Laufwerkserscheinung

Eines der häufigeren und zugleich kniffligeren grundlegenden Konzepte in der heutigen Informationstechnik ist das Konzept der Laufwerkserscheinung oder, mit anderen Worten, etwas, das wie eine Festplatte erscheint. Das mag einfach klingen, und größtenteils ist es das auch, aber es kann knifflig sein.

Zunächst: Was ist eine Festplatte? Das sollte einfach sein. Normalerweise meinen wir damit ein herkömmliches Winchester-Gerät mit rotierender Magnetscheibe, wie es seit Jahrzehnten in den Standard-Formfaktoren von dreieinhalb sowie zweieinhalb Zoll gefertigt wird. Sie enthalten rotierende Platter, einen Schreib-/Lesekopf, der sich vor und zurück bewegt, und werden über etwas wie ATA- oder SCSI-Anschlüsse verbunden. Die meisten von uns können eine Festplatte mit den Händen aufnehmen und sich sicher sein, dass wir eine Festplatte halten. Dies ist das, was wir die physische Ausprägung des Laufwerks nennen.

Für den Computer jedoch sind weder das Gehäuse des Laufwerks noch die Anschlüsse sichtbar. Der Computer muss durch seine Elektronik hindurchblicken und das Laufwerk digital „sehen“. Dies unterscheidet sich sehr, sehr stark davon, wie Menschen das physische Laufwerk betrachten. Für den Computer erscheint eine Festplatte auf der grundlegendsten physischen Ebene als ATA-, SCSI- oder Fibre-Channel-Gerät und wird im Allgemeinen auf einer höheren Ebene als Blockgerät abstrahiert. Dies ist das, was wir eine logische Erscheinung nennen würden, im Gegensatz zu einer physischen. Für unsere Zwecke hier werden wir alle diese Laufwerksschnittstellen als Blockgeräte betrachten. Sie unterscheiden sich zwar, aber nur geringfügig und nicht in einer für diese Erörterung bedeutsamen Weise. Wichtig ist, dass es eine standardisierte Schnittstelle oder einen Satz eng verwandter Schnittstellen gibt, die vom Computer als Festplatte wahrgenommen werden.

Eine andere Sichtweise auf die logische Laufwerkserscheinung ist die, dass alles, was für den Computer wie eine Festplatte aussieht, etwas ist, auf dem der Computer mit einem Dateisystem formatieren kann. Dateisysteme sind selbst keine Laufwerke, sondern benötigen ein Laufwerk, auf dem sie abgelegt werden.

Das Konzept der Schnittstelle ist hier das wichtigste. Für den Computer ist es „alles, was eine Festplattenschnittstelle implementiert“, das tatsächlich als Festplatte wahrgenommen wird. Dies ist sowohl ein einfaches als auch ein mächtiges Konzept.

Gerade wegen der Verwendung einer standardisierten Schnittstelle konnten wir Flash-Speicher nehmen, ihn an einen Festplattencontroller anschließen, der ihn über ein Standardprotokoll präsentiert (sowohl SATA- als auch SAS-Implementierungen von ATA und SCSI sind hierfür heute üblich), und SSDs erschaffen, die für den Computer genau wie herkömmliche Winchester-Laufwerke aussehen und sich verhalten, physisch jedoch nichts mit ihnen gemein haben. Sie mögen in einem vertrauten physischen Formfaktor daherkommen oder auch nicht, doch fehlen ihnen definitiv Platter und ein Schreib-/Lesekopf. Betrachtet man die Funktionsweise einer herkömmlichen Festplatte und einer modernen SSD, würden wir nicht vermuten, dass sie einen gemeinsamen Zweck haben.

Dieses Konzept gilt für viele Geräte. Offensichtlich funktionieren SD-Karten und USB-Speichersticks auf dieselbe Weise. Wichtiger noch ist jedoch, dass auf diese Weise Partitionen auf Festplatten funktionieren. Das Partitionierungssystem nutzt auf der einen Seite das Konzept der Laufwerkserscheinungsschnittstelle, um auf ein Gerät angewendet werden zu können, und auf der anderen Seite präsentiert es eine Laufwerkserscheinungsschnittstelle gegenüber allem, was sie nutzen möchte; normalerweise einem Dateisystem. Diese Vorstellung von etwas, das auf beiden Seiten die Laufwerkserscheinungsschnittstelle verwendet, ist sehr wichtig. Dadurch erhalten wir ein einheitliches und universelles Baukastensystem zum Aufbau komplexer Speichersysteme!

Wir begegnen diesem Konzept des „Laufwerk hinein, Laufwerk heraus“ in vielen Fällen. Das wohl bekannteste ist RAID. Ein RAID-System nimmt ein Array von Festplatten, wendet einen von mehreren Algorithmen an, damit die Laufwerke als Team agieren, und präsentiert sie dann als eine einzige Laufwerkserscheinung gegenüber dem nächsten System weiter oben im „Stapel“. Diese Kapselung ist es, die RAID seine Leistungsfähigkeit verleiht: Systeme weiter oben im Stapel, die ein RAID-Array betrachten, sehen buchstäblich eine Festplatte. Sie sehen nicht das Array von Laufwerken, sie wissen nicht, was sich unterhalb des RAID befindet. Sie sehen lediglich das resultierende Laufwerk bzw. die resultierenden Laufwerke, die das RAID-System präsentiert.

Da ein RAID-System eine beliebige Anzahl von Laufwerken nimmt und sie als ein Standardlaufwerk präsentiert, haben wir die theoretische Möglichkeit, RAID so oft zu schichten, wie wir möchten. Natürlich wäre dies in nennenswertem Umfang äußerst unpraktisch. Aber durch dieses Konzept werden verschachtelte RAID-Arrays möglich. Hätten wir beispielsweise viele physische Festplatten, die in Paare aufgeteilt sind, und jedes Paar in einem RAID-1-Array. Jedes der daraus resultierenden Arrays wird als ein einziges Laufwerk präsentiert. Jedes dieser resultierenden logischen Laufwerke kann in einem weiteren RAID-Array kombiniert werden, etwa RAID 0. Auf diese Weise wird RAID 10 aufgebaut. Geht man noch weiter, könnten wir eine Reihe von RAID-10-Arrays nehmen, sie alle einem weiteren RAID-System präsentieren, das sie erneut in RAID 0 zusammenfasst, und erhielten RAID 100 und so weiter, beliebig fortgesetzt.

Auf ähnliche Weise nutzt die Ebene der logischen Volumes dieselbe Art der Kapselung wie RAID, um ihre Wirkung zu entfalten. Logical Volume Manager, etwa LVM unter Linux und Dynamische Datenträger unter Windows, sitzen oberhalb logischer Laufwerke und stellen eine Ebene bereit, auf der man mächtige Verwaltungsaufgaben durchführen kann, etwa Geräte flexibel zu erweitern oder Snapshots zu ermöglichen, und präsentieren dann logische Laufwerke (auch Laufwerkserscheinungsschnittstelle genannt) gegenüber der nächsten Ebene des Stapels.

Aufgrund des einheitlichen Wesens von Laufwerkserscheinungen kann der Stapel in beliebiger Reihenfolge zustande kommen. Ein Logical Volume Manager kann oberhalb von RAID sitzen, oder RAID kann oberhalb eines Logical Volume Managers sitzen, und natürlich kann man das eine oder das andere oder beides weglassen!

Das Konzept der Laufwerkserscheinungen oder logischen Festplatten ist in seiner Einfachheit mächtig und eröffnet uns ein großes Potenzial, Speichersysteme genau so anzupassen, wie wir sie brauchen.

Natürlich gibt es auch weitere Anwendungen des Konzepts des logischen Laufwerks. Eine der beliebtesten und am wenigsten verstandenen ist die eines SAN. Ein SAN ist nichts weiter als ein Gerät, das eine oder mehrere physische Festplatten nimmt und sie als logische Laufwerke (diese Präsentation eines logischen Laufwerks aus einem SAN wird als LUN bezeichnet) über das Netzwerk präsentiert. Das ist, ganz buchstäblich, alles, was ein SAN ist. Die meisten SANs werden eine RAID-Ebene und wahrscheinlich eine Logical-Volume-Manager-Ebene einbinden, bevor sie die endgültigen LUNs, also Laufwerkserscheinungen, dem Netzwerk präsentieren, doch ist dies nicht erforderlich, um ein SAN zu sein.

Das bedeutet natürlich, dass mehrere SAN-LUNs in einem einzigen RAID kombiniert oder über eine Logical-Volume-Ebene gesteuert werden können. Und es bedeutet natürlich, dass eine SAN-LUN, eine physische Festplatte, ein RAID-Array, ein logisches Volume, eine Partition … allesamt mit einem Dateisystem formatiert werden können, da sie alle unterschiedliche Mittel sind, dasselbe Ergebnis zu erzielen. Sie verhalten sich alle identisch. Sie teilen sich alle die Laufwerkserscheinungsschnittstelle.

Um ein praxisnahes Beispiel dafür zu geben, wie man all diese Bestandteile häufig zusammenkommen sehen würde, betrachten wir einen der häufigsten „Speicherstapel“, die man im Unternehmensbereich antrifft. Natürlich gibt es viele Wege, einen Speicherstapel aufzubauen, seien Sie also nicht überrascht, wenn Ihrer anders aussieht. Am unteren Ende des Stapels befinden sich nahezu immer physische Festplatten, zu denen auch Solid-State-Laufwerke gehören können. Diese sind physisch innerhalb eines SAN angesiedelt. Bevor der Stapel das SAN verlässt, wird er wahrscheinlich die eigentliche Speicherebene der Laufwerke umfassen, dann eine RAID-Ebene, die diese Laufwerke zu einer einzigen Einheit zusammenfasst. Dann eine Logical-Volume-Ebene, um Funktionen wie Vergrößerung und Snapshots zu ermöglichen. Dann gibt es die physische Trennlinie zwischen dem SAN und dem Server, die als LUN präsentiert wird. Auf die LUN wird anschließend auf der Server- bzw. Betriebssystemseite der Trennlinie ein Logical Volume Manager angewendet. Oberhalb dieser LUN befindet sich dann ein Dateisystem, was unser letzter Schritt ist, da das Dateisystem nicht länger eine Laufwerkserscheinungsschnittstelle, sondern stattdessen eine Dateischnittstelle präsentiert.

Das Verständnis der Laufwerkserscheinung, oder logischer Laufwerke, und dessen, wie diese es Komponenten ermöglichen, miteinander zu interagieren, um komplexe Speichersubsysteme aufzubauen, ist ein entscheidender Baustein für das IT-Verständnis und in weitem Umfang auf eine große Zahl von IT-Tätigkeiten anwendbar.