عند محاولة تحديد أفضل تكوين تخزين لخادمك، ربما تكون قد صادفت مفهوم RAID.

يعد RAID شائعًا إلى حد ما في تكوينات الخادم الحديثة ويوفر تكرارًا للبيانات المخزنة.

في هذه المقالة، سوف نستكشف مفهوم RAID للبرامج والأجهزة ونناقش كيفية عمل هذه التقنيات وكل ما تريد معرفتة حولها.

ما هو RAID؟

ريد او RAID تعني (مجموعة زائدة من الأقراص المستقلة – Redundant Array of independent Disks) هي طريقة لتخزين نفس البيانات في أماكن مختلفة على أقراص ثابتة متعددة أو محركات أقراص ذات حالة صلبة (SSD) لحماية البيانات في حالة فشل محرك الأقراص. ومع ذلك، توجد مستويات مختلفة لـ RAID، وليس هدفها جميعًا توفير التكرار.

كيف يعمل RAID

يعمل RAID عن طريق وضع البيانات على أقراص متعددة والسماح لعمليات الإدخال/الإخراج (I/O) بالتداخل بطريقة متوازنة، مما يؤدي إلى تحسين الأداء. نظرًا لأن استخدام أقراص متعددة يزيد من متوسط الوقت بين حالات الفشل، فإن تخزين البيانات بشكل متكرر يؤدي أيضًا إلى زيادة التسامح مع الخطأ. تظهر صفائف RAID لنظام التشغيل (OS) كمحرك أقراص منطقي واحد.

يستخدم RAID تقنيات النسخ المتطابق للقرص أو تقسيم القرص. سيؤدي النسخ المتطابق إلى نسخ البيانات المتطابقة على أكثر من محرك أقراص واحد. تساعد الأقسام الشريطية على نشر البيانات عبر محركات أقراص متعددة. يتم تقسيم مساحة تخزين كل محرك أقراص إلى وحدات تتراوح من قطاع 512 بايت إلى عدة ميغابايت. يتم تشذير خطوط كافة الأقراص ومعالجتها بالترتيب. يمكن أيضًا دمج النسخ المتطابق للقرص وشريط القرص في مصفوفة RAID.

في نظام المستخدم الواحد حيث يتم تخزين السجلات الكبيرة، يتم إعداد الشرائط عادةً لتكون صغيرة (512 بايت، على سبيل المثال) بحيث يمتد سجل واحد على جميع الأقراص ويمكن الوصول إليه بسرعة عن طريق قراءة جميع الأقراص في نفس الوقت وقت.

في نظام متعدد المستخدمين، يتطلب الأداء الأفضل وجود شريط عريض بما يكفي لاستيعاب السجل النموذجي أو الحد الأقصى للحجم، مما يتيح إدخال/إخراج القرص المتداخل عبر محركات الأقراص.

وحدة تحكم RAID

وحدة تحكم RAID هي جهاز يستخدم لإدارة محركات الأقراص الثابتة في مصفوفة تخزين. ويمكن استخدامه كمستوى من التجريد بين نظام التشغيل والأقراص الفعلية، حيث يقدم مجموعات من الأقراص كوحدات منطقية. يمكن أن يؤدي استخدام وحدة تحكم RAID إلى تحسين الأداء والمساعدة في حماية البيانات في حالة حدوث عطل.

قد تكون وحدة تحكم RAID قائمة على الأجهزة أو البرامج. في منتج RAID المعتمد على الأجهزة، تقوم وحدة التحكم الفعلية بإدارة المصفوفة بأكملها. يمكن أيضًا تصميم وحدة التحكم لدعم تنسيقات محركات الأقراص مثل مرفق التكنولوجيا المتقدمة التسلسلية وواجهة نظام الكمبيوتر الصغيرة. يمكن أيضًا دمج وحدة تحكم RAID الفعلية في اللوحة الأم للخادم.

باستخدام RAID القائم على البرامج، تستخدم وحدة التحكم موارد نظام الأجهزة، مثل المعالج المركزي والذاكرة. على الرغم من أنها تؤدي نفس الوظائف التي تؤديها وحدة تحكم RAID المستندة إلى الأجهزة، إلا أن وحدات تحكم RAID المستندة إلى البرامج قد لا تتيح قدرًا كبيرًا من تعزيز الأداء ويمكن أن تؤثر على أداء التطبيقات الأخرى على الخادم.

إذا كان تطبيق RAID المستند إلى البرنامج غير متوافق مع عملية تمهيد النظام وكانت وحدات تحكم RAID المستندة إلى الأجهزة مكلفة للغاية، فإن البرامج الثابتة أو RAID المستند إلى برنامج التشغيل يعد خيارًا محتملاً.

توجد شرائح تحكم RAID القائمة على البرامج الثابتة على اللوحة الأم، ويتم تنفيذ جميع العمليات بواسطة وحدة المعالجة المركزية (CPU)، على غرار RAID القائم على البرامج. ومع ذلك، مع البرامج الثابتة، يتم تطبيق نظام RAID فقط في بداية عملية التمهيد. بمجرد تحميل نظام التشغيل، يتولى برنامج تشغيل وحدة التحكم وظيفة RAID. وحدة تحكم RAID الثابتة ليست باهظة الثمن كخيار الأجهزة، ولكنها تضع المزيد من الضغط على وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر. يُطلق على RAID القائم على البرامج الثابتة أيضًا اسم RAID للبرامج المدعومة بالأجهزة، وRAID للنموذج الهجين، وRAID المزيف.

مستويات RAID

تستخدم أجهزة RAID إصدارات مختلفة تسمى المستويات. حددت الورقة الأصلية التي صاغت المصطلح وطورت مفهوم إعداد RAID ستة مستويات من RAID – من 0 إلى 5. وقد مكّن هذا النظام المرقم العاملين في مجال تكنولوجيا المعلومات من التمييز بين إصدارات RAID. لقد توسع عدد المستويات منذ ذلك الحين وتم تقسيمه إلى ثلاث فئات: مستويات RAID القياسية والمتداخلة وغير القياسية.

مستويات ريد القياسية

RAID 0

يحتوي هذا التكوين على خطوط ولكن لا يوجد تكرار للبيانات. إنه يقدم أفضل أداء، لكنه لا يوفر التسامح مع الخطأ.

RAID 1

يُعرف هذا التكوين أيضًا باسم النسخ المتطابق للقرص، ويتكون من محركي أقراص على الأقل يقومان بتكرار تخزين البيانات. لا يوجد شريطية. تم تحسين أداء القراءة، حيث يمكن قراءة أي قرص في نفس الوقت. أداء الكتابة هو نفسه بالنسبة للتخزين على قرص واحد.

RAID 2

يستخدم هذا التكوين التخطيط عبر الأقراص، حيث تقوم بعض الأقراص بتخزين معلومات التحقق من الأخطاء وتصحيحها (ECC). يستخدم RAID 2 أيضًا تكافؤ كود Hamming المخصص، وهو شكل خطي من ECC. ليس لدى RAID 2 أي ميزة على RAID 3 ولم يعد مستخدمًا.

RAID 3

تستخدم هذه التقنية التقطيع وتخصيص محرك أقراص واحد لتخزين معلومات التكافؤ. يتم استخدام معلومات ECC المضمنة للكشف عن الأخطاء. يتم استعادة البيانات عن طريق حساب المعلومات الحصرية المسجلة على محركات الأقراص الأخرى. نظرًا لأن عملية الإدخال/الإخراج تعالج كافة محركات الأقراص في نفس الوقت، فلا يمكن لـ RAID 3 أن يتداخل مع الإدخال/الإخراج. ولهذا السبب، يعد RAID 3 هو الأفضل لأنظمة المستخدم الفردي ذات التطبيقات ذات السجلات الطويلة.

RAID 4

يستخدم هذا المستوى خطوطًا كبيرة، مما يعني أنه يمكن للمستخدم قراءة السجلات من أي محرك أقراص منفرد. يمكن بعد ذلك استخدام الإدخال/الإخراج المتراكب لعمليات القراءة. نظرًا لأن كافة عمليات الكتابة مطلوبة لتحديث محرك التماثل، فمن غير الممكن حدوث تداخل في الإدخال/الإخراج.

RAID 5

يعتمد هذا المستوى على شريطية مستوى الكتلة المتساوية. يتم عرض معلومات التكافؤ عبر كل محرك أقراص، مما يتيح للمصفوفة العمل، حتى في حالة فشل محرك أقراص واحد. تتيح بنية المصفوفة عمليات القراءة والكتابة لتشمل محركات أقراص متعددة. وينتج عن ذلك أداء أفضل من أداء محرك أقراص واحد، ولكن ليس بجودة مصفوفة RAID 0. يتطلب RAID 5 ثلاثة أقراص على الأقل، ولكن يوصى غالبًا باستخدام خمسة أقراص على الأقل لأسباب تتعلق بالأداء.

تعتبر صفائف RAID 5 عمومًا خيارًا سيئًا للاستخدام على الأنظمة كثيفة الكتابة بسبب تأثير الأداء المرتبط بكتابة بيانات التكافؤ. عند فشل القرص، قد يستغرق الأمر وقتًا طويلاً لإعادة إنشاء مصفوفة RAID 5.

RAID 6

تشبه هذه التقنية RAID 5، ولكنها تتضمن نظام تكافؤ ثانٍ يتم توزيعه عبر محركات الأقراص في الصفيف. يؤدي استخدام التكافؤ الإضافي إلى تمكين المصفوفة من الاستمرار في العمل، حتى في حالة فشل قرصين في وقت واحد. ومع ذلك، فإن هذه الحماية الإضافية تأتي بتكلفة. غالبًا ما يكون أداء صفائف RAID 6 أبطأ في الكتابة من صفائف RAID 5.

مستويات ريد المتداخلة

يُشار إلى بعض مستويات RAID التي تعتمد على مجموعة من مستويات RAID باسم RAID المتداخل.

فيما يلي بعض الأمثلة على مستويات RAID المتداخلة:

RAID 10 (RAID 1+0)

من خلال الجمع بين RAID 1 وRAID 0، يُشار إلى هذا المستوى غالبًا باسم RAID 10، والذي يوفر أداءً أعلى من RAID 1، ولكن بتكلفة أعلى بكثير. في RAID 1+0، يتم عكس البيانات وتكون المرايا مخططة.

RAID 01 (RAID 0+1). يشبه RAID 0+1 RAID 1+0، باستثناء أن طريقة تنظيم البيانات مختلفة قليلاً. بدلاً من إنشاء مرآة ثم تقسيمها، يقوم RAID 0+1 بإنشاء مجموعة شريطية ثم يعكس مجموعة الخطوط.

RAID 03 (RAID 0+3، المعروف أيضًا باسم RAID 53 أو RAID 5+3). يستخدم هذا المستوى التخطيط بأسلوب RAID 0 لكتل الأقراص الافتراضية الخاصة بـ RAID 3. وهذا يوفر أداءً أعلى من RAID 3، ولكن بتكلفة أعلى.

Raid 50 (Raid 5+0). يجمع هذا التكوين بين التكافؤ الموزع لـ RAID 5 وشرط RAID 0 لتحسين أداء RAID 5 دون تقليل حماية البيانات.

مستويات ريد غير القياسية

تختلف مستويات غير القياسية عن مستويات RAID القياسية ويتم تطويرها عادةً بواسطة الشركات أو المؤسسات للاستخدام الخاص بشكل أساسي. وهنا بعض الأمثلة:

RAID 7. مستوى غير قياسي يعتمد على RAID 3 وRAID 4 الذي يضيف التخزين المؤقت. وهو يشتمل على نظام تشغيل مضمن في الوقت الفعلي كوحدة تحكم، والتخزين المؤقت عبر ناقل عالي السرعة وخصائص أخرى للكمبيوتر المستقل.

Raid التكيف. يمكّن هذا المستوى وحدة تحكم RAID من تحديد كيفية تخزين التكافؤ على الأقراص. سيختار بين RAID 3 وRAID 5. يعتمد الاختيار على نوع مجموعة RAID الذي سيعمل بشكل أفضل مع نوع البيانات التي تتم كتابتها على الأقراص.

Linux MD RAID 10. يدعم هذا المستوى، الذي توفره Linux kernel، إنشاء مصفوفات RAID متداخلة وغير قياسية. يمكن أن يدعم برنامج Linux RAID أيضًا إنشاء تكوينات RAID 0 وRAID 1 وRAID 4 وRAID 5 وRAID 6 القياسية.

ريد للأجهزة مقابل ريد للبرامج

كما هو الحال مع وحدات تحكم ريد، يتم تنفيذ ريد من خلال الأجهزة أو البرامج. يدعم ريد المستند إلى الأجهزة تكوينات ريد المختلفة وهو مناسب بشكل خاص لـ 5 و6. يعد تكوين الأجهزة RAID 1 جيدًا لدعم عملية التمهيد ومحرك التطبيقات، بينما يعد 5 للأجهزة مناسبًا لمصفوفات التخزين الكبيرة. يعتبر كل من الأجهزة 5 و6 مناسبين تمامًا للأداء.

يتطلب RAID المعتمد على الأجهزة تثبيت وحدة تحكم مخصصة في الخادم. يتم تكوين وحدات تحكم RAID في الأجهزة من خلال نظام الإدخال/الإخراج الأساسي للبطاقة أو Option ROM (ذاكرة القراءة فقط) إما قبل أو بعد تشغيل نظام التشغيل. عادةً ما توفر الشركات المصنعة لوحدات تحكم RAID أدوات برمجية خاصة لأنظمة تشغيلها المدعومة.

يتم توفير RAID القائم على البرامج من خلال العديد من أنظمة التشغيل الحديثة. ويتم تنفيذها بعدة طرق، منها:

• كأحد مكونات نظام الملفات.
• كطبقة تجرد الأجهزة كجهاز افتراضي واحد؛ و
• كطبقة تقع فوق أي نظام ملفات.

تستخدم طريقة RAID هذه بعضًا من قوة حوسبة النظام لإدارة تكوين RAID القائم على البرامج. على سبيل المثال، يدعم ويندوز برامج RAID 0 و1 و5، بينما يدعم نظام التشغيل ماك أو إس من 0 و1 و1+0.

فوائد ريد

تشمل مزايا ريد ما يلي:

• تحسين فعالية التكلفة نظرًا لاستخدام الأقراص ذات الأسعار المنخفضة بأعداد كبيرة.
• يؤدي استخدام محركات أقراص ثابتة متعددة إلى تمكين Raid من تحسين أداء محرك أقراص ثابت واحد.
• زيادة سرعة الكمبيوتر وموثوقيته بعد حدوث عطل، اعتمادًا على التكوين.
• يمكن إجراء عمليات القراءة والكتابة بشكل أسرع من محرك أقراص واحد مزود بـ RAID 0. وذلك لأن نظام الملفات مقسم وموزع عبر محركات الأقراص التي تعمل معًا على نفس الملف.
• هناك زيادة في التوفر والمرونة مع ريد 5. ومع النسخ المتطابق، يمكن أن يحتوي محركا الأقراص على نفس البيانات، مما يضمن استمرار أحدهما في العمل في حالة فشل الآخر.

سلبيات استخدام ريد

ومع ذلك، فإن ريد له حدوده. بعض هذه تشمل:

• يعد تنفيذ مستويات RAID المتداخلة أكثر تكلفة من المستويات التقليدية، لأنها تتطلب المزيد من الأقراص.
• تكون تكلفة الجيجابايت لأجهزة التخزين أعلى بالنسبة لـ RAID المتداخل نظرًا لاستخدام العديد من محركات الأقراص للتكرار.
• عندما يفشل محرك الأقراص، يزداد احتمال فشل محرك أقراص آخر في المصفوفة قريبًا، مما قد يؤدي على الأرجح إلى فقدان البيانات. وذلك لأن كافة محركات الأقراص الموجودة في مصفوفة Raid تم تركيبها في نفس الوقت، وبالتالي فإن جميع محركات الأقراص تخضع لنفس القدر من التآكل.
• يمكن لبعض مستويات RAID – مثل 1 و5 – أن تتحمل فشل محرك أقراص واحد فقط.
• تكون صفائف RAID والبيانات الموجودة بها معرضة للخطر حتى يتم استبدال محرك الأقراص الفاشل وملء القرص الجديد بالبيانات.
• نظرًا لأن محركات الأقراص تتمتع الآن بقدرة أكبر بكثير مما كانت عليه عندما تم تطبيق Raid لأول مرة، فإن إعادة بناء محركات الأقراص الفاشلة تستغرق وقتًا أطول.
• في حالة حدوث فشل في القرص، هناك احتمال أن تحتوي الأقراص المتبقية على قطاعات تالفة أو بيانات غير قابلة للقراءة، مما قد يجعل من المستحيل إعادة بناء المصفوفة بالكامل.

ومع ذلك، فإن المستويات المتداخلة تعالج هذه المشكلات من خلال توفير درجة أكبر من التكرار، مما يقلل بشكل كبير من فرص فشل مستوى الصفيف بسبب فشل القرص المتزامن.

متى يجب عليك استخدام ريد؟

تتضمن الحالات التي يكون من المفيد فيها إعداد Raid ما يلي:

• عندما يلزم استعادة كمية كبيرة من البيانات. في حالة فشل محرك الأقراص وفقدان البيانات، يمكن استعادة تلك البيانات بسرعة، لأنه يتم تخزين هذه البيانات أيضًا في محركات أقراص أخرى.
• عندما يكون وقت التشغيل والتوافر من عوامل العمل المهمة. إذا كانت هناك حاجة لاستعادة البيانات، فيمكن القيام بذلك بسرعة دون توقف.
• عند العمل مع الملفات الكبيرة. يوفر RAID السرعة والموثوقية عند العمل مع الملفات الكبيرة.
• عندما تحتاج المؤسسة إلى تقليل الضغط على الأجهزة المادية وزيادة الأداء العام. على سبيل المثال، يمكن أن تتضمن بطاقة RAID للأجهزة ذاكرة إضافية لاستخدامها كذاكرة تخزين مؤقت.
• عند وجود مشكلات في قرص الإدخال/الإخراج. سيوفر إنتاجية إضافية من خلال قراءة البيانات وكتابتها من محركات أقراص متعددة، بدلاً من الحاجة إلى الانتظار حتى يقوم محرك أقراص واحد بأداء المهام.
• عندما تكون التكلفة عاملا. أصبحت تكلفة مصفوفة Raid أقل مما كانت عليه في الماضي، ويتم استخدام الأقراص ذات السعر المنخفض بأعداد كبيرة، مما يجعلها أرخص.

تاريخ ريد (RAID)

تمت صياغة مصطلح RAID في عام 1987 بواسطة David Patterson وRandy Katz وGarth A. Gibson. في تقريرهم الفني لعام 1988، “حالة للمصفوفات المتكررة من الأقراص الرخيصة (RAID)،” جادل الثلاثة بأن مجموعة من محركات الأقراص الرخيصة يمكن أن تتفوق على أداء محركات الأقراص الأعلى تكلفة في ذلك الوقت. باستخدام التكرار، يمكن أن تكون مصفوفة Raid أكثر موثوقية من أي محرك أقراص واحد.

في حين أن هذا التقرير كان أول من وضع اسمًا لهذا المفهوم، إلا أن استخدام الأقراص الزائدة عن الحاجة كان قيد المناقشة بالفعل من قبل الآخرين. أشار جوس جيرمان وتيد غروناو من شركة Geac Computer Corp لأول مرة إلى هذه الفكرة باسم MF-100. قدم نورمان كين أوتشي من شركة IBM براءة اختراع في عام 1977 لهذه التقنية، والتي سُميت فيما بعد بـ RAID 4. وفي عام 1983، قامت شركة Digital Equipment Corp. بشحن محركات الأقراص التي ستصبح RAID 1، وفي عام 1986، تم تقديم براءة اختراع أخرى من IBM لما سيصبح RAID 5. نظر باترسون وكاتز وجيبسون أيضًا في ما كانت تفعله شركات مثل Tandem Computers وThinking Machines وMaxstor لتحديد تصنيفات RAID الخاصة بهم.

في حين أن المستويات المدرجة في تقرير عام 1988 تضع بشكل أساسي أسماء التقنيات التي كانت قيد الاستخدام بالفعل، فإن إنشاء مصطلحات مشتركة لهذا المفهوم ساعد في تحفيز سوق تخزين البيانات لتطوير المزيد من منتجات صفيف Raid.

وفقًا لكاتز، سرعان ما تم استبدال مصطلح غير مكلف في الاختصار بمصطلح مستقل من قبل بائعي الصناعة بسبب الآثار المترتبة على انخفاض التكاليف.

مستقبل ريد

إن Raid لم يمت بعد، لكن العديد من المحللين يقولون إن التكنولوجيا أصبحت قديمة في السنوات الأخيرة. توفر البدائل مثل تشفير المحو حماية أفضل للبيانات – وإن كان ذلك بسعر أعلى – وقد تم تطويرها بهدف معالجة نقاط الضعف في RAID. مع زيادة سعة محرك الأقراص، تزداد أيضًا فرصة حدوث خطأ في مصفوفة RAID، وتتزايد السعات باستمرار.

يُنظر أيضًا إلى ظهور محركات أقراص SSD على أنه يخفف من الحاجة إلى Raid. لا تحتوي محركات أقراص SSD على أجزاء متحركة ولا تتعطل كثيرًا مثل محركات الأقراص الثابتة. غالبًا ما تستخدم مصفوفات SSD تقنيات مثل تسوية التآكل بدلاً من الاعتماد على RAID لحماية البيانات. تتميز محركات أقراص SSD الحديثة بالسرعة الكافية بحيث لا تحتاج الخوادم الحديثة إلى تعزيز الأداء الطفيف الذي يوفره RAID. ومع ذلك، لا يزال من الممكن استخدامها حاليًا لمنع فقدان البيانات.

تعمل الحوسبة فائقة الحجم أيضًا على إزالة الحاجة إلى RAID باستخدام خوادم زائدة عن الحاجة بدلاً من محركات الأقراص الزائدة عن الحاجة.

ومع ذلك، يظل RAID جزءًا متأصلًا من تخزين البيانات ويستمر بائعو التكنولوجيا الرئيسيون في إصدار منتجات RAID. على سبيل المثال:

• تقدم شركة IBM تقنية IBM Distributed RAID، أو DRAID، مع Spectrum Virtualize V8.3، الذي يعد بتعزيز أداء RAID.
• يدعم أحدث إصدار من تقنية Intel Rapid Storage RAID 0 و 1 و 5 و10.
• يستخدم برنامج إدارة NetApp OnTap RAID-DP، أو التكافؤ المزدوج، أو 4 للحماية من ما يصل إلى ثلاث حالات فشل متزامنة لمحرك الأقراص.
• يدعم النظام الأساسي Dell EMC Unity ريد 5 و6 و10.