ADMIN Magazin Gestapelt - Schneller und sicherer mit RAID (Vorschau)

RAID-Systeme
RAID-Level
Anywhere File Layout) noch heute einen
verwandten Algorithmus von RAID 4 mit
einem zweiten Laufwerk für Paritätsdaten:
Raid DP. Der Artikel kommt weiter
unten darauf zurück.
RAID 5
RAID 5 übernimmt die blockweise Datenablage
von RAID 4, verteilt aber die
Paritätsinformationen über alle Platten,
statt sie auf einer zu konzentrieren. Dadurch
werden auch die Schreibzugriffe
verteilt und parallelisiert und der Bottleneck
einer Paritätsdisk vermieden. Allerdings
erfordert RAID 5 zwei Lese- und
zwei Schreiboperationen pro Schreibanforderung,
was die Schreibperformance
zwangsläufig bremst.
Abbildung 2 zeigt den schematischen
Aufbau eines RAID-5-Verbunds. Die Daten
sind darin in sogenannten Stripes
abgelegt. Das sind aufeinander folgende
Segmente auf verschiedenen physischen
Datenträgern (Disks). Jeder Stripe zieht
sich über alle 4 Platten. Die Segmente
mit weißem Hintergrund enthalten die
eigentlichen Daten, die Segmente mit gelbem
Hintergrund die Paritätsinformationen.
Zu sehen ist, dass die Paritätsdaten
wie beschrieben gleichmäßig über alle
Laufwerke verteilt sind.
Die Paritätsdaten errechnen sich aus
den Nutzdaten durch eine sogenannte
XOR-Verknüpfung (Exklusive OR, auch
Antivalenz genannt). Die XOR-Funktion
verknüpft zwei Werte derart, dass sich
eine logische 1 ergibt, wenn die Eingangsgrößen
verschieden waren. 0 XOR
1 = 1; 0 XOR 0 = 0; 1 XOR 1 = 0; 1 XOR
0 = 1. Die Nutzdaten aller Segmente
eines Stripes werden nun nacheinander
bitweise XOR-verknüpft. Beispielsweise
ergibt sich in der zweiten Zeile des Schemas
in der Grafik: 0010 XOR 0000 ergibt
0010 und 0010 XOR 0100 ergibt 0110. Das
ist der Wert im gelb hinterlegten Segment
am Schnittpunkt Stripe 2/​Drive 3. Entsprechendes
gilt für die anderen Stripes
im Beispiel.
Fällt nun eine Platte aus, dann lassen
sich die fehlenden Daten durch XOR-
Verknüpfung der übrig gebliebenen errechnen
(Rebuild), wenn mindestens
drei Platten pro Stripe im Spiel waren.
Nehmen wir beispielsweise an, dass auf
Drive 2 nicht mehr zugegriffen werden
kann. Dann rechnet der RAID-Controller
für Stripe 2: 0010 XOR 0110 (Drive 1 und
Drive 3) – das Ergebnis ist 0100. Dieser
Wert 0100 XOR 0100 von Drive 4 ergibt
0000. Damit ist klar, dass im fehlenden
Segment des ausgefallenen Drive 2 der
Wert 0000 hinterlegt gewesen sein muss.
Das ist auch tatsächlich der Fall, wie ein
Blick auf die Grafik zeigt. Entsprechend
lässt sich in jedem Stripe jedes Segment
durch XOR-Verknüpfung der anderen
Segmente des Stripe auf einfache Weise
berechnen. Fällt mehr als eine Platte aus,
funktioniert das Spiel allerdings nicht
mehr – dann sind alle Daten aller Stripes
unwiederbringlich verloren.
RAID und Risiko
Der Betrieb mit einer ausgefallenen Platte
(Status »degraded«) oder während der
Wiederherstellung der Inhalte eines zuvor
ausgefallenen Laufwerks (Status
»rebuild«) ist bei den klassischen RAID-
Leveln 3 bis 5, die auf der beschriebenen
Paritätsberechnung beruhen, aber auch
bei einer Spiegelung besonders kritisch.
Fällt jetzt eine weitere Platte aus, oder ist
auch nur ein einziger Sektor auf den verbliebenen
Platten unleserlich, sind alle
Daten verloren.
Aber wie wahrscheinlich ist es, dass gerade
in dieser sensiblen Zeit ein weiterer
Schaden eintritt? Das kann man ausrechnen.
Ein einfacher Ansatz geht davon
Datendisk 1
Datendisk 2
Datendisk 3
aus, dass in die gesuchte Mean Time To
Data Loss (MTTDL) die Gesamtzahl der
Festplatten, ihre durchschnittliche Betriebsdauer
bis zu einem Fehler (Mean
Time To Failure, MTTL) und die Dauer
des Wiederherstellungsprozesses einhergehen.
Die Formel dafür ist noch gut
überschaubar (und solche Berechnungen
stellten bereits die RAID-Erfinder in [1]
an), sie hat aber einen Schönheitsfehler:
Sie geht nämlich von der Annahme aus,
dass die Festplattenausfälle voneinander
unabhängig sind. So kommt man zu recht
hohen MTTDL-Werten, die auf den ersten
Blick beruhigend wirken. Praktisch sind
diese Voraussetzungen aber meistens
nicht gegeben: In der Regel stammen alle
Platten aus einer Produktionscharge, waren
denselben Umweltbedingungen ausgesetzt,
altern auf ähnliche Weise und so
weiter. Außerdem erhöht sich die Ausfallwahrscheinlichkeit
mit der Betriebsdauer.
Im Ergebnis sinkt die MTTF nach jedem
Ausfall, das heißt, ein weiterer Ausfall
nach dem ersten ist damit um ein Vielfaches
wahrscheinlicher.
Komplizierte Lesefehler
Noch komplizierter wird die Sache, wenn
man nicht nur den Totalausfall einer weiteren
Festplatte kalkuliert, sondern auch
die Wahrscheinlichkeit einfacher Lesefehler,
die ja in dieser Situation ebenfalls
einen Totalverlust der Daten zur Folge
Datendisk 4
XOR horizontal
XOR diagonal
Abbildung 3: RAID DP: Eine Prüfsumme (XOR-Verknüpfung) wird wie gehabt horizontal berechnet (Pa, Pb,…)
und eine zweite, unabhängige Prüfsumme über die diagonal liegenden Sektoren (hier kenntlich durch die
gleiche Farbe.
48 Ausgabe 06-2012 Admin www.admin-magazin.de