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AHCI vs. RAID: Was Sie wissen müssen

AHCI, eine Schnittstelle zum Betriebssystem, und RAID sind zwei schon ältere Standards, die in Storage-Systemen mit Festplatten und SSDs verwendet werden.

Auch im Zeitalter der SSD arbeiten wir noch mit Technologien, die im letzten Jahrhundert entwickelt wurden. Zu ihnen gehören das Advanced Host Controller Interface (AHCI) und Redundant Array of Independent Disks (RAID).

AHCI und RAID erscheinen oft im selben Kontext, aber sie dienen unterschiedlichen Zwecken. Ob man einen einzelnen PC oder eine komplette Storage-Umgebung betreibt, es ist auf jeden Fall wichtig zu verstehen, wie sich AHCI und RAID unterscheiden. Jede Technologie hat unterschiedliche Fähigkeiten, die zum reibungslosen Betrieb der Storage-Umgebung beitragen. Dieser Artikel erklärt die technischen Grundlagen beider Technologien, damit Sie ihre Rolle im Gesamtsystem richtig einschätzen können.

AHCI ist die Standard-Storage-Schnittstelle, über die Software – meist ein Betriebssystem – mit SATA-Devices kommuniziert. Intel führte AHCI 2004 als Ersatz für die veraltende Schnittstelle Parallel ATA/Integrated Device Electronics (IDE) ein.

Durch AHCI ist es möglich, dass das Betriebssystem einige Funktionen von SATA-Geräten ebenfalls nutzen kann. Beispielsweise ermöglicht SATA die Unterstützung von Hot Swapping Devices, also Geräten oder Komponenten, die bei laufendem System ausgetauscht werden können. Durch AHCI lassen sich unter Windows, Unix und Linux-Betriebssystemen Hot Swaps ausführen.

Native Command Queuing (NCQ) auf Festplatten ist eine wichtige Hardwarefunktion, die auf der Hardwareseite mit SATA realisiert wird, auf der Betriebssystemseite mit AHCI. Statt die Befehle traditionell einen nach dem anderen in der Reihenfolge ihres Eintreffens (First-in, First-out) abzuarbeiten, erlaubt NCQ Festplatten, auch SSDs, mehrere gleichzeitige Storage-Operationen. Die Vorteile unterscheiden sich je nach dem genutzten Storage-Typ.

Die traditionellen RAID-Level im Überblick.
Abbildung 1: Die traditionellen RAID-Level im Überblick.

Bei Harddisks bedeutet NCQ, dass die Lese- und Schreibköpfe sich seltener bewegen müssen. Die Bewegungen der Lese- und Schreibköpfe sind die wichtigste Quelle von Verzögerungen bei Festplatten. Optimiert man deren Bewegungen, steigert das automatisch die Leistung.

AHCI hat auch bei der Nutzung von SSDs Vorteile, beispielsweise werden große Filetransfers besser unterstützt, aber die geringe Warteschlangentiefe begrenzt die Zahl der I/O-Requests, die abgewickelt werden können. Daher muss man zu Tricks greifen, um zu verhindern, dass SSDs Befehle in Warteschlangen schreiben, damit das System nicht durch sie verlangsamt wird. Selbst bei NCQ bedeutet die Notwendigkeit, Befehle in eine Warteschlange zu stellen, dass es irgendwo einen Engpass gibt, der die Bildung einer Warteschlange erfordert.

Um das Warteschlangenproblem dauerhaft zu lösen, wurde der NVMe-Standard (Non-Volatile Memory Express) entwickelt. NVMe soll alte Schnittstellen wie SATA ersetzen und bietet neue Möglichkeiten für das Befehls-Management. NVMe wurde für Flash entwickelt. Die Technologie beseitigt die Nachteile, die durch den gemeinsamen Einsatz moderner Storage-Medien und alter Protokolle entstehen.

Wo Raid passt

RAID wurde 1987 zum ersten Mal genutzt. Heute hat RAID weitaus mehr Fähigkeiten als seine früheren Versionen und wird nun schrittweise durch jüngere Technologien wie Erasure Coding ersetzt. 

Scott Sinclair, Senior Analyst bei der Enterprise Strategy Group, spricht über RAID und Erasure Coding.

RAID ist ein Mechanismus für mehr Datensicherheit und Verfügbarkeit, durch den ein System je nach RAID-Level nach dem Verlust von einer oder zwei Harddisks oder SDDs weiterarbeiten kann. In der Regel lassen sich die Inhalte einer ausgefallenen Festplatte wiederherstellen, sobald sie ersetzt wurde.

RAID-Storage-Volumes können auf jedem Rechner mit mehreren Storage-Devices erzeugt werden, solange der Computer oder das Storage-Array RAID unterstützt. Einige PCs unterstützen RAID nicht, dasselbe gilt für JBODs (Just a Bunch of Disks).

Auf modernen PCs wird durch die Aktivierung von RAID an den SATA-Ports auf der Hauptplatine in der Regel auch AHCI eingeschaltet. Mit eingeschaltetem RAID sind folgende Funktionen möglich:

  • mehrere installierte Storage-Devices (Harddisks und SSDs) lassen sich zu einem Volume vereinigen,
  • es besteht Redundanz, weil ein defektes Gerät kompensiert werden kann und
  • die Leistung steigt, weil die Storage-Operationen über mehrere Geräte und nicht nur eine einzelne Platte verteilt werden.

Es sind mindestens zwei Platten notwendig, um eine RAID-Gruppe aufzubauen. Zwei Disks können gespiegelt (Disk-Mirroring) werden, was RAID 1 entspricht. Das bedeutet, dass der Controller jedes Mal, wenn Daten auf eine Disk geschrieben werden, diese Daten auf die zweite Disk kopiert wird. Alternativ kann man Striping verwenden (RAID 0). Dabei werden die Disks gleichzeitig beschrieben. Das Spiegeln von Daten kann die Leistung verringern, obwohl das Storage verfügbar bleibt, wenn eine der Disks ausfällt. Striping kann die Lese- und Schreibleistung steigern, weil die doppelte Leistung zur Verfügung steht.

Es gibt weitere RAID-Level. Die verbreitetsten sind RAID 5 und RAID 6. Beide verwenden Paritätsinformationen, um Daten vor Geräteausfällen zu schützen. Mit RAID 5 übersteht ein System den Ausfall einer Disk. Mit RAID 6 dürfen sogar zwei Disks ausfallen, und das System arbeitet weiter.

Fazit

Bei der Diskussion über AHCI und RAID ist es wichtig zu wissen, wo diese beiden Konzepte in die gesamte Storage-Umgebung passen. AHCI stellt die volle Funktionalität von SATA-Geräten sicher. RAID bietet Spiegelungs- und Striping-Funktionen, die für die Datensicherheit von entscheidender Bedeutung sind. Dieses grundlegende Verständnis ist entscheidend dafür, dass die Storage-Umgebung einwandfrei läuft.

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Artikel wurde zuletzt im Juli 2018 aktualisiert

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