RAID10, SAS-auf-SATA und Geschwindigkeit: Wir entwirren die komplexen Zusammenhänge für Sie

In der Welt der Datenspeicherung sind Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz entscheidende Faktoren. Unternehmen und anspruchsvolle Privatnutzer stehen oft vor der Herausforderung, ein Speichersystem zu konfigurieren, das all diese Anforderungen erfüllt. Dabei tauchen Begriffe wie RAID10, SAS und SATA auf, deren Zusammenspiel und die Auswirkungen auf die Gesamtgeschwindigkeit oft missverstanden werden. Insbesondere die vermeintliche Kompatibilität durch „SAS-auf-SATA”-Kabel führt regelmäßig zu Verwirrung. Dieser Artikel beleuchtet die komplexen Zusammenhänge, erklärt die Technologien und zeigt auf, wo potenzielle Flaschenhälse lauern.

RAID10 – Die beste Kombination aus Geschwindigkeit und Sicherheit?

Beginnen wir mit RAID10, einer der beliebtesten RAID-Level für Anwendungen, die sowohl hohe Leistung als auch Datensicherheit erfordern. RAID steht für „Redundant Array of Independent Disks”, ein System, das mehrere Festplatten zu einer logischen Einheit zusammenfasst, um die Leistung zu steigern, die Datenredundanz zu erhöhen oder beides. Es gibt verschiedene RAID-Level (0, 1, 5, 6, 10), jeder mit seinen spezifischen Vor- und Nachteilen.

Die Grundlagen: RAID0 und RAID1

Um RAID10 zu verstehen, müssen wir zunächst RAID0 (Striping) und RAID1 (Mirroring) beleuchten:

• RAID0 (Striping): Daten werden in Blöcke aufgeteilt und gleichzeitig auf alle Laufwerke im Array geschrieben. Das erhöht die Lese- und Schreibleistung erheblich, da mehrere Laufwerke parallel arbeiten. Der große Nachteil ist, dass es keinerlei Redundanz bietet. Fällt ein Laufwerk aus, sind alle Daten verloren.
• RAID1 (Mirroring): Daten werden identisch auf mindestens zwei Laufwerke geschrieben. Jede Information ist also doppelt vorhanden. Das bietet eine exzellente Datensicherheit, da bei Ausfall eines Laufwerks die Daten auf dem Spiegel-Laufwerk erhalten bleiben. Die Leistungsgewinne sind jedoch begrenzt (hauptsächlich beim Lesen) und der nutzbare Speicherplatz halbiert sich.

RAID10: Das Beste aus zwei Welten

RAID10, oft auch als RAID 1+0 bezeichnet, ist ein „Nested RAID”-Level, der RAID0 und RAID1 kombiniert. Es werden zuerst mehrere RAID1-Arrays gebildet, die dann zu einem RAID0-Array zusammengefasst werden. Das bedeutet: Daten werden über Spiegelpaare gestripet. Ein typisches RAID10-System erfordert mindestens vier Laufwerke (zwei RAID1-Paare, die zu einem RAID0 zusammengefasst werden).

Die Vorteile von RAID10 liegen auf der Hand:

• Hervorragende Lese- und Schreibleistung: Durch das Striping über die Spiegelpaare können Daten parallel von mehreren Laufwerken gelesen und geschrieben werden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Performance im Vergleich zu einzelnen Laufwerken oder RAID1.
• Hohe Redundanz und Ausfallsicherheit: Solange nicht beide Laufwerke eines Spiegelpaares gleichzeitig ausfallen, bleiben die Daten erhalten. Bei einem Ausfall kann das System nahtlos weiterarbeiten, während das defekte Laufwerk ersetzt und das Array neu aufgebaut wird.
• Schnelle Wiederherstellung: Der Wiederherstellungsprozess nach einem Laufwerksausfall ist in der Regel schneller als bei RAID5 oder RAID6, da nur die Daten eines einzelnen Spiegelpaares synchronisiert werden müssen.

Der Hauptnachteil ist der hohe Speicheroverhead: Die Hälfte der Gesamtkapazität der Laufwerke geht für die Spiegelung verloren. Für ein RAID10-Array mit vier 1-TB-Laufwerken stehen Ihnen beispielsweise nur 2 TB nutzbarer Speicherplatz zur Verfügung.

RAID10 ist ideal für Datenbankserver, Mailserver, Virtualisierungsplattformen und andere I/O-intensive Anwendungen, bei denen Performance und Datensicherheit gleichermaßen kritisch sind.

SAS vs. SATA – Ein grundlegender Unterschied

Nachdem wir RAID10 verstanden haben, wenden wir uns den Schnittstellen zu, die diese Laufwerke verbinden: SAS (Serial Attached SCSI) und SATA (Serial ATA).

Serial Attached SCSI (SAS) – Der Enterprise-Standard

SAS ist die Schnittstelle der Wahl in Unternehmensumgebungen, insbesondere in Servern und Workstations, die höchste Leistung und Zuverlässigkeit benötigen. Die Hauptmerkmale sind:

• Vollduplex-Kommunikation: Daten können gleichzeitig in beide Richtungen gesendet und empfangen werden.
• SCSI-Befehlssatz: SAS nutzt den robusten und erweiterten SCSI-Befehlssatz, der für komplexe Aufgaben, Fehlerbehandlung und Warteschlangen optimiert ist (Native Command Queuing, NCQ, ist auch bei SATA vorhanden, aber SCSI ist leistungsfähiger).
• Dual-Porting: Viele SAS-Laufwerke verfügen über zwei Ports, die an zwei unabhängige Controller angeschlossen werden können. Dies ermöglicht Pfadredundanz und Ausfallsicherheit.
• Höhere Skalierbarkeit: Über SAS-Expander können Hunderte von Laufwerken an einem einzigen Controller betrieben werden.
• Robustheit und MTBF: SAS-Laufwerke sind für den Dauerbetrieb (24/7) in kritischen Umgebungen ausgelegt und bieten in der Regel eine höhere Mean Time Between Failures (MTBF) als SATA-Laufwerke.
• Schnittstellengeschwindigkeit: Aktuelle SAS-Generationen bieten Übertragungsraten von 12 Gbit/s pro Lane (SAS-3), zukünftige Generationen bis zu 22,5 Gbit/s und mehr.

Serial ATA (SATA) – Der Consumer-Standard

SATA ist die dominierende Schnittstelle im Consumer-Bereich und in vielen kostengünstigeren Server- und NAS-Lösungen. Ihre Stärken sind:

• Kosteneffizienz: SATA-Laufwerke und Controller sind deutlich günstiger in der Anschaffung als ihre SAS-Pendants.
• Einfacher Befehlssatz: SATA verwendet einen einfacheren Befehlssatz (AHCI), der weniger Overhead erzeugt, aber auch weniger Funktionen für komplexe I/O-Operationen bietet als SCSI.
• Single-Port: SATA-Laufwerke haben in der Regel nur einen Datenport.
• Gute Leistung für den Preis: Für die meisten Desktop-Anwendungen und viele Serveraufgaben bietet SATA 3.0 (6 Gbit/s) eine völlig ausreichende Geschwindigkeit.
• Breite Verfügbarkeit: SATA-Laufwerke sind in einer riesigen Bandbreite von Kapazitäten und Formfaktoren erhältlich.

Obwohl die Schnittstellengeschwindigkeit von SATA 3.0 (6 Gbit/s) für viele Festplatten (HDDs) ausreicht, um deren interne Datenraten zu bedienen, können leistungsstarke SSDs diese Grenze schnell erreichen oder überschreiten, was dann eine SAS-Schnittstelle vorteilhaft machen würde.

SAS-auf-SATA: Kabel, Adapter und die Realität der Kompatibilität

Hier wird es oft missverständlich. Der Begriff „SAS-auf-SATA” kann verschiedene Dinge implizieren, die aber nicht immer austauschbar sind. Es ist entscheidend zu verstehen, was technisch möglich ist und was nicht.

Der häufigste Fall: SATA-Laufwerke an SAS-Controller

Dies ist die gängigste und auch technisch sinnvolle Anwendung, wenn von „SAS-auf-SATA” die Rede ist. Ein SAS-Controller (z.B. eine RAID-Karte oder ein HBA – Host Bus Adapter) ist in der Regel abwärtskompatibel zu SATA-Laufwerken. Das liegt daran, dass der SAS-Standard den SATA-Protokollstandard auf einem seiner physischen Links integriert. Das bedeutet, ein SAS-Controller kann sowohl mit SAS- als auch mit SATA-Laufwerken kommunizieren.

Um SATA-Laufwerke an einen SAS-Controller anzuschließen, werden spezielle SAS-auf-SATA-Breakout-Kabel (oft als SFF-8087 auf 4x SATA oder SFF-8484 auf 4x SATA bezeichnet) verwendet. Diese Kabel verfügen über einen Mini-SAS-Stecker auf der Controller-Seite und vier individuelle SATA-Daten- und Stromanschlüsse auf der Laufwerksseite. Man beachte: Die Stromversorgung muss meist separat über einen SATA-Stromstecker erfolgen, den das Breakout-Kabel nicht liefert.

Vorteile dieser Konfiguration:

• Kosteneffizienz: Man kann die leistungsstarken Features und die Zuverlässigkeit eines Enterprise-SAS-Controllers nutzen, während man gleichzeitig auf günstigere SATA-Laufwerke zurückgreifen kann.
• Flexibilität: Eine Mischbestückung von SAS- und SATA-Laufwerken an einem Controller ist theoretisch möglich, obwohl für ein homogenes RAID-Array nur Laufwerke desselben Typs und idealerweise gleicher Kapazität und Leistung empfohlen werden.

Wichtiger Hinweis zur Geschwindigkeit: Auch wenn die SATA-Laufwerke an einem SAS-Controller hängen, kommunizieren sie weiterhin über das SATA-Protokoll und sind an dessen Schnittstellenlimits (z.B. 6 Gbit/s für SATA 3.0) gebunden. Die schnellere SAS-Schnittstelle des Controllers kommt hier nicht zum Tragen, außer in Bezug auf die interne Controller-Bandbreite und Cache-Performance.

Der seltene und technisch problematische Fall: SAS-Laufwerke an SATA-Controller

Hier müssen wir sehr deutlich sein: Ein SAS-Laufwerk kann nicht direkt an einen normalen SATA-Port eines Motherboards oder eines SATA-Controllers angeschlossen werden. Es gibt keine „SAS-auf-SATA-Adapter” im Sinne einer passiven physischen Kompatibilität.

• Physische Inkompatibilität: SAS-Laufwerke haben einen anderen Anschluss als SATA-Laufwerke (SAS-Stecker sind robuster und haben eine andere Pin-Anordnung).
• Elektrische Inkompatibilität: SAS- und SATA-Schnittstellen verwenden unterschiedliche elektrische Signalisierungen und Protokolle.
• Protokoll-Inkompatibilität: Ein reiner SATA-Controller versteht den SCSI-Befehlssatz von SAS-Laufwerken nicht.

Es gibt extrem seltene und teure aktive Konverter, die von SAS auf SATA konvertieren können, aber diese sind für Nischenanwendungen gedacht, ineffizient und für den normalen Gebrauch weder praktisch noch kosteneffizient. Der Mythos, ein SAS-Laufwerk könnte einfach per Adapter an einen SATA-Port angeschlossen werden, ist falsch und sollte vermieden werden.

Geschwindigkeit im Fokus: Wo entstehen Flaschenhälse?

Die Gesamtgeschwindigkeit Ihres Speichersystems ist das Ergebnis des Zusammenspiels aller Komponenten. Ein einziger schwacher Punkt kann das gesamte System ausbremsen.

RAID10-Performance: Lesen und Schreiben

Wie bereits erwähnt, steigert RAID10 die Performance erheblich. Bei Lesevorgängen können Daten gleichzeitig von allen Laufwerken in den Spiegelpaaren gelesen werden (beispielsweise Round-Robin), was die Lesegeschwindigkeit potenziell um das N-fache (N = Anzahl der Spiegelpaare) erhöht. Bei Schreibvorgängen werden die Daten über die Stripes verteilt und gleichzeitig auf die gespiegelten Laufwerke geschrieben. Hier limitiert meist das langsamste Element in der Schreibkette, aber durch das parallele Schreiben ist die Schreibleistung ebenfalls deutlich höher als bei einem Einzellaufwerk oder RAID1.

Die tatsächliche Leistung hängt stark von der Qualität des RAID-Controllers (Hardware-RAID ist Software-RAID meist überlegen), seinem Cache, dem Prozessor und der Anbindung (z.B. PCIe-Lane-Anzahl) ab.

Laufwerksgeschwindigkeit: Der primäre Faktor

Die größte Auswirkung auf die Geschwindigkeit hat die Art der verwendeten Laufwerke:

• HDDs (Festplatten): Ihre Performance wird hauptsächlich durch die Umdrehungsgeschwindigkeit (RPM, z.B. 7.200 RPM, 10.000 RPM, 15.000 RPM bei SAS-Laufwerken), die Datendichte und die Zugriffszeiten bestimmt. Selbst die schnellsten HDDs sind in ihren sequenziellen Übertragungsraten begrenzt und ihre Random-I/O-Leistung ist im Vergleich zu SSDs sehr gering.
• SSDs (Solid State Drives): Sie bieten eine dramatisch höhere Geschwindigkeit und I/O-Leistung als HDDs, da sie keine mechanischen Teile besitzen. Dies macht sie ideal für Anwendungen, die extrem schnelle Zugriffszeiten und hohe IOPS (Input/Output Operations Per Second) erfordern.

Ein RAID10-Array aus SSDs wird ein Vielfaches schneller sein als ein vergleichbares Array aus HDDs, selbst wenn die Schnittstellen dieselben sind.

Schnittstellenlimitierungen

Die Schnittstellen SAS und SATA definieren die maximale theoretische Übertragungsrate zwischen dem Controller und dem Laufwerk:

• SATA 3.0: Maximale Geschwindigkeit von 6 Gbit/s (ca. 600 MB/s).
• SAS 3.0: Maximale Geschwindigkeit von 12 Gbit/s (ca. 1200 MB/s) pro Lane. Da SAS-Laufwerke oft mehrere Lanes nutzen können, kann die aggregierte Bandbreite noch höher sein.

Wenn Sie SATA-Laufwerke an einem SAS-Controller betreiben, sind diese Laufwerke weiterhin durch die 6 Gbit/s des SATA-Standards begrenzt. Der SAS-Controller selbst kann zwar mehr Bandbreite bereitstellen, aber die Kommunikation zum einzelnen SATA-Laufwerk findet nur mit SATA-Geschwindigkeit statt. Mehrere SATA-Laufwerke in einem RAID10-Array können jedoch die vom Controller bereitgestellte Aggregat-Bandbreite über die Summe der einzelnen SATA-Verbindungen nutzen.

Controller-Leistung und PCIe-Anbindung

Auch der RAID-Controller selbst kann zum Flaschenhals werden. Ein leistungsstarker Controller mit eigenem Prozessor und viel Cache-Speicher (BBWC – Battery-Backed Write Cache oder FBWC – Flash-Backed Write Cache) kann die Performance erheblich verbessern, indem er Schreibanfragen puffert und optimiert. Die Anbindung des Controllers an das System über den PCIe-Bus ist ebenfalls entscheidend. Ein Controller mit PCIe 3.0 x8 bietet beispielsweise deutlich mehr Bandbreite als ein älterer PCIe 2.0 x4 Controller.

Optimierung und praktische Empfehlungen

Die Wahl der richtigen Komponenten hängt stark von Ihrem Budget und den spezifischen Anforderungen ab. Hier sind einige Empfehlungen:

1. Für höchste Performance und Zuverlässigkeit: Wenn das Budget es zulässt, setzen Sie auf einen leistungsstarken SAS-RAID-Controller in Kombination mit SAS-SSDs. Dies bietet die bestmögliche Geschwindigkeit, IOPS und Redundanz.
2. Gute Balance aus Leistung und Kosten: Ein SAS-RAID-Controller mit SATA-SSDs (über Breakout-Kabel) ist eine ausgezeichnete Option für viele Workloads. Sie profitieren von den Controller-Features (erweitertes RAID-Management, Cache, Treiberstabilität) und erhalten die hohe IOPS-Leistung von SSDs, ohne die teuren SAS-SSDs kaufen zu müssen. Die Schnittstellengeschwindigkeit der einzelnen SATA-SSDs ist hier der begrenzende Faktor, aber im RAID-Verbund kann die aggregierte Leistung dennoch sehr hoch sein.
3. Für hohe Speicherkapazität zu geringen Kosten: Wenn es hauptsächlich um große Speichermengen und weniger um extreme I/O-Last geht, können SATA-HDDs in einem RAID10-Verbund (am SAS-Controller oder sogar an einem guten SATA-Controller, wenn die Anforderungen geringer sind) eine praktikable Lösung sein.
4. Homogene Laufwerke: Verwenden Sie immer Laufwerke desselben Typs (HDD/SSD), derselben Kapazität und idealerweise desselben Modells und Firmware-Stands innerhalb eines RAID-Arrays, um Probleme und Leistungseinbußen zu vermeiden.
5. Achten Sie auf den RAID-Controller: Ein Hardware-RAID-Controller ist fast immer einem Software-RAID vorzuziehen, besonders bei RAID10. Achten Sie auf ausreichend Cache und eine gute PCIe-Anbindung.

Denken Sie daran: Die beste Speicherkonfiguration ist die, die Ihre spezifischen Anforderungen an Geschwindigkeit, Redundanz und Budget am besten erfüllt. Eine fundierte Entscheidung erfordert das Verständnis der einzelnen Komponenten und ihrer Interaktion.

Fazit: Komplexität erfolgreich entwirrt

Wir haben gesehen, dass die Begriffe RAID10, SAS, SATA und Geschwindigkeit eng miteinander verknüpft sind, aber auch einige Fallstricke bergen. RAID10 bietet eine hervorragende Balance aus Performance und Datensicherheit, ideal für anspruchsvolle Anwendungen. Die Wahl zwischen SAS und SATA hängt von den Anforderungen an Zuverlässigkeit und Performance ab, wobei SAS der Enterprise-Standard und SATA der kostengünstige Consumer-Standard ist.

Der Begriff „SAS-auf-SATA” bezieht sich in der Praxis fast ausschließlich auf die Möglichkeit, SATA-Laufwerke an einen SAS-Controller anzuschließen – eine kluge Strategie, um Enterprise-Controller-Features mit günstigeren Laufwerken zu kombinieren. Die Anbindung von SAS-Laufwerken an reine SATA-Ports ist hingegen technisch nicht ohne Weiteres möglich. Letztlich wird die Gesamtgeschwindigkeit Ihres Systems durch das schwächste Glied in der Kette bestimmt – sei es die Schnittstelle, das Laufwerk selbst, der RAID-Controller oder dessen Anbindung. Durch ein klares Verständnis dieser Zusammenhänge können Sie eine informierte Entscheidung treffen und ein Speichersystem konfigurieren, das Ihren Anforderungen optimal entspricht.