doppelte Wiederaufbauarbeit des RAID 10, im Fall des Arrays mit vierundzwanzig Laufwerken jedoch das Zwölffache der zu leistenden Wiederaufbauarbeit. RAID-01-Wiederaufbauten dauern also länger, während dabei ein erheblich höheres Risiko besteht.

Es hält sich hartnäckig der Mythos, dass RAID 01 und RAID 10 unterschiedliche Leistungsmerkmale hätten, doch das ist nicht der Fall. Beide verwenden einfaches Striping und Mirroring, was faktisch Operationen ohne Overhead sind, die nahezu keinen Verarbeitungsaufwand erfordern. Beide erzielen die volle Leseleistung von jedem angeschlossenen Festplattengerät, und beide verlieren die Hälfte ihrer Schreibleistung an ihre Spiegelungsoperation (vorausgesetzt, es handelt sich um Zwei-Wege-Spiegel, was die einzige gängige Verwendung beider Array-Typen ist). Es gibt schlicht nichts, was RAID 01 oder RAID 10 schneller oder langsamer als das jeweils andere machen würde. Beide sind äußerst schnell.

Aufgrund der Eigenschaften der beiden Array-Typen ist klar, dass RAID 10 von beiden der einzige Typ ist, der innerhalb eines einzelnen Array-Controllers jemals existieren sollte. RAID 01 ist unnötig gefährlich und bietet keinerlei Vorteile. Sie nutzen denselben Kapazitäts-Overhead, sie haben dieselbe Leistung, sie kosten in der Umsetzung dasselbe, doch RAID 10 ist erheblich zuverlässiger.

Warum existiert RAID 01 also überhaupt? Teils existiert es aus Unkenntnis oder Verwirrung. Viele Menschen, die ihre eigenen zusammengesetzten RAID-Arrays implementieren, wählen RAID 01, weil sie den Mythos gehört haben, es sei schneller, und untersuchen, wie es bei RAID generell der Fall ist, nicht, warum es schneller sein sollte, und vergessen, seine Zuverlässigkeit und andere Faktoren zu prüfen. RAID 01 wird in lokalen Arrays wahrhaftig nur versehentlich implementiert.

Wenn wir RAID jedoch auf die Netzwerkebene heben, gibt es neue Faktoren zu berücksichtigen, und RAID 01 kann an Bedeutung gewinnen, ebenso wie sein seltener Verwandter RAID 61. Wir kennzeichnen mittels der Netzwerk-RAID-Notation, wo die lokalen und wo die Netzwerk-Ebenen des RAID existieren. In diesem Fall meinen wir also RAID 0(1) ODER RAID 6(1). Die Klammern kennzeichnen, dass der RAID-1-Spiegel, der “höchste” Teil des RAID-Stacks, über eine Netzwerkverbindung und nicht auf dem lokalen RAID-Controller läuft.

Wie würde dies bei RAID 0(1) aussehen? Wenn Sie zwei Server haben, jeder mit einem standardmäßigen RAID-0-Array, und Sie möchten, dass diese miteinander synchronisiert werden, um als ein einziges, zuverlässiges Array zu fungieren, könnten Sie eine Technologie wie DRBD (unter Linux) oder HAST (unter FreeBSD) verwenden, um aus dem lokalen Speicher jedes Servers ein Netzwerk-RAID-1-Array zu erstellen. Offensichtlich hat dies einen erheblichen Leistungs-Overhead, da das RAID-1-Array über die LAN-Verbindung mit hoher Latenz und geringer Bandbreite synchron gehalten werden muss. RAID 0(1) ist die Notation für diese Konfiguration. Würde jedes lokale RAID-0-Array durch ein zuverlässigeres RAID 6 ersetzt, würden wir die gesamte Konfiguration als RAID 6(1) schreiben.

Warum akzeptieren wir das Risiko von RAID 01, wenn es über ein Netzwerk läuft, und nicht, wenn es lokal ist? Das liegt an der Natur der Netzwerkverbindung. Im Fall von RAID 10 verlassen wir uns für den Schutz auf den niedrigen RAID-1-Teil des RAID-Stacks, und das RAID 0 sitzt obendrauf. Replizieren wir dies auf Netzwerkebene wie etwa bei RAID 1(0), so erhalten wir, dass jeder Host einen einzelnen Spiegel besitzt, der nur einen Teil der Daten des Arrays repräsentiert. Sollte einem Knoten im Array etwas zustoßen oder die Netzwerkverbindung ausfallen, würde das Array augenblicklich zerstört und jeder Knoten bliebe mit nutzlosen, unvollständigen Daten zurück. Es ist die Natur des hohen Risikos eines Knotenausfalls und des Risikos auf Ebene der Netzwerkverbindung, die RAID-Entscheidungen in einer Netzwerkumgebung äußerst verschieden macht. Dies wird zu einem eigenen, komplexen Thema.

Es genügt zu sagen: Bei der Arbeit mit normalen RAID-Array-Controllern oder mit lokalem Speicher und Software-RAID nutzen Sie ausschließlich RAID 10 und niemals RAID 01.