QNAP-NAS: Welches Betriebssystem QTS oder QuTS hero?

Einleitung

Die beiden von QNAP angebotenen Betriebssysteme unterscheiden sich im Prinzip lediglich durch die verwendeten Dateisysteme. Das klassische QTS nutzt als Dateisystem Ext4 während bei QuTS hero ZFS zum Einsatz kommt. Grundsätzlich unterstützen alle QNAP NAS-Systeme QTS, die leistungsfähigeren Modelle (laut QNAPs Klassifikation ab der SMB-Mittelklasse) können aber auch mit QuTS hero betrieben werden.

ZFS

ZFS wurde Anfang der 2000er-Jahre von Sun Microsystems entwickelt und steht unter einer proprietären Lizenz. Deswegen unterstützen die bekannten Distributionen ZFS nicht standardmäßig. Es gibt allerdings mit OpenZFS auch eine Open-Source-Variante, diese wird auch von QNAP genutzt. ZFS bietet einige Vorteile und zusätzliche Funktionen, die allerdings auch mehr Systemressourcen erfordern. Also schauen wir uns zunächst die Funktionen und Eigenschaften von ZFS einmal genauer an.

RAID-Level

Die unter ZFS zur Verfügung stehenden RAID-Modi ähneln den allgemein bekannten RAID-Leveln. Die Umsetzung unterscheidet sich dennoch in einigen Details.

Ein großer Vorteil von ZFS ist, dass zwischen freien und belegten Blöcken unterschieden werden kann. Daher werden bei der Einrichtung, aber vor allem auch bei Rebuilds nur die tatsächlich belegten Blöcke geschrieben, während bei klassischen RAID-Systemen in diesen Fällen immer der gesamte Datenträger beschrieben werden muss. Dies reduziert die Zeiten deutlich und schont zusätzlich auch die Datenträger.

RAIDZ

• RAIDZ1 kann den Ausfall einer Festplatte kompensieren und entspricht damit einem RAID 5.
• RAIDZ2 kann den Ausfall von zwei Festplatten kompensieren und entspricht damit einem RAID 6.
• RAIDZ3 kann den Ausfall von drei Festplatten kompensieren, hierbei werden Paritätsinformationen auf 3 anderen Festplatten vorgehalten. Eine Entsprechung zu einem herkömmlichen RAID-Level gibt es nicht.

Weitere RAID-Level

Auch die RAID-Level 1 (Mirror Pool) und 0 (Stripe Pool) stehen bei ZFS zur Verfügung. Ebenso die Mischformen 10 (Striped Mirror Pool), 50 und 60.

Logischer Aufbau

Während bei den meisten anderen Dateisystemen eine dreistufige Hierarchie-Ebene zum Einsatz kommt (Speicherpool – Volume – Freigabe), sind es bei ZFS lediglich zwei (Speicherpool und Freigabe).

Datenfehlerkorrektur

ZFS unterstützt eine auf Prüfsummen basierende Datenfehlerkorrektur. Wird eine fehlerhafte Datei erkannt, so wird diese automatisch durch eine fehlerfreie Version von einem anderen Datenträger ersetzt. Diese Funktion setzt also die Nutzung eines RAID-Verbunds mit Paritätsinformationen voraus. Die Dateiüberprüfung erfolgt beim Zugriff auf eine Datei oder durch eine Datenbereinigung (Scrubbing).

Komprimierung

Die Kompression auf Basis von LZ4 reduziert die Dateigrößen zwar nicht erheblich, hat aber im Gegenzug auch nur minimale Auswirkungen auf die Performance.

Deduplikation

Diese Funktion ist vor allem im Hinblick auf den Arbeitsspeicher sehr ressourcenintensiv und das Einsparpotenzial ist stark von den Daten abhängig. Befinden sich auf einer Freigabe mehrfach identische Daten, beispielsweise in virtuellen Umgebungen mit gleichen Betriebssystemen, ist das Einsparpotenzial recht groß.

Copy-On-Write

Copy-On-Write sorgt dafür, dass Dateien auf Dateisystemebene nicht direkt überschrieben werden. Stattdessen werden die geänderten Daten auf separate Speicherbereiche geschrieben und erst nach dem erfolgreichen Abschluss des Speichervorgangs die alten Daten durch einen Verweis auf die neu geschriebenen Daten ersetzt. So können bei plötzlichen (Strom-)Ausfällen keine korrupten Dateien entstehen.

Snapshots

Weiterer Vorteil von Copy-On-Write ist die schnelle Erstellung von Snapshots. Diese Snapshots können als lokales Backup oder auch zur Replikation auf ein anderes Speichersystem genutzt werden.

WORM

Write-Once-Read-Many ist eine weitere Funktion, die allerdings nur bei besonderen Anforderungen sinnvoll ist. Einmal abgelegte Daten können nach einer einstellbaren Zeitspanne nur noch gelesen, aber nicht mehr geändert oder gelöscht werden. Die Nutzung dieser Funktion eignet sich, wenn aus rechtlichen oder anderen Compliance-Gründen Daten vor dem nachträglichen Verändern oder Löschen geschützt werden müssen.

Umsetzung in QuTS hero

Qnap erlaubt die Nutzung von QuTS hero nur auf Geräten mit einer gewissen CPU-Leistung und setzt auch mindestens 8 GB RAM voraus. Um die Datenduplizierung aktivieren zu können, sind mindestens 16 GB RAM erforderlich. Weiterhin empfiehlt QNAP bei der Nutzung von QuTS hero einen SSD-Pool für das Betriebssystem zu verwenden. Wichtig hierbei: Der erste eingerichtete Pool ist immer der Systempool, daher müssen die SSDs vor der ersten Inbetriebnahme eingebaut werden.

Unter QuTS hero ist die Speicher-Pool-Größe auf 5 Petabyte limitiert. Diese Speicherkapazität kann aber nur von den größten NAS-Systemen aus der Enterprise-Klasse mit der maximalen Anzahl an Erweiterungsgehäusen annähernd erreicht werden. Weiterhin handelt es sich hierbei auch lediglich um ein Software-Limit, welches QNAP durch ein Update auch jederzeit erhöhen kann.

QNAP benutzt auch unter QuTS hero in der Benutzeroberfläche die bekannteren klassischen RAID-Bezeichnungen:

• RAID 5 = RAIDZ1
• RAID 6 = RAIDZ2
• TP = RAIDZ3

Die Hierarchie unter QTS mit Ext4 ist: Storage Pool → Volume → Freigabe. Unter ZFS fällt die Ebene des Volumes weg. Um die Kompatibilität zu QTS und vor allem auch zu den Apps sicherzustellen, wird bei der Erstellung einer Freigabe unter QuTS hero immer noch ein weiterer Ordner mit dem Namen „ZFSxxx_DATA“ angelegt (wobei xxx einer 1- bis 3-stelligen Zahl entspricht). So bleibt es bei den drei Hierarchie-Stufen. Dies wird in der NAS-Oberfläche allerdings nicht angezeigt, ist aber beim Zugriff via SSH oder bei der Einrichtung von Apps oder Docker-Containern wichtig.

In den Standardeinstellungen gibt es keine regelmäßigen Datenbereinigungen, diese kann man allerdings unter Storage & Snapshots – Storage – Storage/Snapshots oben rechts über das Zahnrad einrichten. Empfehlenswert ist ein Scrubbing-Intervall zwischen zwei Wochen und 6 Monaten.

Die folgenden ZFS-Funktionen können pro Freigabe gesteuert werden:

• Automatische Komprimierung (standardmäßig eingeschaltet)
• Deduplikation (standardmäßig ausgeschaltet)
• regelmäßige automatische Snapshots
• WORM

Snapshots können auch mittels Synchronisierung auf ein anderes NAS mit QuTS hero übertragen werden (SnapSync). Hierbei werden allerdings nur die Daten auf Dateisystemebene übertragen, darüber hinausgehende Einstellungen des NAS-Systems wie beispielsweise die Benutzer und Berechtigungen müssen ggf. händisch auf dem Zielsystem nachgepflegt werden.

Einschränkungen gibt es aber auch, so wird Storage Tiering (QTier) von QuTS hero nicht unterstützt.

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