RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks) ist eine Technologie zur Kombination mehrerer Festplatten zu einem logischen Laufwerk. Sie bietet je nach RAID-Level mehr Speicherkapazität, höhere Performance oder Ausfallsicherheit durch Datenredundanz.

RAID (Redundant Array of Independent Disks) ist eine Speichertechnologie, die mehrere physische Festplatten oder SSDs zu einem logischen Laufwerk zusammenfasst. Ziel ist es, durch geschickte Datenverteilung entweder die Leistung, die Datensicherheit oder beides zu verbessern. Ursprünglich stand RAID für "Redundant Array of Inexpensive Disks", wurde aber später in "Independent" umbenannt, um den Fokus auf die Funktion statt auf den Preis zu legen.

Für dich als IT-Auszubildender ist RAID besonders relevant: Die Technologie kommt in nahezu jedem Server, NAS-System und Rechenzentrum zum Einsatz. Das Verständnis der verschiedenen RAID-Level und ihrer Eigenschaften gehört zum Grundwissen in der Systemintegration.

Geschichte und Entwicklung von RAID

Die RAID-Technologie wurde 1988 von den Informatikern David A. Patterson, Randy H. Katz und Garth Gibson an der University of California in Berkeley formell definiert. In ihrem wegweisenden Paper "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)" zeigten sie, dass ein Verbund aus mehreren günstigen Festplatten zuverlässiger und leistungsfähiger sein kann als eine einzelne teure Festplatte.

Interessanterweise existierten die grundlegenden Konzepte bereits vor der formellen Definition: IBM meldete 1977 ein Patent an, das später als RAID 4 bekannt wurde, und Digital Equipment Corp. lieferte 1983 Systeme aus, die dem heutigen RAID 1 entsprechen. Die Berkeley-Forscher fassten diese Ansätze erstmals systematisch zusammen und etablierten die noch heute gebräuchliche Klassifizierung in RAID-Level.

Grundlegende RAID-Konzepte

RAID basiert auf drei grundlegenden Techniken, die je nach RAID-Level unterschiedlich kombiniert werden. Das Verständnis dieser Konzepte ist essentiell, um die Unterschiede zwischen den RAID-Leveln zu verstehen.

Striping (Datenverteilung)

Beim Striping werden Daten in gleichgroße Blöcke (typischerweise 64 KB bis 256 KB) aufgeteilt und abwechselnd auf mehrere Festplatten verteilt. Stell dir vor, du hast eine Datei mit 400 KB und zwei Festplatten: Die ersten 100 KB landen auf Festplatte 1, die nächsten 100 KB auf Festplatte 2, dann wieder auf Festplatte 1, und so weiter.

Der Vorteil: Da beide Festplatten parallel arbeiten können, verdoppelt sich theoretisch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Der Nachteil: Fällt eine Festplatte aus, sind alle Daten verloren, da jede Platte nur Bruchstücke enthält.

Mirroring (Spiegelung)

Beim Mirroring werden alle Daten gleichzeitig auf mindestens zwei Festplatten geschrieben. Beide Platten enthalten exakt dieselben Informationen. Fällt eine Platte aus, übernimmt die andere nahtlos. Die Wiederherstellung ist einfach: Die defekte Platte wird ersetzt und die Daten werden von der intakten Platte kopiert.

Der Nachteil ist offensichtlich: Du benötigst die doppelte Speicherkapazität. Bei zwei Festplatten mit je 1 TB stehen dir nur 1 TB nutzbare Kapazität zur Verfügung.

Parity (Paritätsinformationen)

Parität ist ein cleverer Kompromiss zwischen Striping und Mirroring. Dabei werden aus den Datenblöcken mathematisch Prüfsummen berechnet (mittels XOR-Verknüpfung), die eine Rekonstruktion verlorener Daten ermöglichen. Das Prinzip lässt sich vereinfacht so erklären:

Angenommen, du hast drei Datenblöcke mit den Werten A=5, B=3 und C=7. Die Parität P berechnet sich als XOR aller Werte. Fällt nun Block B aus, lässt sich sein Wert aus A, C und P rekonstruieren:

B = P XOR A XOR C

Dieses Verfahren benötigt weniger Speicherplatz als Mirroring, erlaubt aber trotzdem die Wiederherstellung bei einem Festplattenausfall.

Die wichtigsten RAID-Level im Überblick

Es gibt verschiedene RAID-Level, die Striping, Mirroring und Parität unterschiedlich kombinieren. Die folgenden Level sind in der Praxis am relevantesten und werden häufig in IHK-Prüfungen abgefragt.

RAID 0 - Striping ohne Redundanz

RAID 0 verteilt Daten mittels Striping auf mehrere Festplatten, bietet jedoch keine Redundanz. Das bedeutet: Höchste Performance, aber null Ausfallsicherheit. Fällt eine einzige Festplatte aus, sind sämtliche Daten unwiederbringlich verloren.

RAID 0 eignet sich nur für Szenarien, in denen maximale Geschwindigkeit wichtiger ist als Datensicherheit und die Daten anderweitig gesichert werden (zum Beispiel durch regelmäßige Backups).

RAID 1 - Mirroring für maximale Sicherheit

RAID 1 spiegelt alle Daten auf mindestens zwei Festplatten. Jede Platte enthält eine vollständige Kopie aller Daten. Das ist die einfachste Form der Redundanz und bietet schnelle Wiederherstellung nach einem Ausfall.

RAID 1 ist besonders dann sinnvoll, wenn die Datenmenge überschaubar ist und maximale Ausfallsicherheit gefordert wird. Die Wiederherstellung nach einem Plattendefekt ist unkompliziert: Neue Platte einsetzen, Daten werden automatisch gespiegelt.

RAID 5 - Der Klassiker mit verteilter Parität

RAID 5 kombiniert Striping mit verteilter Parität. Die Paritätsinformationen werden dabei nicht auf einer dedizierten Platte gespeichert, sondern rotierend auf alle Platten verteilt. Dadurch wird der Schreibengpass einer einzelnen Paritätsplatte vermieden.

Rechenbeispiel: Bei 5 Festplatten mit je 2 TB ergibt sich eine nutzbare Kapazität von (5-1) x 2 TB = 8 TB. Eine Festplattenkapazität geht für die Parität "verloren".

Wichtig zu wissen: Während der Wiederherstellung (Rebuild) nach einem Plattenausfall ist das RAID besonders gefährdet. Fällt in dieser Phase eine zweite Platte aus, sind alle Daten verloren. Bei großen Festplatten kann der Rebuild viele Stunden oder sogar Tage dauern.

RAID 6 - Doppelte Parität für mehr Sicherheit

RAID 6 erweitert das RAID-5-Konzept um eine zweite, unabhängige Paritätsberechnung. Damit können zwei Festplatten gleichzeitig ausfallen, ohne dass Daten verloren gehen. Dies ist besonders bei großen Arrays mit vielen Platten sinnvoll, wo die Wahrscheinlichkeit eines zweiten Ausfalls während des Rebuilds steigt.

RAID 6 hat sich in Unternehmensumgebungen weitgehend als Standard durchgesetzt, da moderne Festplatten mit mehreren Terabyte entsprechend lange Rebuild-Zeiten haben und das Risiko eines Doppelausfalls real ist.

RAID 10 - Kombination aus Mirroring und Striping

RAID 10 (auch RAID 1+0 genannt) kombiniert die Vorteile von RAID 1 und RAID 0: Zunächst werden Plattenpaare gespiegelt (RAID 1), dann wird über diese Spiegelpaare ein Striping (RAID 0) gelegt. Das Ergebnis ist hohe Performance bei gleichzeitig guter Ausfallsicherheit.

RAID 10 ist die erste Wahl für performancekritische Anwendungen wie Datenbankserver, bei denen sowohl hohe Geschwindigkeit als auch Ausfallsicherheit gefordert sind. Der Nachteil: 50% der Speicherkapazität gehen für die Spiegelung verloren.

RAID-Level im Vergleich

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften der gängigen RAID-Level zusammen und hilft dir bei der Entscheidung für das passende Level.

Die Wahl des richtigen RAID-Levels hängt von deinen Anforderungen ab: Brauchst du maximale Kapazität, wähle RAID 5 oder RAID 6. Ist Performance wichtiger, greife zu RAID 10. Für unkritische Daten mit Geschwindigkeitsfokus kann RAID 0 eine Option sein - aber nur mit entsprechender Backup-Strategie.

Hardware-RAID vs. Software-RAID

RAID kann entweder durch einen dedizierten RAID-Controller (Hardware-RAID) oder durch das Betriebssystem (Software-RAID) realisiert werden. Beide Ansätze haben ihre Berechtigung.

Hardware-RAID

Ein Hardware-RAID-Controller ist eine Steckkarte (PCIe) oder ein auf dem Mainboard integrierter Chip, der die RAID-Funktionalität unabhängig vom Betriebssystem bereitstellt. Hochwertige Controller verfügen über eigenen Cache-Speicher und eine batteriegepufferte Schreibcache-Sicherung (BBU - Battery Backup Unit).

Vorteile von Hardware-RAID:

• Entlastet die CPU, da RAID-Berechnungen auf dem Controller erfolgen
• Konsistente Performance unabhängig vom Betriebssystem
• Schreibcache mit Batteriepufferung für bessere Performance und Sicherheit
• Hot-Swap und Hot-Spare-Unterstützung
• Bootfähig ohne spezielle Treiber

Nachteile von Hardware-RAID:

• Höhere Anschaffungskosten
• Herstellerabhängigkeit (Controllerdefekt kann Datenzugriff erschweren)
• Weniger flexibel bei Systemmigrationen

Software-RAID

Beim Software-RAID übernimmt das Betriebssystem die RAID-Verwaltung. Linux bietet mit mdadm eine ausgereifte Lösung, Windows Server unterstützt Software-RAID über die Datenträgerverwaltung oder Storage Spaces.

Vorteile von Software-RAID:

• Keine zusätzlichen Hardwarekosten
• Flexibel und portabel zwischen Systemen
• Einfache Überwachung und Verwaltung über das OS
• Unabhängig von proprietärer Hardware

Nachteile von Software-RAID:

• Belastet die CPU, besonders bei Paritätsberechnungen
• Kein batteriegepufferter Cache
• Performance kann bei hoher Systemlast schwanken

Für professionelle Server-Umgebungen ist Hardware-RAID meist die bessere Wahl. Für Heimserver, NAS-Systeme oder Entwicklungsumgebungen reicht Software-RAID oft völlig aus.

Hot Spare - Die Ersatzfestplatte in Bereitschaft

Ein Hot Spare ist eine zusätzliche Festplatte im RAID-Verbund, die im Normalbetrieb nicht genutzt wird, aber sofort automatisch einspringt, wenn eine aktive Platte ausfällt. Der Rebuild startet ohne manuellen Eingriff, was die Zeit der Verwundbarkeit drastisch reduziert.

In professionellen Umgebungen ist mindestens ein Hot Spare pro RAID-Gruppe üblich. Bei großen Storage-Systemen mit vielen Festplatten werden oft mehrere Hot Spares vorgehalten. Nach dem automatischen Rebuild kann die defekte Platte in Ruhe ausgetauscht werden, die neue Platte wird dann zum neuen Hot Spare.

RAID in der Praxis

RAID ist in der IT-Infrastruktur allgegenwärtig. Du begegnest der Technologie in vielen Bereichen:

• Server und Rechenzentren: Nahezu jeder physische Server nutzt RAID für das Betriebssystem und/oder Datenspeicher. RAID 1 für Boot-Laufwerke und RAID 5/6/10 für Datenpartitionen sind Standard.

• NAS-Systeme: Network Attached Storage für Unternehmen und Privatanwender basiert fast immer auf RAID. Synology, QNAP und andere Hersteller bieten benutzerfreundliche RAID-Konfiguration.

• SAN-Systeme: Storage Area Networks in Enterprise-Umgebungen nutzen fortgeschrittene RAID-Implementierungen, oft mit automatischem Tiering zwischen schnellen SSDs und günstigen HDDs.

• Virtualisierung: VMware, Hyper-V und andere Hypervisoren profitieren von der Kombination aus Performance und Ausfallsicherheit, die RAID bietet.

Als Fachinformatiker für Systemintegration wirst du regelmäßig RAID-Systeme konfigurieren, überwachen und im Fehlerfall Platten austauschen. Das Verständnis der verschiedenen Level und ihrer Trade-offs ist daher essentiell für deinen Berufsalltag.

Wichtiger Hinweis: RAID ist kein Backup

Ein häufiger Irrtum: RAID ersetzt kein Backup! RAID schützt vor Hardwareausfällen einzelner Festplatten, aber nicht vor:

• Versehentlichem Löschen von Dateien
• Ransomware und Malware-Angriffen
• Software-Fehlern und Datenkorruption
• Diebstahl oder Zerstörung des gesamten Systems
• Fehlkonfiguration oder menschlichem Versagen
• Ausfall des RAID-Controllers

Eine vollständige Datensicherungsstrategie kombiniert RAID für Ausfallsicherheit mit regelmäßigen Backups auf separate Systeme oder in die Cloud. Die 3-2-1-Regel (3 Kopien, 2 verschiedene Medien, 1 Kopie extern) gilt unabhängig davon, ob RAID eingesetzt wird oder nicht.

Quellen und weiterführende Links

• Original RAID-Paper von Patterson, Gibson und Katz (PDF)
• Red Hat Enterprise Linux - RAID Dokumentation
• IONOS - RAID erklärt
• TechTarget - RAID Definition