RAID و قابلیت اطمینان ذخیره‌سازی

RAID — آرایه‌های اضافی از دیسک‌های ارزان‌قیمت — چندین دستگاه ذخیره‌سازی را با استفاده از نواربندی (striping)، آینه‌سازی (mirroring) و توازن (parity) ترکیب می‌کند تا عملکرد، ظرفیت و تحمل خطا را بیشتر از هر دستگاه تکی ارائه دهد و اساس ذخیره‌سازی قابل اعتماد در مراکز داده است.

Definition

RAID یک معماری ذخیره‌سازی است که چندین درایو فیزیکی را در یک واحد منطقی واحد با استفاده از تکنیک‌هایی مانند نواربندی داده، آینه‌سازی و توازن ترکیب می‌کند تا عملکرد را بهبود بخشد و خرابی یک یا چند درایو را بدون از دست دادن داده تحمل کند.

Scope

این موضوع قابلیت اطمینان ذخیره‌سازی را از طریق افزونگی پوشش می‌دهد: سطوح استاندارد RAID و مصالحه‌های آن‌ها بین عملکرد، ظرفیت و تحمل خطا؛ نواربندی، آینه‌سازی و توازن؛ معیارهای قابلیت اطمینان مانند میانگین زمان تا خرابی و محدودیت‌های افزونگی؛ و اینکه چگونه RAID پشتیبان‌گیری را تکمیل می‌کند اما جایگزین آن نمی‌شود. این موضوع شامل خود دستگاه‌های ذخیره‌سازی (دستگاه‌های ذخیره‌سازی ثانویه) و لایه سیستم فایل (سیستم‌های فایل) نمی‌شود.

Core questions

• چگونه نواربندی، آینه‌سازی و توازن، عملکرد و تحمل خطا را فراهم می‌کنند؟
• چگونه سطوح رایج RAID بین ظرفیت، عملکرد و قابلیت اطمینان مصالحه می‌کنند؟
• قابلیت اطمینان آرایه چگونه کمی‌سازی می‌شود و محدودیت‌های افزونگی چیست؟
• چرا RAID جایگزینی برای پشتیبان‌گیری نیست؟

Key concepts

• نواربندی داده
• آینه‌سازی (RAID 1)
• توازن (RAID 5/6)
• سطوح RAID و مصالحه‌ها
• تحمل خطا
• میانگین زمان تا خرابی (MTTF)
• بازسازی و حالت تنزل‌یافته
• افزونگی، پشتیبان‌گیری نیست

Key theories

افزونگی برای ذخیره‌سازی قابل اعتماد

ترکیب بسیاری از دیسک‌های کالایی با اطلاعات اضافی (آینه‌سازی یا توازن) یک آرایه را ایجاد می‌کند که سریع‌تر و بسیار قابل اعتمادتر از یک دیسک واحد است؛ سطوح RAID نحوه تنظیم نواربندی و افزونگی را برای ایجاد تعادل بین عملکرد، ظرفیت قابل استفاده و تحمل خطا رسمی می‌کنند.

Mechanisms

نواربندی داده‌ها را در درایوها پخش می‌کند تا دسترسی موازی شود و توان عملیاتی افزایش یابد. آینه‌سازی نسخه‌های کامل را در چندین درایو نگه می‌دارد تا آرایه در صورت از دست دادن یک درایو زنده بماند. طرح‌های توازن، افزونگی محاسبه‌شده را ذخیره می‌کنند که امکان بازسازی داده‌ها را در صورت خرابی یک درایو فراهم می‌کند، با استفاده از ظرفیت کمتر نسبت به آینه‌سازی. سطوح استاندارد RAID این تکنیک‌ها را به روش‌های مختلفی ترکیب می‌کنند؛ هنگامی که یک درایو خراب می‌شود، آرایه در حالت تنزل‌یافته (degraded) کار می‌کند و با استفاده از داده‌های باقی‌مانده و افزونگی، روی یک جایگزین بازسازی می‌شود.

Clinical relevance

RAID در سرورها، سیستم‌های ذخیره‌سازی و مراکز داده، که خرابی درایوها در مقیاس بزرگ معمول است و دسترسی مداوم مورد نیاز است، فراگیر است. انتخاب سطح RAID مناسب، تعادلی بین هزینه، سرعت و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌کند، اما RAID فقط در برابر خرابی دستگاه محافظت می‌کند، بنابراین پشتیبان‌گیری در برابر حذف، فساد و بلایا را تکمیل می‌کند و جایگزین آن نمی‌شود.

History

مفهوم RAID در مقاله‌ای در سال 1988 توسط پترسون، گیبسون و کاتز در برکلی معرفی شد که استفاده از آرایه‌هایی از دیسک‌های ارزان‌قیمت با افزونگی را برای مطابقت با قابلیت اطمینان و عملکرد درایوهای بزرگ و گران‌قیمت پیشنهاد کرد. طبقه‌بندی سطوح RAID به طور گسترده‌ای پذیرفته شد و به یک رویه استاندارد در ذخیره‌سازی سازمانی و مراکز داده تبدیل گشت.

Debates

RAID توازن در مقابل آینه‌سازی در مقیاس بزرگ

با افزایش ظرفیت درایوها، زمان‌های طولانی بازسازی RAID توازن، خطر خرابی دوم را در طول بازسازی افزایش داد و بحث‌هایی را در مورد افزونگی بالاتر (مانند توازن دوگانه) در مقابل آینه‌سازی یا طرح‌های کدگذاری پاک‌سازی جایگزین برای آرایه‌های بزرگ برانگیخت.

Key figures

• David A. Patterson
• Garth Gibson
• Randy H. Katz
• John L. Hennessy

Seminal works

• patterson1988raid
• hennessy2019

Frequently asked questions

آیا RAID نیاز به پشتیبان‌گیری را برطرف می‌کند؟

خیر. RAID با ذخیره داده‌های اضافی در برابر خرابی درایو محافظت می‌کند، اما در برابر حذف تصادفی، فساد فایل، بدافزار، خرابی همزمان چند درایو یا بلایای سایت محافظت نمی‌کند. پشتیبان‌گیری‌های مستقل ضروری باقی می‌مانند؛ RAID دسترسی را بهبود می‌بخشد، نه محافظت در برابر از دست دادن داده‌ها به طور کلی.

تفاوت بین آینه‌سازی و توازن چیست؟

آینه‌سازی نسخه‌های کامل و تکراری از داده‌ها را در درایوهای جداگانه نگه می‌دارد که بازیابی ساده و سریع را فراهم می‌کند اما نیمی از ظرفیت را برای افزونگی استفاده می‌کند. توازن، افزونگی محاسبه‌شده را ذخیره می‌کند که می‌تواند داده‌های از دست رفته را با استفاده از فضای کمتر بازسازی کند، اما بازسازی کندتر و از نظر محاسباتی پیچیده‌تر است.