Eine Speicherlösung für virtuelle Server dimensionieren

Acht Laufwerke, aber noch keine belastbare Lösung

Die Stadtteilwerke Hainbach betreiben zwölf virtuelle Server. Darunter liegen eine Einsatzplanung, ein Dokumentenserver und mehrere interne Dienste. Die virtuellen Festplatten belegen zusammen 18 TiB. Die Datenmenge soll in den nächsten drei Jahren jährlich um 25 Prozent wachsen. Danach möchte das Betriebsteam noch 20 Prozent freie Reserve haben.

Für die neue Speicherplattform stehen acht gleich große Laufwerke mit jeweils 8 TiB zur Auswahl. Der Anbieter nennt mehrere RAID-Varianten. Gleichzeitig zeigt die Messung der bisherigen Systeme zwei unterschiedliche Lasten:

• Die Einsatzplanung erzeugt viele kleine, zufällige Ein- und Ausgaben.
• Der Dokumentenserver überträgt regelmäßig große, zusammenhängende Dateien.

Dein Auftrag ist deshalb mehr als die Auswahl der größten Laufwerkszahl. Du brauchst ausreichend nutzbare Kapazität, ein passendes Leistungsprofil und eine begründete Ausfallgrenze. Außerdem muss klar bleiben, welche Risiken erst eine Datensicherung abdeckt.

Nach dieser Lektion kannst du den Bedarf berechnen, IOPS, Durchsatz und Latenz passend einordnen, RAID-Varianten vergleichen und deine Auswahl mit überprüfbaren Anforderungen begründen.

Kapazität beginnt bei einem Zeitpunkt

Die 18 TiB beschreiben den heutigen belegten Speicher. Würdest du nur darauf eine Reserve aufschlagen, fehlte das Wachstum der nächsten Jahre. Deshalb rechnest du in dieser Reihenfolge:

1. aktuellen Datenbestand festhalten,
2. Wachstum bis zum Planungszeitpunkt berechnen,
3. anschließend die Betriebsreserve ergänzen.

Bei wiederholtem Wachstum wächst auch der Zuwachs des Vorjahres mit. Für drei Jahre mit jeweils 25 Prozent gilt daher:

Bedarf nach Wachstum = 18 TiB × 1,25³
                      = 35,15625 TiB

Bedarf mit Reserve   = 35,15625 TiB × 1,20
                      = 42,1875 TiB

Gerundet braucht Hainbach also mindestens 42,2 TiB nutzbare Kapazität. Die Reserve von 20 Prozent wird auf den erwarteten Bedarf aufgeschlagen. Sie ist nicht dasselbe wie “20 Prozent des Speichers bleiben frei”. Für exakt 20 Prozent freien Anteil an einer unbekannten Gesamtkapazität müsste der erwartete Bedarf durch 0,8 geteilt werden. Anforderungen sollten deshalb sagen, welche der beiden Bedeutungen gemeint ist.

Speicherleistung hat drei verschiedene Blickwinkel

Eine einzelne Angabe wie “schneller Speicher” reicht nicht für die Auswahl. Speicherleistung wird häufig mit drei Größen beschrieben:

• IOPS zählen, wie viele Ein- und Ausgabeoperationen pro Sekunde abgeschlossen werden. Die Kennzahl ist besonders bei vielen kleinen, zufälligen Zugriffen wichtig.
• Durchsatz beschreibt, wie viele Daten pro Zeit übertragen werden, zum Beispiel in MiB/s oder MB/s. Er ist besonders bei großen, zusammenhängenden Dateien wichtig.
• Latenz beschreibt die Zeit bis zur Antwort auf eine einzelne Operation, meist in Millisekunden. Sie ist besonders bei interaktiven und seriell abhängigen Zugriffen wichtig.

Die Größen hängen zusammen, sind aber nicht austauschbar. 15.000 Operationen mit jeweils 16 KiB ergeben bei vollständig übertragener Nutzlast rechnerisch etwa 234,4 MiB/s:

15.000 IOPS × 16 KiB = 240.000 KiB/s
240.000 KiB/s ÷ 1.024 = 234,375 MiB/s

Das ist eine Rechenbeziehung, keine Leistungsgarantie. Protokoll-Overhead, Warteschlangen, Caches, Lese-/Schreibmix und Zugriffsmuster beeinflussen das Ergebnis. Ein Datenblatt-Maximum unter anderen Testbedingungen belegt deshalb nicht, dass die Anwendung ihr Ziel erreicht.

Für Hainbach wird das Lastprofil konkret beschrieben:

• Die Einsatzplanung benötigt im Spitzenzeitraum 12.000 Lese- und 3.000 Schreiboperationen pro Sekunde bei überwiegend 16 KiB großen, zufälligen Zugriffen.
• Der Dokumentenserver soll große Dateien mit mindestens 600 MiB/s lesen können.
• Die 95. Perzentil-Latenz der Einsatzplanung soll beim Lesen unter 5 ms bleiben. Das bedeutet: Mindestens 95 Prozent der gemessenen Leseoperationen erfüllen diesen Grenzwert. Ein Durchschnitt allein könnte einzelne langsame Antworten verdecken.

Ein Benchmark muss die echte Last nachbilden

Ein Speichertest ist nur dann aussagekräftig, wenn seine Bedingungen zur späteren Nutzung passen. Für die Einsatzplanung gehören mindestens Blockgröße, Anteil von Lese- und Schreibzugriffen, zufälliger oder sequenzieller Zugriff, Parallelität, Testdauer und Füllstand ins Protokoll. Für den Dokumentenserver ist dagegen ein Test mit großen sequenziellen Dateien sinnvoll.

Auch der Testort zählt. Ein Benchmark direkt auf dem Speichersystem kann Netzwerk, Protokoll und Client ausblenden. Ein End-to-End-Test vom späteren Server bis zum Speicher erfasst diese Kette. Caches können einen kurzen Test künstlich beschleunigen. Deshalb werden Aufwärmphase und Messphase getrennt dokumentiert.

RAID verteilt Daten und Redundanz über mehrere Laufwerke

RAID fasst mehrere Laufwerke zu einem logischen Speicher zusammen. Je nach Level werden Daten verteilt, gespiegelt oder durch Paritätsinformationen abgesichert. Redundanz kostet nutzbare Kapazität. Dafür kann der Verbund bestimmte Laufwerksausfälle überstehen.

Für acht gleich große Laufwerke mit jeweils 8 TiB ergibt das vereinfachte Kapazitätsmodell:

• RAID 5: (n - 1) × kleinste Laufwerksgröße ergibt 56 TiB. Der Verbund toleriert genau einen Laufwerksausfall.
• RAID 6: (n - 2) × kleinste Laufwerksgröße ergibt 48 TiB. Der Verbund toleriert bis zu zwei Laufwerksausfälle.
• RAID 10: n ÷ 2 × kleinste Laufwerksgröße ergibt 32 TiB. Der Verbund toleriert mindestens einen Laufwerksausfall. Mehrere sind nur möglich, wenn nicht beide Laufwerke desselben Spiegelpaars ausfallen.

Das Modell setzt gleich große Laufwerke voraus und lässt Metadaten, Dateisystem, Herstellerreserve und Hot Spare außen vor. Bei unterschiedlich großen Laufwerken begrenzt im üblichen Verbund das kleinste Mitglied die verwendbare Größe pro Laufwerk.

Für Hainbach erfüllt RAID 10 den Kapazitätsbedarf von 42,2 TiB nicht. RAID 5 und RAID 6 passen rechnerisch. Die Auswahl ist damit noch nicht beendet. RAID 5 verliert beim ersten Laufwerksausfall seine Redundanz. RAID 6 kann während der Wiederherstellung noch einen zweiten Laufwerksausfall verkraften. Das ist eine stärkere, klar benennbare Ausfallgrenze, kostet hier aber 8 TiB zusätzliche Kapazität gegenüber RAID 5.

RAID 10 kann bei schreibintensiven Lasten vorteilhaft sein, weil keine Parität berechnet und aktualisiert werden muss. Seine konkrete Leistung hängt trotzdem von Controller, Laufwerken, Software, Queue-Tiefe und Lastprofil ab. Pauschale Leistungsfaktoren wären ohne diese Randbedingungen irreführend. Für Hainbach bräuchte RAID 10 außerdem mehr oder größere Laufwerke, um die Kapazitätsanforderung zu erfüllen.

Redundanz ersetzt keine Datensicherung

RAID schützt innerhalb seiner Ausfallgrenze vor dem Ausfall einzelner Laufwerke. Es hält einen Dienst im besten Fall verfügbar, während ein defektes Laufwerk ersetzt und der Verbund wiederhergestellt wird.

Eine Datensicherung löst ein anderes Problem. Sie hält unabhängige Datenstände für eine Wiederherstellung bereit. Das BSI grenzt RAID-Spiegelungen ausdrücklich von einer Datensicherung ab, weil gespiegelte Daten gleichzeitig verändert werden. Eine versehentlich gelöschte Datei wird deshalb auch im RAID gelöscht. Dasselbe gilt für unerwünschte Verschlüsselung durch Schadsoftware, wenn sie über den normalen Datenpfad auf den Verbund wirkt.

RAID schützt außerdem nicht automatisch vor einem fehlerhaften Controller, einer falschen Administration, Diebstahl, Feuer oder einem Schaden am gesamten Standort. Welche Datensicherung nötig ist, folgt aus Schutzbedarf, tolerierbarem Datenverlust, geforderter Wiederherstellungszeit und den betrachteten Schadensszenarien. Sicherungen müssen nicht nur erstellt, sondern auch durch Wiederherstellungstests geprüft werden.

Begründe die Auswahl für Hainbach

Für die vorliegenden Anforderungen ist RAID 6 mit acht Laufwerken zu je 8 TiB eine begründbare Ausgangsvariante. Die vereinfachte Nutzkapazität von 48 TiB liegt über dem berechneten Ziel von 42,2 TiB. Der Verbund kann bis zu zwei Laufwerksausfälle verkraften. Gegenüber RAID 5 bleiben damit während des Austauschs eines ausgefallenen Laufwerks größere Redundanzreserven.

Diese Entscheidung ist noch keine Freigabe zur Beschaffung. Der Anbieter muss zeigen, dass die konkrete Kombination aus Laufwerken, Controller, Netzwerk und Virtualisierung die IOPS-, Durchsatz- und Latenzziele im passenden Lastprofil erreicht. Außerdem werden Dateisystem- und Metadatenbedarf, Ersatzlaufwerke, Überwachung, Rebuild-Verhalten, Wartungsverfahren und eine unabhängige Datensicherung in die Betriebsplanung aufgenommen.

Was du aus der Planung mitnimmst

Eine Speicherlösung entsteht aus mehreren Nachweisen. Zuerst berechnest du den Bedarf bis zu einem festgelegten Zeitpunkt und ergänzt die klar definierte Reserve. Danach vergleichst du die tatsächlich nutzbare RAID-Kapazität. IOPS, Durchsatz und Latenz bewertest du am Lastprofil statt an einer einzelnen Maximalangabe.

Das gewählte RAID benennt eine Ausfallgrenze, aber keinen vollständigen Datenschutz. Eine unabhängige und getestete Datensicherung bleibt Teil der Lösung. Erst wenn Kapazität, Leistung, Ausfallverhalten und Wiederherstellung gemeinsam nachvollziehbar sind, ist die Auswahl belastbar.

Belegmatrix für die fachliche Prüfung

• Bedarf mit Wachstum und Reserve berechnen: LF10b trägt Skalierbarkeit und die Auswahl nach Kundenanforderung, A9 die Integration von Speicherlösungen. Geprüft wird das Ziel in der Szenariorechnung und Zahlenaufgabe.
• IOPS, Durchsatz und Latenz einordnen: § 21 nennt das Integrieren und Verwalten von Speicherlösungen. Die AWS-Fachquelle trägt die Messgrößen. Geübt werden sie in Zuordnung und Benchmark-Mehrfachauswahl.
• RAID-Kapazität und Ausfallgrenzen beurteilen: Der FISI-Prüfungskatalog ordnet RAID der AP2 zu. Red Hat trägt RAID, Spiegelung und Parität. Die Aktivität besteht aus Vergleich, Zahlenaufgabe und Quiz.
• RAID von Datensicherung abgrenzen: LF10b trägt die Planung der Datensicherung. BSI CON.3 grenzt die RAID-Spiegelung von einer Datensicherung ab. Fallentscheidung und Transferaufgabe prüfen das Ziel.
• Eine Variante begründet auswählen: LF10b fordert die Auswahl nach Verfügbarkeit, Skalierbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit. C1 und C3 ergänzen Planung und Administration. Die vollständige Transfersituation verbindet die Anforderungen.

Abgrenzung: Die Lektion nutzt ein neu entwickeltes Szenario und neue Zahlen. Beispielprüfungen dienten nur dazu, wiederkehrende Aufgabenformen wie Kapazitätsrechnung, begründete RAID-Auswahl und Benchmarkplanung zu erkennen. Sie macht keine Aussage darüber, welche Aufgabe in einem konkreten Prüfungstermin vorkommt. Produktbezogene Leistungswerte werden bewusst nicht verallgemeinert; sie müssen am späteren System gemessen werden.