تلف البيانات

تلف البيانات هو التغيير غير المرغوب فيه الذي يطرأ على بيانات الحاسوب أثناء الكتابة أو القراءة أو التخزين أو الإرسال أو المعالجة. وتستخدم أنظمة الحاسوب عدداً من التدابير لضمان سلامة البيانات من البداية إلى النهاية ، أي خلوها من الأخطاء.

بشكل عام، عند حدوث تلف في البيانات، يُنتج الملف الذي يحتوي على هذه البيانات نتائج غير متوقعة عند الوصول إليه من قِبل النظام أو التطبيق ذي الصلة. قد تتراوح هذه النتائج من فقدان طفيف للبيانات إلى تعطل النظام. على سبيل المثال، إذا كان ملف مستند تالفًا، فعند محاولة فتحه باستخدام محرر مستندات، قد تظهر رسالة خطأ ، وبالتالي قد لا يُفتح الملف أو قد يُفتح مع تلف بعض البيانات (أو في بعض الحالات، تلف كامل، مما يجعل المستند غير قابل للقراءة). الصورة المجاورة هي ملف صورة تالف فُقدت فيه معظم المعلومات.

قد تقوم بعض أنواع البرامج الضارة بإتلاف الملفات عمدًا كجزء من حمولتها ، عادةً عن طريق استبدالها برموز غير صالحة أو غير مفهومة، بينما قد يقوم فيروس غير ضار بإتلاف الملفات عن غير قصد عند الوصول إليها. إذا تمكن فيروس أو حصان طروادة يستخدم هذه الطريقة من تغيير ملفات بالغة الأهمية لتشغيل نظام تشغيل الكمبيوتر أو مكوناته المادية، فقد يصبح النظام بأكمله غير قابل للاستخدام.

بعض البرامج تقترح إصلاح الملف تلقائيًا (بعد حدوث الخطأ)، بينما لا تستطيع برامج أخرى إصلاحه. يعتمد ذلك على مدى تلف الملف، وعلى وظائف التطبيق المدمجة لمعالجة الخطأ. وهناك أسباب متعددة لتلف الملف.

يوجد نوعان من تلف البيانات في أنظمة الحاسوب: التلف غير المكتشف والتلف المكتشف. يُعدّ التلف غير المكتشف، أو التلف الصامت ، من أخطر أنواع التلف، إذ لا توجد أي مؤشرات تدل على وجود خطأ في البيانات. أما التلف المكتشف، فقد يكون دائمًا مع فقدان البيانات، أو قد يكون مؤقتًا عندما يتمكن جزء من النظام من اكتشاف الخطأ وتصحيحه؛ وفي الحالة الأخيرة، لا يوجد تلف في البيانات.

يمكن أن يحدث تلف البيانات على أي مستوى في النظام، بدءًا من الجهاز المضيف وصولًا إلى وسيط التخزين. تحاول الأنظمة الحديثة اكتشاف التلف على مستويات متعددة ثم استعادة البيانات التالفة أو تصحيحها؛ وهذا ينجح في أغلب الأحيان، ولكن في حالات نادرة جدًا، تكون المعلومات الواردة إلى ذاكرة النظام تالفة، مما قد يتسبب في نتائج غير متوقعة.

تتعدد أسباب تلف البيانات أثناء الإرسال. ويؤدي انقطاع الإرسال إلى فقدان المعلومات . كما أن الظروف البيئية قد تعيق عملية الإرسال، لا سيما عند استخدام طرق الإرسال اللاسلكي. فالسحب الكثيفة قد تحجب إشارات الأقمار الصناعية. وتتأثر الشبكات اللاسلكية بالتشويش الناتج عن أجهزة مثل أفران الميكروويف.

يُعدّ عطل الأجهزة وعطل البرامج السببين الرئيسيين لفقدان البيانات . يندرج الإشعاع الخلفي ، وتلف رؤوس القراءة والكتابة ، وتقادم أو تآكل جهاز التخزين ضمن فئة الأعطال، بينما يحدث عطل البرامج عادةً بسبب أخطاء في الكود. وتُسبب الأشعة الكونية معظم الأخطاء العابرة في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). ^{[ 1 ]}

تمر بعض الأخطاء دون أن يلاحظها أحد، دون أن يكتشفها برنامج تشغيل القرص أو نظام التشغيل المضيف؛ وتُعرف هذه الأخطاء باسم تلف البيانات الصامت . ^{[ 2 ]}

توجد مصادر عديدة للأخطاء تتجاوز نظام التخزين القرصي نفسه. على سبيل المثال، قد تكون الكابلات غير مثبتة بإحكام، أو قد يكون مصدر الطاقة غير موثوق، ^{[ 3 ]} أو قد تحدث اهتزازات خارجية كالأصوات العالية، ^{[ 4 ]} أو قد تتسبب الشبكة في تلف غير مكتشف، ^{[ 5 ]} أو الإشعاع الكوني ، وغيرها من أسباب أخطاء الذاكرة البرمجية . في 39000 نظام تخزين تم تحليلها، شكلت أخطاء البرامج الثابتة ما بين 5 و10% من حالات فشل التخزين. ^{[ 6 ]} وتُعد معدلات الخطأ، كما رُصدت في دراسة أجراها مركز سيرن حول التلف الصامت، أعلى بكثير من واحد من كل 10^ ¹⁶ بت. ^{[ 7 ]} وأقرت أمازون لخدمات الويب بأن تلف البيانات كان سببًا في انقطاع واسع النطاق لشبكة تخزين أمازون إس 3 في عام 2008. ^{[ 8 ]} وفي عام 2021، تم تحديد أنوية المعالجات المعيبة كسبب إضافي في منشورات جوجل وفيسبوك؛ حيث وُجد أن الأنوية معيبة بمعدل عدة أنوية من بين آلاف الأنوية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

إحدى المشكلات هي أن سعات محركات الأقراص الصلبة قد زادت بشكل كبير، لكن معدلات الخطأ فيها ظلت ثابتة. لطالما كان معدل تلف البيانات ثابتًا تقريبًا مع مرور الوقت، مما يعني أن الأقراص الحديثة ليست أكثر أمانًا من الأقراص القديمة. في الأقراص القديمة، كان احتمال تلف البيانات ضئيلًا جدًا لأنها كانت تخزن كميات صغيرة من البيانات. أما في الأقراص الحديثة، فقد ازداد هذا الاحتمال بشكل كبير لأنها تخزن كميات أكبر بكثير من البيانات، دون أن تكون أكثر أمانًا. ولذلك، لم يكن تلف البيانات الصامت مصدر قلق كبير طالما بقيت أجهزة التخزين صغيرة وبطيئة نسبيًا. في العصر الحديث، ومع ظهور محركات أقراص أكبر حجمًا وأنظمة RAID فائقة السرعة، أصبح بإمكان المستخدمين نقل 10^ ¹⁶ بت في وقت قصير نسبيًا، مما يؤدي بسهولة إلى الوصول إلى عتبات تلف البيانات. ^{[ 11 ]}

على سبيل المثال، ذكر جيف بونويك، مبتكر نظام الملفات ZFS ، أن قاعدة البيانات السريعة في شركة Greenplum ، المتخصصة في برمجيات قواعد البيانات وتخزين البيانات وتحليلها على نطاق واسع، تتعرض لتلف صامت كل 15 دقيقة. ^{[ 12 ]} وفي مثال آخر، كشفت دراسة واقعية أجرتها شركة NetApp على أكثر من 1.5 مليون قرص صلب على مدى 41 شهرًا عن أكثر من 400,000 حالة تلف صامت للبيانات، منها أكثر من 30,000 حالة لم يكتشفها متحكم RAID (اكتُشفت فقط أثناء عملية التنظيف ). ^{[ 13 ]} وفي دراسة أخرى أجراها مركز CERN على مدى ستة أشهر وشملت حوالي 97 بيتابايت من البيانات، وُجد أن حوالي 128 ميجابايت من البيانات تعرضت لتلف دائم صامت في مكان ما على مسار نقل البيانات من الشبكة إلى القرص. ^{[ 14 ]}  

قد يؤدي تلف البيانات الصامت إلى سلسلة من الأعطال المتتالية ، حيث قد يستمر النظام في العمل لفترة من الزمن مع وجود خطأ أولي غير مكتشف يتسبب في مشاكل متزايدة حتى يتم اكتشافه في النهاية. ^{[ 15 ]} على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي عطل يؤثر على بيانات تعريف نظام الملفات إلى تلف جزئي أو عدم إمكانية الوصول إلى العديد من الملفات، حيث يتم استخدام نظام الملفات في حالته التالفة.

عندما يتصرف تلف البيانات كعملية بواسون ، حيث يكون لكل بت من البيانات احتمال منخفض بشكل مستقل للتغيير، يمكن عمومًا اكتشاف تلف البيانات باستخدام مجموعات التحقق ، ويمكن تصحيحه غالبًا باستخدام رموز تصحيح الأخطاء (ECC).

في حال اكتشاف تلف غير قابل للتصحيح في البيانات، يمكن تطبيق إجراءات مثل إعادة الإرسال التلقائي أو الاستعادة من النسخ الاحتياطية . تتمتع بعض مستويات مصفوفات أقراص RAID بالقدرة على تخزين وتقييم بتات التكافؤ للبيانات عبر مجموعة من الأقراص الصلبة، ويمكنها إعادة بناء البيانات التالفة عند تعطل قرص واحد أو عدة أقراص، وذلك حسب مستوى RAID المُطبق. تستخدم بعض بنى المعالجات المركزية فحوصات شفافة متنوعة لاكتشاف تلف البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج ، ومخازن المعالج المؤقتة ، وخطوط معالجة التعليمات ، والتخفيف من آثاره ؛ ومن الأمثلة على ذلك تقنية Intel Instruction Replay ، المتوفرة في معالجات Intel Itanium . ^{[ 16 ]}

تكتشف محركات الأقراص الصلبة العديد من الأخطاء وتصححها باستخدام رموز تصحيح الأخطاء (ECC) ^{[ 17 ]} المخزنة على القرص لكل قطاع. إذا اكتشف محرك الأقراص أخطاء قراءة متعددة في قطاع ما، فقد ينسخ هذا القطاع المعطل إلى جزء آخر من القرص، وذلك بإعادة تعيينه إلى قطاع احتياطي دون تدخل نظام التشغيل (مع العلم أن هذه العملية قد تتأخر حتى عملية الكتابة التالية في القطاع). يمكن مراقبة هذا "التصحيح الصامت" باستخدام تقنية SMART والأدوات المتاحة لمعظم أنظمة التشغيل لفحص محرك الأقراص تلقائيًا بحثًا عن أعطال وشيكة من خلال مراقبة تدهور معايير SMART.

تستخدم بعض أنظمة الملفات ، مثل Btrfs و HAMMER و ReFS و ZFS ، التحقق من سلامة البيانات والبيانات الوصفية داخليًا للكشف عن تلف البيانات الصامت. إضافةً إلى ذلك، في حال اكتشاف تلف، وكان نظام الملفات يستخدم آليات RAID مدمجة توفر تكرارًا للبيانات ، فبإمكان هذه الأنظمة إعادة بناء البيانات التالفة بشفافية تامة. ^{[ 18 ]} يتيح هذا النهج حماية محسّنة لسلامة البيانات تغطي مسارات البيانات بالكامل، وهو ما يُعرف عادةً بحماية البيانات الشاملة ، مقارنةً بنهج سلامة البيانات الأخرى التي لا تغطي طبقات مختلفة في بنية التخزين، وتسمح بحدوث تلف البيانات أثناء مرورها عبر الحدود بين هذه الطبقات. ^{[ 19 ]}

يُعدّ تنظيف البيانات طريقة أخرى لتقليل احتمالية تلفها، حيث يتم اكتشاف أخطاء القرص ومعالجتها قبل تراكمها وتجاوزها لعدد بتات التكافؤ. فبدلاً من فحص التكافؤ عند كل قراءة، يتم فحصه أثناء مسح دوري للقرص، وغالبًا ما يتم ذلك كعملية خلفية ذات أولوية منخفضة. تُفعّل عملية "تنظيف البيانات" فحص التكافؤ. إذا قام المستخدم بتشغيل برنامج عادي يقرأ البيانات من القرص، فلن يتم فحص التكافؤ إلا إذا كان فحص التكافؤ عند القراءة مدعومًا ومُفعّلاً في نظام القرص الفرعي.

إذا تم استخدام آليات مناسبة للكشف عن تلف البيانات ومعالجته، يمكن الحفاظ على سلامة البيانات. وهذا أمر بالغ الأهمية في التطبيقات التجارية (مثل الخدمات المصرفية )، حيث يمكن لخطأ غير مكتشف أن يُتلف فهرس قاعدة البيانات أو يُغير البيانات بشكل يؤثر بشكل كبير على رصيد الحساب، وكذلك في استخدام البيانات المشفرة أو المضغوطة ، حيث يمكن لخطأ بسيط أن يجعل مجموعة بيانات ضخمة غير قابلة للاستخدام. ^{[ 7 ]}

• SoftECC: نظام للتحقق من سلامة ذاكرة البرامج
• مكتبة قابلة للضبط تعتمد على البرمجيات للكشف عن أخطاء ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية وتصحيحها للحوسبة عالية الأداء
• الكشف عن تلف البيانات الصامت وتصحيحه في الحوسبة عالية الأداء واسعة النطاق
• سلامة البيانات الشاملة لأنظمة الملفات: دراسة حالة ZFS
• أخطاء ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية في الواقع العملي: دراسة ميدانية واسعة النطاق
• دراسة حول الفساد الصامت ، وورقة بحثية مرتبطة بها حول سلامة البيانات (سيرن، 2007)
• حماية البيانات الشاملة في محركات الأقراص الصلبة SAS و Fibre Channel (HGST)