{"id":54586,"date":"2019-12-29T00:00:00","date_gmt":"2019-12-28T21:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/blog_prohoster\/nuzhno-li-sozdavat-raid-massiv-iz-ssd-i-kakie-kontrollery-dlya-etogo-nuzhny"},"modified":"2020-02-18T14:02:37","modified_gmt":"2020-02-18T11:02:37","slug":"nuzhno-li-sozdavat-raid-massiv-iz-ssd-i-kakie-kontrollery-dlya-etogo-nuzhny","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/administrirovanie\/nuzhno-li-sozdavat-raid-massiv-iz-ssd-i-kakie-kontrollery-dlya-etogo-nuzhny","title":{"rendered":"Sollte man ein RAID-Array aus SSDs erstellen und welche Controller sind daf\u00fcr erforderlich?","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

Hallo Habr! In diesem Artikel werden wir dar\u00fcber sprechen, ob es sich lohnt, RAID-Arrays auf Basis von SATA SSD- und NVMe SSD-L\u00f6sungen zu organisieren und ob daraus erhebliche Vorteile resultieren? Wir haben uns entschieden, diese Frage zu kl\u00e4ren, indem wir die Arten und Typen von Controllern betrachten, die dies erm\u00f6glichen, sowie die Anwendungsbereiche solcher Konfigurationen.<\/p>\n

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\n<\/a><\/noindex>
\nJeder von uns hat irgendwann in seinem Leben Begriffe wie \u201cRAID\u201d, \u201cRAID-Array\u201d, \u201cRAID-Controller\u201d geh\u00f6rt, hat diesem Thema jedoch wahrscheinlich nicht viel Bedeutung beigemessen, denn f\u00fcr den durchschnittlichen PC-Benutzer ist das wahrscheinlich nicht von Interesse. Dennoch w\u00fcnschen sich alle m\u00f6glichst hohe Geschwindigkeiten von internen Speichermedien und eine zuverl\u00e4ssige Funktionsweise. Denn egal wie leistungsstark die Hardware eines Computers ist, die Geschwindigkeit des Speichermediums wird zum Engpass, wenn es um die Gesamtleistung von PC und Server geht. <\/p>\n

Das war jedoch genau bis zu dem Zeitpunkt der Fall, als moderne NVMe SSDs mit vergleichbarer Kapazit\u00e4t von 1 TB und mehr die traditionellen HDDs abl\u00f6sten. Bis vor kurzem fanden sich in PCs h\u00e4ufig Kombinationen aus SATA SSD und ein paar gro\u00dfen HDDs, doch heute wird dies zunehmend durch eine andere L\u00f6sung ersetzt \u2013 NVMe SSD und ein paar gro\u00dfe SATA SSDs. Wenn wir \u00fcber Unternehmensserver und \u201eClouds\u201c sprechen, sind viele bereits problemlos auf SATA SSDs umgestiegen, einfach weil sie schneller sind als traditionelle \u201eFestplatten\u201c und mehr Ein-\/Ausgabe-Operationen gleichzeitig verarbeiten k\u00f6nnen.<\/p>\n

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\nDie Fehlertoleranz des Systems bleibt jedoch weiterhin auf einem relativ niedrigen Niveau: Wir k\u00f6nnen nicht wie in der \u201eBattle of Psychics\u201c mit genauer Vorhersage sogar bis zu einer Woche vorhersagen, wann dieses oder jenes Solid-State-Laufwerk den Geist aufgeben wird. W\u00e4hrend HDDs allm\u00e4hlich \u201esterben\u201c und es erm\u00f6glichen, Symptome zu erkennen und Ma\u00dfnahmen zu ergreifen, \u201esterben\u201c SSDs sofort und ohne Vorwarnung. Und jetzt ist es an der Zeit, herauszufinden, warum all das \u00fcberhaupt notwendig ist? Lohnt es sich, RAID-Arrays auf Basis von SATA SSD- und NVMe SSD-L\u00f6sungen zu organisieren, und wird daraus ein erheblicher Nutzen resultieren? <\/p>\n

Warum ben\u00f6tigt man ein RAID-Array?<\/h2>\n

\nDas Wort \u201eArray\u201c impliziert bereits, dass zur Erstellung mehrere Speicherger\u00e4te (HDDs und SSDs) verwendet werden, die \u00fcber einen RAID-Controller verbunden sind und von dem Betriebssystem als einheitlicher Datenspeicher erkannt werden. Das globale Ziel, das RAID-Arrays erm\u00f6glichen, ist die Minimierung der Zugriffszeit auf Daten, die Erh\u00f6hung der Lese-\/Schreibgeschwindigkeit und die Zuverl\u00e4ssigkeit, die durch die M\u00f6glichkeit einer schnellen Wiederherstellung im Falle eines Ausfalls erreicht wird. \u00dcbrigens ist es f\u00fcr private Backups nicht unbedingt erforderlich, RAID zu verwenden. Wenn Sie jedoch einen eigenen Heimserver haben, auf den st\u00e4ndig 24\/7 zugegriffen werden muss, ist das eine andere Sache.<\/p>\n

Es gibt mehr als ein Dutzend RAID-Array-Stufen, von denen jede sich in der Anzahl der verwendeten Speicherger\u00e4te unterscheidet und ihre eigenen Vor- und Nachteile hat: Zum Beispiel erm\u00f6glicht RAID 0 eine hohe Leistung ohne Fehlertoleranz, RAID 1 richtet eine automatische Daten-Spiegelung ohne Geschwindigkeitssteigerung ein, w\u00e4hrend RAID 10 die M\u00f6glichkeiten der zuvor genannten kombiniert. RAID 0 und 1 sind die einfachsten (da sie keine Software-Berechnungen erfordern) und folglich die beliebtesten. Letztendlich h\u00e4ngt die Wahl f\u00fcr die eine oder andere RAID-Stufe von den Anforderungen an das Datentr\u00e4ger-Array und den M\u00f6glichkeiten des RAID-Controllers ab.<\/p>\n

Heim- und Unternehmens-RAID: Wo liegt der Unterschied?<\/h2>\n

\nDie Grundlage jedes modernen Unternehmens sind gro\u00dfe Datenmengen, die zuverl\u00e4ssig auf den Servern der Unternehmen gespeichert werden m\u00fcssen. Au\u00dferdem, wie bereits erw\u00e4hnt, muss zu diesen Daten permanenter 24\/7-Zugriff sichergestellt werden. Es ist klar, dass neben der Hardware auch die Software eine wichtige Rolle spielt, aber in diesem Fall sprechen wir dennoch von der Hardware, die eine zuverl\u00e4ssige Speicherung und Verarbeitung von Informationen gew\u00e4hrleistet. Keine Software kann ein Unternehmen vor dem Ruin bewahren, wenn die Hardware nicht den Anforderungen entspricht, die an sie gestellt werden.<\/p>\n

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\nF\u00fcr diese Aufgaben bieten alle Hersteller von Hardware sogenannte Unternehmensger\u00e4te an. Bei Kingston handelt es sich um leistungsstarke Solid-State-L\u00f6sungen in Form von SATA-Modellen. Kingston 450R (DC450R)<\/a><\/noindex> und der DC500-Serie<\/a><\/noindex>, sowie NVMe-Modelle DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe und DCP-1000 PCI-e, die f\u00fcr den Einsatz in Rechenzentren (RZ) und Supercomputern vorgesehen sind. Arrays aus solchen Speichermedien werden in der Regel in Verbindung mit Hardware-Controllern verwendet.<\/p>\n

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\nF\u00fcr den Verbraucherbereich (d. h. f\u00fcr PCs und NAS-Server zu Hause) sind solche Speichermedien wie Kingston KC2000<\/a><\/noindex> NVMe PCIe erh\u00e4ltlich, aber in diesem Fall ist der Kauf eines Hardware-Controllers nicht zwingend erforderlich. Man kann sich mit dem im Mainboard des PCs oder NAS-Servers integrierten Controller begn\u00fcgen, es sei denn, man plant, selbst einen Heimserver f\u00fcr untypische Aufgaben zu bauen (zum Beispiel, um ein kleines Heimhosting f\u00fcr Freunde einzurichten). Zudem sehen Heim-RAID-Arrays in der Regel nicht die Verwendung von Hunderten oder Tausenden von Laufwerken vor, sondern beschr\u00e4nken sich auf zwei, vier oder acht Ger\u00e4te (h\u00e4ufig SATA).<\/p>\n

Arten und Typen von RAID-Controllern<\/h2>\n

\nEs gibt drei Arten von RAID-Controllern, die auf den Prinzipien der Implementierung von RAID-Arrays basieren: <\/p>\n

1. Software-Controller, bei denen die Verwaltung des Arrays auf der CPU und DRAM liegt (d. h. die Ausf\u00fchrung des Programmcodes erfolgt auf dem Prozessor).<\/p>\n

2. Integrierte, das hei\u00dft, in die Mainboards von PCs oder NAS-Servern eingebaute Controller.<\/p>\n

3. Hardware-(modulare), die diskrete Erweiterungsplatten f\u00fcr PCI\/PCIe-Schnittstellen von Motherboards darstellen. <\/p>\n

Was ist das wesentliche Unterscheidungsmerkmal zwischen ihnen? Software-RAID-Controller sind im Hinblick auf Leistung und Fehlertoleranz unterlegen im Vergleich zu integrierten und Hardware-Controllern, erfordern jedoch keine spezielle Hardware f\u00fcr den Betrieb. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass der Prozessor des Hosts leistungsf\u00e4hig genug ist, um die RAID-Software auszuf\u00fchren, ohne die Leistung der Anwendungen, die ebenfalls auf dem Host laufen, negativ zu beeinflussen. Integrierte Controller haben in der Regel eigenen Cache-Speicher und nutzen eine gewisse Menge an CPU-Ressourcen. <\/p>\n

Hardwarel\u00f6sungen verf\u00fcgen sowohl \u00fcber eigenen Cache-Speicher als auch \u00fcber einen integrierten Prozessor zur Ausf\u00fchrung von Programm-Algorithmen. In der Regel erm\u00f6glichen sie die Implementierung aller RAID-Level und unterst\u00fctzen gleichzeitig mehrere Arten von Speichermedien. Zum Beispiel k\u00f6nnen die modernen Hardware-Controller von Broadcom gleichzeitig SATA, SAS und NVMe-Ger\u00e4te anschlie\u00dfen, was es erm\u00f6glicht, den Controller beim Upgrade der Server nicht zu wechseln: insbesondere beim Wechsel von SATA SSDs zu NVMe SSDs muss der Controller nicht gewechselt werden.<\/p>\n

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\nAn dieser Stelle sind wir bei der Typologisierung der Controller angekommen. Wenn es Dreimodi-Controller gibt, sollten es auch noch andere geben? In diesem Fall ist die Antwort auf diese Frage bejahend. Je nach Funktionen und M\u00f6glichkeiten k\u00f6nnen RAID-Controller in mehrere Typen unterteilt werden:<\/p>\n

1. Standard-Controller mit RAID-Funktion<\/b>
\nIn der gesamten Hierarchie ist dies der einfachste Controller, der es erm\u00f6glicht, HDDs und SSDs in RAID-Levels \"0\", \"1\" oder \"0+1\" zu kombinieren. Dies wird softwareseitig auf Firmware-Ebene realisiert. Allerdings sind solche Ger\u00e4te kaum f\u00fcr den Einsatz im Unternehmensbereich zu empfehlen, da ihnen der Cache fehlt und RAID-Levels wie \"5\", \"3\" usw. nicht unterst\u00fctzt werden. F\u00fcr einen Einstiegshome-Server sind sie jedoch durchaus geeignet.<\/p>\n

2. Controller, die in Paaren mit anderen RAID-Controllern arbeiten<\/b>
\nDieser Controller-Typ kann in Paaren mit integrierten Controllern auf Motherboards arbeiten. Dies geschieht nach folgendem Prinzip: Der diskrete RAID-Controller \u00fcbernimmt die L\u00f6sung \"logischer\" Aufgaben, w\u00e4hrend der integrierte Controller die Funktion des Datenaustauschs zwischen den Speichermedien \u00fcbernimmt. Aber es gibt einen Haken: Ein paralleler Betrieb solcher Controller ist nur auf kompatiblen Mainboards m\u00f6glich, was bedeutet, dass ihr Anwendungsbereich erheblich eingeschr\u00e4nkt ist.<\/p>\n

3. Selbstst\u00e4ndige RAID-Controller<\/b>
\nDiese diskreten L\u00f6sungen verf\u00fcgen \u00fcber alle notwendigen Chips f\u00fcr den Betrieb mit Unternehmensservern und besitzen ihr eigenes BIOS, Cache-Speicher und einen Prozessor zur schnellen Fehlerkorrektur und Berechnung von Pr\u00fcfziffern. Au\u00dferdem erf\u00fcllen sie hohe Zuverl\u00e4ssigkeitsstandards in der Herstellung und verf\u00fcgen \u00fcber hochwertige Speichermodule.<\/p>\n

4. Externe RAID-Controller<\/b>
\nEs ist nicht schwer zu erraten, dass alle oben genannten Controller intern sind und \u00fcber den PCIe-Anschluss des Motherboards mit Strom versorgt werden. Was bedeutet das? Dass ein Ausfall des Motherboards zu Fehlern im Betrieb des RAID-Arrays und zum Datenverlust f\u00fchren kann. Externe Controller sind von diesem Missverst\u00e4ndnis befreit, da sie in einem separaten Geh\u00e4use mit einer unabh\u00e4ngigen Stromversorgung untergebracht sind. In Bezug auf die Zuverl\u00e4ssigkeit bieten solche Controller das h\u00f6chste Niveau der Datenspeicherung.<\/p>\n

Broadcom<\/a><\/noindex>, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell und Cisco sind nur einige der Unternehmen, die derzeit Hardware-RAID-Controller anbieten.<\/p>\n

Betriebsmodi von SAS\/SATA\/NVMe RAID-Controllern<\/h2>\n

\nDie Hauptaufgabe von Tri-Mode HBA- und RAID-Controllern (oder Controllern mit Tri-Mode-Funktion) besteht darin, RAID-Hardware auf Basis von NVMe zu erstellen. Bei Broadcom k\u00f6nnen dies die Controller der Serie 9400: zum Beispiel, MegaRAID 9460-16i<\/a><\/noindex>. Er geh\u00f6rt zu den eigenst\u00e4ndigen RAID-Controllern, verf\u00fcgt \u00fcber vier SFF-8643-Anschl\u00fcsse und erm\u00f6glicht dank der Unterst\u00fctzung von Tri-Mode die gleichzeitige Verbindung von SATA\/SAS- und NVMe-Laufwerken. Au\u00dferdem ist er einer der energieeffizientesten Controller auf dem Markt (verbraucht nur 17 Watt Energie, davon weniger als 1,1 Watt f\u00fcr jeden der 16 Ports).<\/p>\n

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\nDie Schnittstelle ist PCI Express x8 der Version 3.1, was eine Bandbreite von 64 Gbit\/s erm\u00f6glicht (im Jahr 2020 wird die Einf\u00fchrung von Controllern f\u00fcr PCI Express 4.0 erwartet). Der 16-Port-Controller basiert auf einem 2-Kern-Chip SAS3516<\/a><\/noindex> und 72-Bit DDR4-2133 SDRAM (4 GB), und es besteht die M\u00f6glichkeit, bis zu 240 SATA\/SAS- oder bis zu 24 NVMe-Ger\u00e4te anzuschlie\u00dfen. In Bezug auf die Organisation von RAID-Arrays werden die Ebenen \u201e0\u201c, \u201e1\u201c, \u201e5\u201c und \u201e6\u201c sowie \u201e10\u201c, \u201e50\u201c und \u201e60\u201c unterst\u00fctzt. \u00dcbrigens, der Cache-Speicher MegaRAID 9460-16i<\/a><\/noindex> und anderer Controller in der Serie 9400 ist durch ein zus\u00e4tzliches Modul CacheVault CVPM05 gegen Spannungsschwankungen gesch\u00fctzt.<\/p>\n

Der Grundlage der Drei-Modus-Technologie liegt die Funktion der Datenumwandlung SerDes: die Umwandlung der sequenziellen Datenpr\u00e4sentation in SAS\/SATA-Schnittstellen in eine parallele Form in PCIe NVMe und umgekehrt. Das hei\u00dft, der Controller stimmt Geschwindigkeiten und Protokolle ab, um reibungslos mit jedem der drei Typen von Speicherger\u00e4ten zu arbeiten. Dies bietet eine unterbrechungsfreie M\u00f6glichkeit, die Infrastruktur von Rechenzentren zu skalieren: Benutzer k\u00f6nnen NVMe ohne wesentliche \u00c4nderungen an anderen Systemkonfigurationen nutzen. <\/p>\n

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\nBei der Planung von Konfigurationen mit NVMe-Laufwerken sollte jedoch ber\u00fccksichtigt werden, dass NVMe-L\u00f6sungen 4 PCIe-Linien zur Verbindung verwenden, was bedeutet, dass jedes Laufwerk alle Linien der SFF-8643-Ports belegt. Das bedeutet, dass direkt an den MegaRAID 9460-16i-Controller nur vier NVMe-Laufwerke angeschlossen werden k\u00f6nnen. Alternativ kann man sich bei gleichzeitiger Verbindung von acht SAS-Laufwerken mit zwei NVMe-L\u00f6sungen begn\u00fcgen (siehe das Anschlussschema unten).<\/p>\n

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\nDie Abbildung zeigt die Verwendung des Anschlusses \u201e0\u201c (C0 \/ Connector 0) und des Anschlusses \u201e1\u201c f\u00fcr NVMe-Verbindungen sowie der Anschl\u00fcsse \u201e2\u201c und \u201e3\u201c f\u00fcr SAS-Verbindungen. Diese Anordnung kann umgekehrt werden, aber jedes NVMe x4-Laufwerk muss mit benachbarten Linien verbunden werden. Die Betriebsmodi des Controllers werden \u00fcber die Konfigurationswerkzeuge StorCLI oder Human Interface Infrastructure (HII) eingerichtet, die in einer UEFI-Umgebung arbeiten. <\/p>\n

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\nDer Standardmodus ist das Profil \u201ePD64\u201c (unterst\u00fctzt nur SAS \/ SATA). Wie oben erw\u00e4hnt, gibt es insgesamt drei Profile: den Modus \u201eSAS\/SATA only mode\u201c (PD240 \/ PD64 \/ PD 16), den Modus \u201eNVMe only mode\u201c (PCIe4) und einen gemischten Modus, in dem alle Arten von Laufwerken funktionieren k\u00f6nnen: \u201ePD64-PCIe4\u201c (unterst\u00fctzt 64 physische und virtuelle Laufwerke mit 4 NVMe-Laufwerken). Im gemischten Modus muss der eingestellte Profilwert \u201eProfileID=13\u201c sein. \u00dcbrigens bleibt das gew\u00e4hlte Profil als prim\u00e4r gespeichert und wird auch bei einer Wiederherstellung auf die Werkseinstellungen \u00fcber den Befehl Set Factory Defaults nicht zur\u00fcckgesetzt. Es kann nur manuell ge\u00e4ndert werden.<\/p>\n

Sollte man ein RAID-Array auf SSDs erstellen?<\/h2>\n

\nAlso, wir haben bereits verstanden, dass RAID-Arrays die Grundlage f\u00fcr hohe Leistungsf\u00e4higkeit sind. Aber lohnt es sich, ein RAID aus Solid-State-Laufwerken f\u00fcr den Hausgebrauch und den Unternehmenssektor zu konfigurieren? Viele Skeptiker behaupten, dass der Geschwindigkeitszuwachs nicht so signifikant ist, als dass man sich die Kosten f\u00fcr NVMe-Laufwerke leisten k\u00f6nnte. Stimmt das wirklich? Wahrscheinlich nicht. Das gr\u00f6\u00dfte Hindernis f\u00fcr die Verwendung von SSDs in RAID (sowohl im privaten als auch im Unternehmensbereich) ist nur der Preis. So oder so, die Kosten pro Gigabyte Speicherplatz bei HDDs sind deutlich g\u00fcnstiger. <\/p>\n

Der Anschluss mehrerer Solid-State-\"Festplatten\" an einen RAID-Controller zur Erstellung eines Arrays aus SSDs in bestimmten Konfigurationen kann erhebliche Auswirkungen auf die Leistung haben. Man sollte jedoch nicht vergessen, dass die maximale Leistung durch die Bandbreite des RAID-Controllers begrenzt ist. Der RAID-Level, der die beste Geschwindigkeit bietet, ist RAID 0.<\/p>\n

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\nDie Organisation eines normalen RAID 0 mit zwei SSD-Laufwerken, bei der die Methode der Datenaufteilung in feste Bl\u00f6cke und deren alternierende Speicherung zwischen den Solid-State-Speichern verwendet wird, f\u00fchrt zu einer Verdopplung der Leistung (im Vergleich zu den Geschwindigkeiten, die ein einzelnes SSD-Laufwerk liefert). Zudem wird ein RAID 0-Array mit vier Solid-State-Laufwerken bereits viermal schneller sein als das langsamste SSD im Array (je nach Bandbreitenlimit am RAID-Controller f\u00fcr SSDs). <\/p>\n

Wenn man einfache Mathematik anwendet, sind SATA-SSDs etwa dreimal schneller als traditionelle SATA-HDDs. NVMe-L\u00f6sungen sind noch effektiver \u2013 bis zu zehnmal und mehr. Angenommen, zwei Festplatten in einem RAID der Null-Ebene zeigen eine Verdopplung der Leistung, erh\u00f6hen sie diese um 50 %. Zwei SATA-SSDs w\u00e4ren also sechsmal schneller, w\u00e4hrend zwei NVMe-SSDs zwanzigmal schneller w\u00e4ren. Insbesondere ein Kingston KC2000 NVMe PCIe-Laufwerk kann sequenzielle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 3200 MB\/s erreichen, was im RAID 0 beeindruckende 6 GB\/s ergibt. Zudem wandelt sich die Lese-\/Schreibgeschwindigkeit von zuf\u00e4lligen Bl\u00f6cken der Gr\u00f6\u00dfe 4 KB von 350.000 IOPS in 700.000 IOPS. Aber\u2026 gleichzeitig bietet ein \"Null\"-RAID keine Redundanz.<\/p>\n

Man kann sagen, dass in einer Heimumgebung normalerweise kein \u00fcberm\u00e4\u00dfiger Speicherplatz erforderlich ist. Daher ist RAID 0 tats\u00e4chlich die passendste Konfiguration f\u00fcr SSDs. Dies ist eine zuverl\u00e4ssige Methode, um eine erhebliche Leistungssteigerung im Vergleich zur Nutzung von Technologien wie Intel Optane-basierten Solid-State-Laufwerken zu erzielen. Wie sich jedoch SSD-L\u00f6sungen in den beliebtesten RAID-Typen (\u201e1\u201c, \u201e5\u201c, \u201e10\u201c, \u201e50\u201c) verhalten werden, werden wir in unserem n\u00e4chsten Artikel besprechen.<\/p>\n

Dieser Artikel wurde mit Unterst\u00fctzung unserer Kollegen von Broadcom erstellt, die ihre Controller Ingenieuren von Kingston zur Verf\u00fcgung stellen, um Tests mit SATA\/SAS\/NVMe Enterprise-Class-Laufwerken durchzuf\u00fchren. Dank dieser freundschaftlichen Symbiose m\u00fcssen die Kunden nicht an der Zuverl\u00e4ssigkeit und Stabilit\u00e4t der Kingston-Laufwerke in Kombination mit HBA- und RAID-Controllern zweifeln. Broadcom<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Weitere Informationen zu den Produkten von Kingston finden Sie auf der offiziellen Webseite<\/a><\/noindex> der Firma.
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Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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