Block-, Datei- und Objektbasierte Speichertechnologien

In der Welt der Datenspeicherung gibt es drei grundlegende Ansätze: blockbasierte, dateibasierte und objektbasierte Speichertechnologien. Jeder dieser Ansätze hat spezifische Eigenschaften und Anwendungsfälle.

Blockbasierter Speicher bietet direkten Zugriff auf Rohspeicherblöcke des Speichermediums. Betriebssysteme können direkt auf diese Blöcke zugreifen und sie lesen oder schreiben. Dieser Ansatz wird häufig in Hochleistungsdatenbanken und Virtualisierung eingesetzt, wo Geschwindigkeit und Effizienz entscheidend sind.
Dateibasierter Speicher organisiert Daten in einem hierarchischen Dateisystem mit Dateien und Verzeichnissen. Benutzer und Anwendungen greifen auf Dateien über Netzwerkprotokolle wie NFS oder SMB zu. Dieser Ansatz ist benutzerfreundlich und weit verbreitet für allgemeine Dateifreigaben.
Objektbasierter Speicher speichert Daten als Objekte zusammen mit Metadaten in einem flachen Adressraum. Dieser Ansatz ist hoch skalierbar und eignet sich für große, unstrukturierte Datenmengen wie Medieninhalte oder Backups. Zugriffe erfolgen über APIs wie REST oder SOAP.

Blockbasierte Speicherprotokolle

iSCSI (Internet Small Computer System Interface)

Nutzt TCP/IP, um SCSI-Kommandos über ein Ethernet-Netzwerk zu übertragen.
Häufig für Storage Area Networks (SANs) verwendet, da es kostengünstiger als Fibre Channel ist.
Unterstützt lokale und verteilte Umgebungen über LANs und WANs.

Fibre Channel (FC)

Hochgeschwindigkeits-Netzwerkprotokoll, das Glasfaser- oder Kupferkabel verwendet.
Eingesetzt in SAN-Umgebungen für hohe Leistung und geringe Latenz.
Verwendet FC-Switches zum Aufbau dedizierter Speichernetzwerke.

FCoE (Fibre Channel over Ethernet)

Kombiniert Fibre Channel mit Ethernet, ermöglicht FC-Datenübertragung ohne TCP/IP.
Benötigt Data Center Bridging (DCB) für verlustfreies Ethernet.
Optimiert für Rechenzentren, nutzt Ethernet mit 10/25/40/100 Gbit/s.

InfiniBand

Hochleistungs-Netzwerkprotokoll in Supercomputern und HPC-Umgebungen.
Bietet sehr niedrige Latenz und hohe Bandbreite (bis zu 400 Gbit/s).
Nutzt spezielle InfiniBand-Switches und -Adapter.

SCSI (Small Computer System Interface)

Traditionelles Protokoll für Speichergeräte wie Festplatten und Bandlaufwerke
Implementiert über Schnittstellen wie SAS oder Parallel SCSI.
In älteren Systemen relevant, oft durch SAS oder iSCSI ersetzt.

SAS (Serial Attached SCSI)

Serielle Punkt-zu-Punkt-Technologie für schnelle Festplatten und SSDs.
Hauptsächlich in Enterprise-Servern und Speichersystemen verwendet.
Höhere Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber SATA.

NVMe (Non-Volatile Memory Express)

Protokoll für SSDs, speziell für Flash-Speicher entwickelt.
Nutzt PCIe für hohe Bandbreite und niedrige Latenzzeiten.
Verwendet in modernen Servern, Laptops und Workstations.

NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

Erweitert NVMe für den Zugriff über Netzwerke wie RDMA, TCP oder Fibre Channel.
Ermöglicht effiziente Anbindung von NVMe-SSDs in Rechenzentren.
Nutzt Protokolle wie RoCE oder iWARP.

FC-NVMe (Fibre Channel over NVMe)

Kombiniert Fibre Channel mit NVMe für schnelle Speicherzugriffe.
Bietet geringe Latenz und hohe IOPS.
Eingesetzt in SANs für Hochleistungsanwendungen.

ATA over Ethernet (AoE)

Einfaches Protokoll zur Bereitstellung von Speicher über Ethernet ohne TCP/IP.
In kleineren Speichernetzwerken genutzt, mit weniger Overhead.
Weniger verbreitet als iSCSI- oder FC-Lösungen.

NVMe over RDMA over Converged Ethernet (RoCE)

RDMA (Remote Direct Memory Access) ermöglicht den direkten Zugriff auf Speicher über das Netzwerk, wodurch die CPU- und Betriebssystem-Belastung reduziert wird.
RoCE (RDMA over Converged Ethernet) nutzt verlustfreies Ethernet, um eine extrem niedrige Latenz und hohe Bandbreiten zu ermöglichen.
Diese Technologie wird oft in Hochleistungsrechenzentren verwendet, da sie schneller als NVMe over Fibre Channel (NVMe/FC) ist und gleichzeitig eine effizientere Netzwerknutzung bietet.

NVMe over TCP (NVMe/TCP)

Nutzt das Transmission Control Protocol (TCP), um NVMe-Speicher über Ethernet-Netzwerke bereitzustellen.
Hat eine höhere Latenz als NVMe over RoCE oder NVMe/FC, da TCP zusätzliche Header- und Fehlerkontrollmechanismen mit sich bringt.
Da es mit standardisierten Ethernet-Produkten kompatibel ist, reduziert es die Hardwarekosten und vereinfacht die Netzwerkverwaltung.

Vergleich der Technologien

Protokoll	Latenz	Kosten	Hardware-Anforderungen	Netzwerktyp
NVMe over RoCE	Sehr niedrig	Hoch	RDMA-fähige Netzwerkkarten und verlustfreies Ethernet	High-Performance Ethernet
iSCSI	Mittel	Niedrig	Standard-Ethernet-Adapter und Switches	Ethernet (LAN/WAN)
NVMe over TCP	Höher als RoCE	Niedrig bis mittel	Standard-Ethernet-Produkte	Standard-Ethernet (LAN/WAN)
NVMe over FC	Niedrig	Hoch	Fibre Channel-Infrastruktur	Fibre Channel

Dateibasierte Speicherprotokolle

NFS (Network File System)

Zugriff auf entfernte Dateien in UNIX- und Linux-Umgebungen.
Verwendet TCP oder UDP über Ethernet.
Häufig in Unternehmensnetzwerken und Cloud-Speichern.

SMB (Server Message Block) / CIFS (Common Internet File System)

Datei- und Druckerfreigabe in Windows-Netzwerken.
Funktioniert über TCP/IP, weit verbreitet in Unternehmen.
Unterstützt Datei-Locking und Benutzerrechte.

AFP (Apple Filing Protocol)

Proprietäres Apple-Protokoll für Dateizugriff über ein Netzwerk.
Weitgehend durch SMB in macOS ersetzt.
Genutzt für ältere macOS-Versionen und Time Machine-Backups.

FTP (File Transfer Protocol)

Dateiübertragung über TCP/IP-Netzwerke.
Ermöglicht Upload und Download zwischen Servern und Clients.
Größtenteils durch SFTP ersetzt wegen fehlender Sicherheit.

SFTP (Secure File Transfer Protocol)

Sichere Alternative zu FTP, nutzt SSH für Verschlüsselung.
Eingesetzt für sichere Dateiübertragungen in Unternehmen.
Unterstützt Passwort- und Schlüsselpaare-Authentifizierung.

WebDAV (Web Distributed Authoring and Versioning)

Erweitert HTTP zum Speichern und Bearbeiten von Dateien über das Internet.
Verwendet für Cloud-Speicher und Dokumentenmanagement.
Unterstützt Versionskontrolle und Zusammenarbeit.

Objektbasierte Speicherprotokolle

Amazon S3 (Simple Storage Service API)

Proprietäres Cloud-Speicherprotokoll von AWS.
Nutzt HTTP/HTTPS für Speicher- und Abruf von Objektdaten.
Bietet hohe Skalierbarkeit und Redundanz.

OpenStack Swift

Open-Source-Objektspeicher für Cloud-Umgebungen.
Verwendet REST-APIs für Datenzugriff.
Eingesetzt in privaten und öffentlichen Clouds.

Ceph Object Storage

Skalierbares verteiltes Speichersystem mit Objekt-, Block- und Dateispeicherung.
Unterstützt S3- und Swift-kompatible APIs.
Bietet Fehlertoleranz und automatische Datenreplikation.

Google Cloud Storage API

Skalierbare Objektspeicherlösung von Google.
Unterstützt REST- und JSON-basierte APIs.
Bietet Versionierung und Lifecycle-Management.

💭 Jeremys Brain

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