Technik

Autopsie einer Festplatte

Wollten Sie schon immer wissen, wie eine Festplatte aufgebaut ist? Welche Teile für die Speicherung Ihrer Daten verantwortlich sind? Dann finden Sie hier die Antwort.
Weiterhin werden Sie sehen, welche fatalen Auswirkungen ein Headcrash auf die Oberflächen der Speicherplatter hat.

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Achtung! Diese Fotos wurden nicht im Reinraum angefertigt und dienen nur Demonstrationszwecken.

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Sie sehen hier die Rückseite einer Festplatte.
Die Elektronik der Platte nennt man in der Fachsprache "PCB" (printed circuit board).
Aufgabe der Elektronik ist es, die Steuerung der Festplatte zu gewährleisten und eine Schnittstelle zum Computer bereit zu stellen.

Hier wurde bereits das PCB vom Plattengehäuse demontiert. Wir schauen nun auf die Unterseite des PCB. Die große silberne Kontaktleiste ist die Schnittstelle zur Steuerung der Leseköpfe. In der Mitte kann man eine kreisrunde Erhebung sehen, das ist das Gehäuse des Plattenmotors. Rechts daneben befinden sich 4 Kontakte. Sie dienen als Verbindung vom PCB zur Motorsteuerung.

 

Drehen wir die Platte nun wieder herum. Zu erkennen ist der Gehäusedeckel. Auf ihm befindet sich bei den meisten Festplatten ein Aufkleber mit den technischen Daten des Gerätes. Löst man die Schrauben, erhält man Zugang zum Inneren der Festplatte.
Achtung! Machen Sie das nicht mit Festplatten, die Sie weiterhin benutzen möchten. Sobald Staub in das Gehäuse eindringt, wird die Platte komplett unbrauchbar gemacht.

Der Deckel wurde geöffnet und gibt den Blick auf das Innenleben der Festplatte frei.
Wir sehen die Speicherplatter (kreisrunde Scheiben), auf denen die Daten gespeichert werden. Ebenfalls gut erkennbar sind die Headstacks (Stapel mit Lese- und Schreibköpfen). Hier handelt es sich um ein Modell mit 3 Speicherplattern und 6 Köpfen. Es gibt auch Festplatten, die eine ungerade Anzahl Köpfe haben. Zum Beispiel 3 Platter und 5 Köpfe. Dies ist von Modell zu Modell und von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.

Die Köpfe sind auf einer Achse gelagert. Die Magnetspule, mit der die Köpfe bewegt werden, ist noch nicht sichtbar. Sie befindet sich zwischen zwei Magneten, deren Abdeckung wir im unteren, rechten Bereich erkennen können.
Links unten befindet sich die Kontaktleiste, deren Gegenstück wir bereits auf dem PCB sehen konnten. Diese Kontaktleiste steckt in einer abgedichteten Öffnung, die durch das Gehäuse führt. Rechts davon ist die Folienverbindung erkennbar, auf der sich gedruckte Leiterbahnen befinden. Sie führen direkt zum Vorverstärker-Chip, der sich am Headstack befindet.

Die Festplatte in unserem Fall wurde durch einen Headcrash beschädigt. Headcrash nennt man das Berühren der Speicherplatter durch die Leseköpfe, während die Platter rotieren. Ein Headcrash führt immer zu schwerwiegendsten Fehlern in der Festplatte, da Material von den magnetisch beschichteten Plattern abgelöst wird und sich wie Schleifpaste zwischen Lesekopf und Platter ablegt.
Hier ist nun das Ergebnis eines solchen Headcrash zu erkennen. Der Staubfilter der Festplatte (rechts oben) ist vollständig kontaminiert. Die schwarze Verfärbung ist deutlich erkennbar, wenn man weiß, dass diese Filter eigentlich eine komplett weiße Farbe haben. Links ist die Innenseite des Deckels zu erkennen, auch hier finden wir schwarze Ablagerungen.

Entfernen wir nun den Filter, wird das Ausmaß des Schadens deutlicher erkennbar.

 

Auf der Suche nach dem Übeltäter stoßen wir auf eine tiefe Einkerbung in der Oberfläche des obersten Platters. Hier wurde durch den Lesekopf Material "abgefräst". Wir sehen die direkte Auswirkung eines Headcrashs.

 

Fahren wir nun mit der "Autopsie" der Festplatte fort. Nach dem Entfernen des oberen Magneten, sehen wir nun die Steuerspule der Leseköpfe. Die Köpfe selbst bewegen sich durch ein Magnetfeld über die Platter. Dabei schweben sie auf einen dünnen Luftpolster. (Da viele die Frage stellen, ob ein Vakuum in einer Festplatte herrscht, kann dies nun also deutlich mit "Nein" beantwortet werden. Wäre keine Luft in der Platte, gäbe es kein "Schweben")

 

Das bereits weiter oben erwähnte Datenkabel, welches zu den Köpfen führt, ist hier mit dem so genannten "pre amp" bestückt. Das ist ein Schaltkreis, dessen Aufgabe darin besteht, die schwachen elektrischen Impulse, welche von den Leseköpfen kommen, zu verstärken.

Machen wir uns daran, das Datenkabel und die Steckverbindung vom Gehäuse zu entfernen. Man kann im folgenden Bild sehr gut erkennen, dass der Stecker durch das Gehäuse hindurch reicht. Auf der Gegenseite saß das PCB.

 

 

Jetzt begeben wir uns in das Heiligtum jeder Festplatte...Wir entfernen den Headstack.

Das ist er also...der Headstack. Es handelt sich dabei um ein Meisterstück der Feinmechanik, kombiniert mit Elektronik und jeder Menge Know-How.

Seitenansicht auf den Headstack. Wir sehen 6 Lese- und Schreibköpfe, die paarweise gegenläufig angeordnet sind. Die kleinen Verdickungen an den Spitzen sind die eigentlichen Lese- und Schreibköpfe. Deren Struktur lässt sich nur unter einem Mikroskop erkennen.

Detailaufnahme der Köpfe...

Nun entfernen wir den unteren Magneten aus dem Gehäuse. Auch hier sind wieder Anhaftungen zu erkennen, die durch den Headcrash entstanden.

 

Direkt neben dem Platter erkennen wir auf dem Foto den oberen Teil der Spacer (Abstandhalter), die zwischen den einzelnen Plattern verbaut wurden. Diese Bleche findet man nicht in jeder Festplatte vor. Sie erschweren eine  Datenrettung sehr, da sie die Demontage der Platter verhindern können.

Machen wir uns nun daran, die Schrauben des Zentrierrings in der Mitte der Platterachse zu lösen. Übrigens kann man hier sehr schön die Rillen erkennen, die durch den Lesekopf durch den Magnetabrieb auf dem Platter gezogen wurden.

 

Auch Platter 2 ist vom Headcrash betroffen.

 

Platter 3 ebenfalls. Links ist eines der Spacer-Bleche zu erkennen.

 

Nachdem wir nun alle Platter aus dem Gehäuse entfernt haben, ist unsere kleine Bastelaktion abgeschlossen. In der Mitte des Gehäuses steckt nun nur noch der Motor der Festplatte.

Wir bedanken uns für Ihre Aufmerksamkeit!

Raid 5

(Quelle: Wikipedia) RAID 5: Leistung + Parität

RAID 5 bietet sowohl gesteigerten Datendurchsatz beim Lesen von Daten als auch Redundanz bei relativ geringen Kosten und ist dadurch die beliebteste RAID-Variante. In schreibintensiven Umgebungen mit kleinen, nicht zusammenhängenden Änderungen ist RAID 5 nicht zu empfehlen, da bei zufälligen Schreibzugriffen der Durchsatz aufgrund des zweiphasigen Schreibverfahrens deutlich abnimmt (an dieser Stelle wäre eine RAID 0+1-Konfiguration vorzuziehen). RAID 5 ist eine der kostengünstigsten Möglichkeiten, Daten auf mehreren Festplatten redundant zu speichern und dabei das Speichervolumen effizient zu nutzen. Dieser Vorteil kommt allerdings aufgrund hoher Controlleranforderungen und -preise oft erst bei mehr als vier Platten zum Tragen. Für den Preis eines RAID 5-Controllers mit (mindestens) drei Platten ist meistens bereits eine vierte Festplatte für ein RAID 10 zu bekommen.

Die nutzbare Gesamtkapazität errechnet sich aus der Formel Kapazität der kleinsten Platte im Array * (Anzahl der Platten - 1). Rechenbeispiel: 4 Festplatten à 500 GB ergeben 1500 GB Nutzdaten und 500 GB Redundanz (bei RAID 10: nur 1000 GB Nutzdaten und 1000 GB Redundanz).

Die Nutzdaten werden wie bei RAID 0 auf alle Festplatten verteilt. Die Paritätsinformationen werden jedoch nicht wie bei RAID 4 auf einer Platte konzentriert, sondern ebenfalls verteilt. Die Berechnung der Parität erfolgt durch die XOR-Verknüpfung, die wiederum zu leichter bis erheblicher Verminderung der Datentransferrate im Vergleich zu RAID 0 führt. Da die Paritätsinformationen beim Lesen nicht benötigt werden, stehen alle Platten zum parallelen Zugriff zur Verfügung. Dieser (theoretische) Vorteil greift allerdings nicht bei kleinen Dateien ohne nebenläufigen Zugriff, erst bei größeren Dateien oder geeigneter Nebenläufigkeit tritt eine nennenswerte Beschleunigung ein. Der Schreibzugriff erfordert entweder ein Volumen, das genau (n-1) korrespondierende Datenblöcke ausfüllt, oder ein zwei-phasiges Verfahren (alte Daten lesen; neue Daten schreiben).

Bei RAID 5 ist die Datensicherheit des Arrays beim Ausfall von maximal einer Platte gewährleistet. Allerdings lässt nach Ausfall einer Festplatte oder während des Rebuilds auf die Hotspare-Platte (bzw. nach Austausch der defekten Festplatte) die Leistung deutlich nach (beim Lesen: jeder (n-1)-te Datenblock muss rekonstruiert werden; beim Schreiben: jeder (n-1)-te Datenblock kann nur durch Lesen der entsprechenden Bereiche aller korrespondierenden Datenblöcke und anschließendes Schreiben der Parität geschrieben werden; hinzu kommen die Zugriffe des Rebuilds: (n-1)× Lesen; 1× Schreiben). Bei dem Rebuild-Verfahren ist daher die Berechnung der Parität zeitlich zu vernachlässigen; im Vergleich zu RAID 1 dauert somit das Verfahren unwesentlich länger und benötigt gemessen am Nutzdaten-Volumen nur den (n-1)-ten Teil der Schreib-Zugriffe.

Eine noch junge Methode zur Verbesserung der Rebuild-Leistung und damit der Ausfallsicherheit ist präemptives RAID 5. Hierbei werden interne Fehlerkorrekturstatistiken der Platten zur Vorhersage eines Ausfalls herangezogen (siehe S.M.A.R.T.). Vorsorglich wird nun die Hot-Spare-Platte mit dem kompletten Inhalt der ausfallverdächtigsten Platte im RAID-Verbund synchronisiert, um zum vorhergesagten Versagenszeitpunkt sofort an deren Stelle treten zu können. Das Verfahren erreicht bei geringerem Platzbedarf eine ähnliche Ausfallsicherheit wie RAID 6 und andere Dual-Parity-Implementierungen. Allerdings wurde präemptives RAID 5 aufgrund des hohen Aufwands bislang nur in wenigen „High-End“-Speichersystemen mit server-basierten Controllern implementiert.

Raid 1

(Quelle: Wikipedia) RAID 1: Mirroring – Spiegelung

Ein RAID-1 muss aus mindestens zwei Festplatten bestehen, die exakt die gleichen Daten enthalten (engl. mirroring oder duplexing, s. u.). RAID 1 bietet die volle Redundanz der gespeicherten Daten, während die Kapazität des Arrays höchstens so groß ist wie die kleinste beteiligte Festplatte.

Fällt eine der gespiegelten Platten aus, kann jede andere weiterhin alle Daten liefern. Besonders für sicherheitskritische Echtzeitanwendungen ist das unverzichtbar. RAID 1 bietet eine hohe Ausfallsicherheit: zum Totalverlust der Daten führt erst der Ausfall aller Platten.

Aus historischen Gründen wird zwischen Mirroring (alle Festplatten an demselben Controller) und Duplexing unterschieden, was heute jedoch nur bei Betrachtungen über den Single Point of Failure eine Rolle spielt: Festplatten-Controller fallen im Vergleich zu mechanisch beanspruchten Teilen (also Festplatten) relativ selten aus, so dass ein Controller-Ausfall auf Grund seiner geringen Wahrscheinlichkeit häufig noch toleriert wird.

Zur Erhöhung der Sicherheit kann ein RAID-1-System beim Lesen stets auf mehr als eine Festplatte zugreifen (wenn die Antworten vorliegen, werden die beiden Datenströme verglichen, und bei Unstimmigkeiten wird eine Fehlermeldung ausgegeben, da die Spiegelung nicht länger besteht). Diese Funktion bieten nur wenige Controller an, sie reduziert auch die Geschwindigkeit des Systems geringfügig.

Eine Spiegelplatte ist kein Ersatz für eine Datensicherung, da auch versehentliche oder fehlerhafte Schreiboperationen (Viren, Stromausfall, Benutzerfehler) sich augenblicklich auf die Spiegelplatte übertragen. Dies gilt insbesondere für unvollständig abgewickelte, schreibende Programme (etwa: durch Stromausfall abgebrochene Update-Transaktionen auf Datenbanken ohne Logging-System), wobei es hier nicht nur zu der Beschädigung der Spiegelung, sondern auch zu einem inkonsistenten Datenzustand trotz intakter Spiegelung kommen kann. Abhilfe schaffen hier Datensicherungen und Transaktions-Logs.

Raid 0

(Quelle: Wikipedia) RAID 0: Striping – Beschleunigung ohne Redundanz

Streng genommen handelt es sich bei RAID 0 nicht um ein wirkliches RAID, da es keine Redundanz gibt.

RAID 0 bietet gesteigerte Transferraten, indem die beteiligten Festplatten in zusammenhängende Blöcke gleicher Größe aufgeteilt werden, wobei quasi im Reißverschlussverfahren diese Blöcke zu einer großen Festplatte angeordnet werden. Somit können Zugriffe auf allen Platten parallel durchgeführt werden (engl. striping, was „in Streifen zerlegen“ bedeutet, abgeleitet von stripe, der „Streifen“). Die Datendurchsatz-Steigerung (bei sequentiellen Zugriffen, aber besonders auch bei hinreichend hoher Nebenläufigkeit) beruht darauf, dass die notwendigen Festplatten-Zugriffe in höherem Maße parallel abgewickelt werden können. Die Größe der Datenblöcke wird als Striping-Granularität (auch „chunk size“ oder „interlace size“) bezeichnet. Meistens wird bei Raid 0 eine chunk size von 128 kb gewählt.

Fällt jedoch eine der Festplatten durch einen Defekt (vollständig) aus, kann der RAID-Controller ohne deren Teildaten die Nutzdaten nicht mehr vollständig rekonstruieren. Eine teilweise Restauration ist unter Umständen jedoch möglich, nämlich genau für die Dateien, die nur auf den verbliebenen Festplatten gespeichert sind, was typischerweise nur bei kleinen Dateien und eher bei großer Striping-Granularität der Fall sein wird. (Im Vergleich dazu würde die Benutzung von je einem getrennten Dateisystem pro Festplatte bei einem Ausfall eines einzelnen Speichermediums die nahtlose Benutzbarkeit der verbliebenen Medien bzw. der dortigen Dateisysteme garantieren, während der vollständige Ausfall eines einzelnen und entsprechend größeren Speichermediums einen vollständigen Verlust aller Daten zur Folge hätte.) RAID 0 ist daher nur in Anwendungen zu empfehlen, bei denen Datensicherheit kaum von Bedeutung ist oder durch eine geeignete Form von Datensicherung anderweitig gewährleistet wird. Auch wenn überwiegend lesende Zugriffe auftreten (während ändernde Zugriffe durch entsprechende Verfahren redundant auch auf einem anderen Medium ausgeführt werden), kann RAID 0 empfehlenswert sein. Die bei einfachem RAID 0 unvermeidbare Betriebsunterbrechung in Folge eines Festplatten-Ausfalls (auch einzelner Platten) sollte bei der Planung berücksichtigt werden.

Der Einsatzzweck dieses Verbundsystems erstreckt sich demnach auf Anwendungen, bei denen in kurzer Zeit besonders große Datenmengen vor allem gelesen werden sollen, z. B. auf die Musik- oder Videowiedergabe und die sporadische Aufnahme derselben.