RAM

RAM Riegel | Bild: © krasyuk (Volodymyr Krasyuk)/Depositphotos.com

RAM für NAS – alles Wichtige im Überblick

Der Arbeitsspeicher oder Random Access Memory (RAM) eines Computers übt einen entscheidenden Einfluss auf dessen Rechenleistung aus. Seine Geschwindigkeit, Kapazität und Bauweise definiert die Transferrate, die Daten zwischen dem Prozessor, den laufenden Anwendungen und der angeschlossenen I/O wie zum Beispiel HDD und SSD Festplatten erreichen. Bei einem NAS-Server resultiert speziell aus dem letzten Aspekt eine signifikante Bedeutung für die Performance des Systems – unabhängig davon, ob es sich um kleine Dateien oder ein einziges großes File handelt. Selbst auf leistungsfähigen Netzlaufwerken kann sich das Fehlen von RAM rasch zu einem Flaschenhals (Bottleneck) entwickeln, unter dem die Geschwindigkeit der Übertragung leidet.

Funktionsweise von RAM Arbeitsspeicher

Der RAM basiert auf einem elektronischen Datenspeicher, bei dem ein Controller zahlreiche miniaturisierte Kondensatoren ansteuert, der ihre Zustände – geladen oder ungeladen – lesen und verändern kann. Das bedeutet, dass bei einem spontanen und unvorhergesehenen Stromverlust die gespeicherten Informationen verloren gehen, da sich die Kondensatoren ohne Energiezufuhr rasch selbst entladen. Mit einem Prozessor kommuniziert der RAM über einen verbindlichen Standard, bei dem jedem Kontakt eine feste Funktion zugewiesen wird. Für einen flexiblen Wechsel zwischen unterschiedlichen Geräten oder bei Defekten sitzt der Arbeitsspeicher eines NAS-Servers meist auf einem Speicherriegel genormter Größe, der mittels zwei Klemmen auf einer Bank fixiert wird. Das Prinzip ähnelt im Wesentlichen demjenigen, das bei Erweiterungskarten in PCI und PCI Express zum Einsatz kommt.

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Unterschiedliche Varianten von RAM Arbeitsspeicher

Einen Arbeitsspeicher in einem Computer kennzeichnen drei wesentliche Charakteristika: seine Technologie, sein Aufbau und seine Kapazität. Um die Transferleistung zu steigern und den Verbrauch zu senken, beschließt die Industrie in unregelmäßigen Abständen neue Standards, die die nächste Generation von Speichermedien bilden. Bei Laptops, Notebooks, Desktop PC und NAS Systemen handelt es sich dabei um DDR-SDRAM, dem die Version der Bezeichnung nachgestellt wird – beispielsweise DDR3 oder DDR4. Jede Variante besitzt eine abweichende Länge und unterschiedliche Spezifikationen wie beispielsweise die Versorgungsspannung.

Es existieren zwei grundsätzlich unterschiedliche Bauweisen, die beide doppelreihige Kontaktflächen verwenden: in Servern, Desktop PC und einigen NAS eingesetzten DIMM Speichermodule mit 240 (DDR2, DDR3) oder 288 Kontakten (DDR4) und kompakte SO-DIMMS mit 200 (DDR2), 204 (DDR3) oder 260 Pins (DDR4). Sie müssen stets einen kompatiblen RAM derjenigen Generation verwenden, die das Motherboard eines NAS vorsieht. Unterschiedliche Größen und ein an unterschiedlichen Positionen angebrachter Schlitz im Modul verhindern, dass Sie einen nicht kompatiblen RAM verwenden oder einen Speicher falsch installieren. Gehen Sie bei der Montage niemals mit Kraft vor, um weder den Speicher noch dessen Slot zu beschädigen.

Innerhalb einer Generation arbeiten RAM Speicher mit unterschiedlichen Taktfrequenzen, die beispielsweise bei DDR3 effektiv zwischen 800 MHz und 2133 MHz, bei DDR4 bereits zwischen 1600 MHz und 3200 MHz liegen. Die maximal nutzbare Frequenz hängt ebenfalls von dem Prozessor ab, der automatisch auf den schnellsten von RAM und CPU unterstützten Modus wechselt. Schnelle und langsame Kombinationen sind deshalb untereinander kompatibel, so dass ein flexibler Einbau oder Wechsel
möglich ist.

Aufgaben von RAM Speicher in Computern und NAS

Der Arbeitsspeicher dient dazu, Informationen zu speichern, auf die ein Prozessor in minimaler Zeit zugreifen muss. Diese beinhalten Teile des Betriebssystems, Daten und Arbeitsschritte der laufenden Programme. Neben dem RAM besitzt die CPU selbst weitere interne Speicher mit maximal wenigen Megabyte Kapazität, die sie für aktuelle Berechnungen in Anspruch nimmt. Der externe Abruf von Daten erfolgt auf einer abstrakten Ebene, bei der ein Prozessor Anfragen stellt und das RAM-Modul die Verwaltung und Adressierung auf der Ebene der Hardware übernimmt.

Bei einem Desktop PC oder Server speichert der RAM zu einem überwiegenden Teil laufende Programme, deren Variablen und Umgebungen, um einen direkten Zugriff zu ermöglichen und das Multitasking zu beschleunigen. Im Unterschied dazu übernimmt der RAM eines NAS-Systems* ab einer gewissen Größe primär die Aufgabe eines Zwischenspeichers (Buffer), in dem es angeforderte oder zu schreibende Daten bis zu ihrer Verarbeitung aufbewahrt. Nahezu alle kommerziellen Netzwerkspeicher ebenso wie Software für die eigenständige Installation beruhen auf Linux, das bei der Verwendung von Arbeitsspeicher eine klare Priorität besitzt. Statt diesen ungenutzt zu lassen, füllt das Betriebssystem diesen automatisch mit häufig verwendeten Daten oder – für ein NAS-System wichtig – mit aus- und eingehenden I/O Paketen.

RAM-Speicher in NAS Systemen

Anders als ein Computer, Tablet oder Smartphone verwendet ein NAS in der Regel ein effizientes Betriebssystem ohne grafische Oberfläche, das prinzipiell lediglich geringe Ressourcen beansprucht. Es handelt sich dabei um einen Betriebskern (Kernel) als Schnittstelle zwischen der Hardware und wenigen installierten Diensten. Zu diesen zählen in erster Linie ein Webserver für die
administrative Oberfläche sowie unterschiedliche Dienste (Daemons) für den Dateitransfer über verschiedene Standards wie NFS, Samba (SMB), Apple Time Machine und weiteren Varianten. Zusätzlich unterstützen einige NAS-Systeme weitere Funktionen wie etwa das Streamen von Medien über DLNA oder UPnP, mit dem Sie Inhalte ausgewählter Ordner ohne technische Konfiguration auf Geräten wie Smart TV und Smartphones wiedergeben können.

Während ein großer RAM-Speicher bei den meisten Computersystemen – vom Smartphone bis zum Gaming PC – in erster Linie eine schnelle Performance der Oberfläche und der laufenden Applikationen bewirkt, führt er bei einem NAS zu einer Steigerung der Transferrate. Es erfolgt ein dauerhafter Zuwachs bis zu einer gewissen Grenze, ab der entweder der Prozessor oder die I/O-Rate an ihr Limit gerät. Allerdings bedeutet dies auch ein gewisses Risiko, denn Daten im Arbeitsspeicher sind lediglich temporärer Natur. Alle Informationen, die noch nicht auf ein dauerhaftes Speichermedium geschrieben wurden, gehen bei einer Unterbrechung – ob Stromausfall, überraschender Hot-Plug eines Laufwerks ohne vorheriges Auswerfen oder DDoS Attacke durch Cyberkriminelle – verloren. Es existieren jedoch durchaus Protokolle, die eine direkte Synchronisierung vorschreiben, dabei aber die Performance senken.

Zusammenhang zwischen RAM unf Performance eines NAS

Bei einem wenig verwendeten Heim-NAS erfolgen relativ wenige parallele Zugriffe, so dass ein Betriebssystem den RAM-Speicher in diesem Fall dazu verwendet, Zwischenspeicher für einen einzelnen Nutzer zur Verfügung zu stellen. Anders sieht es aus, falls es sich um Server für öffentliche Verwendung oder als interne Plattform für kleine und mittlere Unternehmen handelt – hier dient er ebenfalls für die Administration der einzelnen Verbindungen und die Verknüpfung bei gleichzeitigen Zugriffen auf eine einzelne Datei, wie sie zum Beispiel bei mehreren Downloads oder bei speziellen Anwendungen für die zeitgleiche Bearbeitung von Dokumenten erfolgen.

Ein NAS besitzt meist eine Netzwerkanbindung über Gigabit Ethernet, die theoretisch eine Datenübertragung mit 125 Megabyte pro Sekunde (MB/s) erlaubt. Eine moderne HDD (Stand 2020) besitzt eine Geschwindigkeit von 100 bis 150 MB/s beim Lesen und 60 bis 100 MB/s während des Schreibens. Abhängig von dem verwendeten Dateisystem, dem freien Speicherplatz und der Art der Dateien – insbesondere deren Größe – variiert die praktisch erreichte Leistung allerdings stark. Um die Performance des Netzwerks beim Speichern vollständig nutzen zu können, ist es deshalb unverzichtbar, einige Daten im RAM zu lagern und diese zeitversetzt auf die HDD zu schreiben (asynchronous mode). Auch andere Verfahren wie etwa die Kompression des Datenstroms in Echtzeit setzen einen ausreichenden Speicher voraus, damit sie effizient arbeiten. Eine Auslagerung auf temporäre Dateien bremst das System durch einen zwei- bis vierfachen Zugriff aus und verringert die Transfergeschwindigkeit deutlich.

Die Taktfrequenz des RAM spielt bei einem NAS eine eher untergeordnete Rolle, da die Geschwindigkeit in jedem Fall erheblich über der des Netzwerks und der Datenspeicher liegt. Statt auf einen schnellen sollten Sie die Priorität deshalb lieber auf einen großen Arbeitsspeicher setzen, um ein optimales Preisleistungs-Verhältnis zu erzielen. Ein einfaches Heim-NAS verwendet mitunter lediglich 1 GB bis 2 GB RAM, leistungsfähige Netzlaufwerke auf Basis einer Serverarchitektur hingegen oft 32 GB oder mehr.

RAM in einem NAS erweitern oder ersetzen

Unterschiedliche Aspekte des Netzwerkspeichers entscheiden, ob Sie einen RAM erweitern können und wie hoch die maximale Kapazität ist, die Sie installieren können. Ausschlaggebend sind unter anderem die 4-GB-Grenze bei Betriebssystemen mit 32 Bit, der verwendete Prozessor und ob die Module mit der Hauptplatine verlötet sind oder sich in Speicherbänken befinden. In einem NAS finden sich oft energieeffiziente CPU mit schwacher Grafikleistung, die ebenfalls in Low-End Desktop PC, Thin Clients und mobilen Geräten zum Einsatz kommen. Zu diesen zählen beispielsweise die Reihe Intel Atom und spezielle Varianten der Celeron-Serie sowie geeignete ARM Prozessoren, die wegen ihres niedrigen Energieverbrauchs sonst bevorzugt in Tablet und Embedded PC oder Smartphones Verwendung finden. Leistungsfähige NAS für kommerziellen und industriellen Einsatz nutzen hingegen entsprechend rechenstarke Prozessoren wie den Intel Core i3/i5/i7.

Die Hardware hochwertiger NAS basiert häufig auf kompakten Motherboards im Formfaktor Mini-ITX oder kleiner. Diese besitzen meist einen bis zwei Speicherbänke für SO-DIMM. Lediglich bei großen und professionellen Systemen, die meist den in Datenzentren üblichen Maßen für 19“ Rackserver entsprechen, sind DIMM mit Fehlerkorrektur und mehr als zwei Steckplätze als Standard verbreitet. Einige NAS bestehen zudem aus kompakten Einplatinenrechnern mit Bauteilen, die onboard fest verlötet sind und keinen Wechsel von Speicher oder Prozessor zulassen. Bei diesen handelt es sich oft um überdurchschnittlich kompakte oder preisgünstige Varianten.

Der Wechsel und das Erweitern des RAM erfolgen analog zu dem Vorgehen bei einem Desktop PC oder Laptop durch das Öffnen des Gehäuses und das Ersetzen der vorhandenen Speicherriegel durch die neuen. Bei der Bestückung mit mehreren Modulen sollten Sie darauf achten, auf verbundenen Bänken stets zwei Speicher mit identischen Spezifikationen zu verwenden. Dies ermöglicht den meisten NAS, den schnelleren Dual Channel Mode zu verwenden, bei dem der Computer beide Riegel parallel anspricht und dadurch die Zugriffszeiten ähnlich wie bei einem RAID-Verbund für Laufwerke zu verkürzen.