مستويات RAID القياسية

الموسوعة الحرة

في مجال تخزين البيانات الحاسوبية ، تتألف مستويات RAID القياسية من مجموعة أساسية من تكوينات RAID ("مصفوفة متكررة من أقراص مستقلة" أو "مصفوفة متكررة من أقراص منخفضة التكلفة") التي تستخدم تقنيات التوزيع ، والنسخ المتطابق ، والتكافؤ لإنشاء مخازن بيانات كبيرة وموثوقة من عدة محركات أقراص صلبة (HDD) للأغراض العامة. أكثر الأنواع شيوعًا هي RAID  0 (التوزيع)، وRAID  1 (النسخ المتطابق) ومتغيراته، وRAID  5 (التكافؤ الموزع)، وRAID  6 (التكافؤ المزدوج). يمكن أيضًا دمج مستويات RAID المتعددة أو تداخلها ، على سبيل المثال RAID  10 (توزيع النسخ المتطابقة) أو RAID  01 (مجموعات التوزيع المتطابقة). يتم توحيد مستويات RAID وتنسيقات البيانات المرتبطة بها من قبل جمعية صناعة شبكات التخزين (SNIA) في معيار تنسيق محرك أقراص RAID الشائع (DDF). [ 1 ] القيم العددية تعمل فقط كمعرفات ولا تدل على الأداء أو الموثوقية أو الجيل أو التسلسل الهرمي أو أي مقياس آخر.

مع أن معظم مستويات RAID توفر حماية جيدة ضد أعطال الأجهزة أو القطاعات التالفة/أخطاء القراءة (الأخطاء الجسيمة ) واستعادة البيانات منها، إلا أنها لا توفر أي حماية ضد فقدان البيانات الناتج عن الأعطال الكارثية (كالحرائق والفيضانات) أو الأخطاء غير المقصودة كأخطاء المستخدم أو خلل البرامج أو الإصابة بالبرمجيات الخبيثة . بالنسبة للبيانات القيّمة، يُعدّ RAID مجرد عنصر واحد ضمن منظومة شاملة لمنع فقدان البيانات واستعادتها، ولا يُمكنه أن يحل محل خطة النسخ الاحتياطي .

RAID 0

مخطط إعداد RAID  0

يقوم نظام RAID  0 (المعروف أيضًا باسم مجموعة الشرائح أو وحدة التخزين المخططة ) بتقسيم البيانات بالتساوي على قرصين أو أكثر، دون توفير معلومات التكافؤ أو التكرار أو تحمل الأعطال . ولأن RAID  0 لا يوفر أي تحمل للأعطال أو تكرار، فإن تعطل أحد الأقراص سيؤدي إلى تعطل المصفوفة بأكملها، نظرًا لتوزيع البيانات على جميع الأقراص. عادةً ما يتم تنفيذ هذا التكوين بهدف تحقيق السرعة. [ 2 ] [ 3 ]

يمكن إنشاء نظام RAID  0 باستخدام أقراص ذات أحجام مختلفة، ولكن مساحة التخزين المضافة إلى المصفوفة بواسطة كل قرص محدودة بحجم أصغر قرص. على سبيل المثال، إذا  تم دمج قرص بسعة 120 جيجابايت مع  قرص بسعة 320 جيجابايت، فسيكون حجم المصفوفة 120  جيجابايت  × 2  = 240  جيجابايت. مع ذلك، تسمح بعض تطبيقات RAID  باستخدام الـ 200 جيجابايت المتبقية لأغراض أخرى.

يوضح الرسم التخطيطي في هذا القسم كيفية توزيع البيانات على شكل شرائح في قرصين، حيث تمثل A1:A2 الشريحة الأولى، وA3:A4 الشريحة الثانية، وهكذا. بمجرد تحديد حجم الشريحة أثناء إنشاء مصفوفة RAID  0، يجب الحفاظ عليه باستمرار. ونظرًا لأن الوصول إلى الشرائح يتم بالتوازي، فإن مصفوفة RAID 0 ذات n  قرصًا تظهر كقرص واحد كبير بمعدل بيانات أعلى بمقدار n مرة من معدل نقل البيانات في القرص الواحد.

أداء

توفر مصفوفة RAID  0 المكونة من n قرصًا معدلات نقل بيانات للقراءة والكتابة تصل إلى n ضعف معدلات الأقراص الفردية، ولكن دون أي تكرار للبيانات . ونتيجة لذلك،  يُستخدم RAID 0 بشكل أساسي في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وتتحمل مستوى موثوقية أقل، كما هو الحال في الحوسبة العلمية [ 4 ] أو الألعاب [ 5 ] .

تُظهر بعض اختبارات الأداء لتطبيقات سطح المكتب  أن أداء RAID 0 أفضل بشكل طفيف من أداء القرص الصلب الواحد. [ 6 ] [ 7 ] وتناولت دراسة أخرى هذه الادعاءات، وخلصت إلى أن "توزيع البيانات لا يُحسّن الأداء دائمًا (بل قد يكون أبطأ في بعض الحالات من إعداد غير RAID)، ولكنه في معظم الحالات يُحسّن الأداء بشكل ملحوظ". [ 8 ] [ 9 ] وتُظهر الاختبارات المعيارية الاصطناعية مستويات مختلفة من تحسينات الأداء عند استخدام أقراص صلبة متعددة (HDD) أو أقراص SSD في  إعداد RAID 0، مقارنةً بأداء القرص الصلب الواحد. ومع ذلك، تُظهر بعض الاختبارات المعيارية الاصطناعية أيضًا انخفاضًا في الأداء عند المقارنة نفسها. [ 10 ] [ 11 ]

RAID 1

مخطط إعداد RAID  1

يتكون نظام RAID  1 من نسخة طبق الأصل (أو مرآة ) لمجموعة بيانات على قرصين أو أكثر؛  ويحتوي زوج RAID 1 الكلاسيكي المتطابق على قرصين. لا يوفر هذا التكوين أي تكافؤ أو تجزئة أو توزيع لمساحة القرص عبر أقراص متعددة، حيث يتم نسخ البيانات على جميع الأقراص التابعة للمصفوفة، ولا يمكن أن يتجاوز حجم المصفوفة حجم أصغر قرص عضو فيها. يُعد هذا التصميم مفيدًا عندما تكون سرعة القراءة أو موثوقيتها أهم من سرعة الكتابة أو سعة تخزين البيانات الناتجة. [ 12 ] [ 13 ]

ستستمر المصفوفة في العمل طالما أن محرك أقراص واحد على الأقل من محركات الأقراص الأعضاء يعمل. [ 14 ]

أداء

يمكن لأي قرص في المصفوفة تلبية أي طلب قراءة ومعالجته؛ وبالتالي، اعتمادًا على طبيعة حمل الإدخال/الإخراج،  قد يصل أداء القراءة العشوائية لمصفوفة RAID 1 إلى مجموع أداء كل قرص، [ أ ] بينما يظل أداء الكتابة عند مستوى قرص واحد. مع ذلك، إذا استُخدمت أقراص بسرعات مختلفة في  مصفوفة RAID 1، فإن أداء الكتابة الإجمالي يساوي سرعة أبطأ قرص. [ 13 ] [ 14 ]

تُظهر الاختبارات المعيارية الاصطناعية مستويات متفاوتة من تحسينات الأداء عند استخدام عدة أقراص صلبة (HDD) أو أقراص صلبة ذات حالة صلبة (SSD) في  إعداد RAID 1، مقارنةً بأداء القرص الواحد. مع ذلك، تُظهر بعض الاختبارات المعيارية الاصطناعية أيضًا انخفاضًا في الأداء لنفس المقارنة. [ 10 ] [ 11 ]

RAID 2

رسم تخطيطي لإعداد RAID  2. يشير الحرف p الصغير إلى بايتات التكافؤ .

 يقسم نظام RAID 2 البيانات على مستوى البتات عبر أقراص متعددة، على عكس معظم أنظمة RAID الأخرى التي تقسم البيانات إلى كتل. ويستخدم نوعًا من تصحيح الأخطاء يُعرف باسم رمز هامينغ ، والذي يُضيف تكرارًا لاكتشاف الأخطاء في البيانات المخزنة وتصحيحها. تتم مزامنة محركات الأقراص الصلبة بواسطة وحدة التحكم بحيث تدور في وقت واحد، لتصل إلى نفس الموضع في نفس الوقت. [ 15 ] وبسبب هذه المزامنة، يعالج النظام عادةً طلب قراءة أو كتابة واحدًا فقط في كل مرة، مما يحد من قدرته على التعامل مع عمليات متعددة في وقت واحد. [ 16 ] [ 17 ]

في بدايات الحوسبة،  وفّر نظام RAID 2 معدلات نقل بيانات عالية باستخدام رمز هامينغ عالي السرعة والعديد من الأقراص التي تعمل بالتوازي. استُخدم هذا التصميم في أنظمة متخصصة مثل نظام DataVault من شركة Thinking Machines ، الذي كان ينقل 32 بتًا من البيانات في وقت واحد مع 7 بتات للتكافؤ: رمز هامينغ (39، 32). استخدم نظام Stretch من شركة IBM نهجًا مشابهًا، حيث كان ينقل 64 بتًا من البيانات مع 8 بتات لتصحيح الأخطاء: رمز هامينغ (72، 64). كلا الرمزين ليسا رمز هامينغ أساسيًا، بل هما رمز SECDED المُحسّن ، مما يعني أنهما قادران على اكتشاف وتصحيح أخطاء البت الواحد، ولكنهما يكتشفان فقط أخطاء البتّين. [ 18 ] [ 19 ]

بما أن محركات الأقراص الصلبة الحديثة تتضمن تصحيحًا مدمجًا للأخطاء، فإن التعقيد الإضافي  لرمز هامينغ الخارجي في RAID 2 لا يُقدم فائدة تُذكر مقارنةً بأساليب التكرار الأبسط مثل التكافؤ. ونتيجةً لذلك،  نادرًا ما تم تطبيق RAID 2، وهو مستوى RAID الأصلي الوحيد الذي لم يعد يُستخدم عمليًا. [ 16 ] [ 17 ]

RAID 3

رسم تخطيطي لإعداد RAID  3 يتكون من كتل بيانات بحجم ستة بايتات وبايتين للتكافؤ . يظهر في الرسم كتلتان من البيانات بألوان مختلفة.

يعتمد نظام RAID  3 ، الذي نادرًا ما يُستخدم عمليًا، على تجزئة البيانات على مستوى البايت مع قرص تكافؤ مخصص . ومن خصائصه  أنه لا يستطيع عادةً معالجة طلبات متعددة في وقت واحد، وذلك لأن أي كتلة بيانات واحدة، بحكم تعريفها، ستتوزع على جميع أقراص المجموعة وستتواجد في نفس الموقع الفعلي على كل قرص. لذا، تتطلب أي عملية إدخال/إخراج نشاطًا على كل قرص، وعادةً ما تتطلب تزامنًا في محركات الأقراص.

وهذا يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب أعلى معدلات نقل في عمليات القراءة والكتابة المتسلسلة الطويلة، مثل تحرير الفيديو غير المضغوط . أما التطبيقات التي تُجري عمليات قراءة وكتابة صغيرة من مواقع عشوائية على القرص، فستحصل على أسوأ أداء من هذا المستوى. [ 17 ]

أضاف شرط دوران جميع الأقراص بشكل متزامن (بخطوة واحدة ) اعتبارات تصميمية لم تُوفر أي مزايا جوهرية مقارنةً بمستويات RAID الأخرى. وسرعان ما تم استبدال كل من RAID  3 وRAID 4 بـ RAID 5. [ 20 ] وكان RAID 3 يُنفذ عادةً باستخدام مكونات مادية، وتمت معالجة مشكلات الأداء باستخدام ذاكرة تخزين مؤقتة كبيرة للأقراص. [ 17 ]   

RAID 4

الرسم التخطيطي 1: إعداد RAID  4 مع قرص تكافؤ مخصص حيث يمثل كل لون مجموعة الكتل في كتلة التكافؤ المعنية (شريط)

يعتمد نظام RAID  4 على تجزئة البيانات على مستوى الكتل مع قرص تكافؤ مخصص . ونتيجةً لتصميمه،  يوفر RAID 4 أداءً جيدًا للقراءة العشوائية، بينما يكون أداء الكتابة العشوائية منخفضًا بسبب الحاجة إلى كتابة جميع بيانات التكافؤ على قرص واحد، [ 21 ] إلا إذا كان نظام الملفات يدعم RAID 4 ويعوض ذلك.

تتمثل إحدى مزايا RAID 4 في أنه يمكن توسيعه بسرعة عبر الإنترنت، دون إعادة حساب التكافؤ، طالما أن الأقراص المضافة حديثًا ممتلئة تمامًا بـ 0 بايت.

في الرسم التخطيطي 1، سيتم تلبية طلب قراءة الكتلة A1 بواسطة القرص 0. سيتعين على طلب القراءة المتزامن للكتلة B1 الانتظار، ولكن يمكن تلبية طلب القراءة للكتلة B2 بشكل متزامن بواسطة القرص 1.

RAID 5

مخطط لبنية RAID  5، حيث يمثل كل لون مجموعة من كتل البيانات وكتلة التكافؤ المرتبطة بها (شريط). يوضح هذا المخطط بنية RAID غير المتزامنة اليسرى .

يعتمد نظام RAID  5 على تجزئة البيانات على مستوى الكتل مع توزيع التكافؤ. على عكس RAID  4، تُوزَّع معلومات التكافؤ بين الأقراص. ويتطلب هذا النظام وجود جميع الأقراص باستثناء قرص واحد للتشغيل. عند تعطل قرص واحد، يمكن حساب عمليات القراءة اللاحقة من التكافؤ الموزع بحيث لا تُفقد أي بيانات. [ 4 ] يتطلب RAID  5 ثلاثة أقراص على الأقل. [ 22 ]

توجد العديد من تخطيطات البيانات والتكافؤ في مصفوفة محركات الأقراص RAID 5 اعتمادًا على تسلسل الكتابة عبر الأقراص، [ 23 ] أي:

  1. تسلسل كتل البيانات المكتوبة، من اليسار إلى اليمين أو من اليمين إلى اليسار على مصفوفة الأقراص، من الأقراص من 0 إلى N.
  2. موقع كتلة التكافؤ في بداية أو نهاية الشريط.
  3. موقع الكتلة الأولى من الشريط بالنسبة إلى تكافؤ الشريط السابق.

يوضح الشكل ما يلي: 1) كتابة كتل البيانات من اليسار إلى اليمين، 2) كتلة التكافؤ في نهاية الشريط، 3) عدم وجود الكتلة الأولى من الشريط التالي على نفس القرص الذي توجد عليه كتلة التكافؤ من الشريط السابق. يمكن تصنيف هذا التخطيط على أنه تخطيط RAID 5 غير متزامن يساري [ 23 ] ، وهو التخطيط الوحيد المذكور في الطبعة الأخيرة من كتاب RAID [ 24 ] الصادر عن مجلس RAID الاستشاري ( الذي تم حله لاحقًا) [ 25 ] . في التخطيط المتزامن، تُكتب الكتلة الأولى من بيانات الشريط التالي على نفس القرص الذي توجد عليه كتلة التكافؤ من الشريط السابق.

بالمقارنة مع RAID  4،  تعمل خاصية التكافؤ الموزع في RAID 5 على توزيع الضغط الناتج عن قرص التكافؤ المخصص بين جميع أعضاء RAID. بالإضافة إلى ذلك، يتحسن أداء الكتابة نظرًا لمشاركة جميع أعضاء RAID في تلبية طلبات الكتابة. ورغم أنها لن تكون بنفس كفاءة  إعداد التوزيع (RAID 0)، نظرًا لضرورة كتابة التكافؤ، إلا أن هذا لم يعد يمثل عائقًا. [ 26 ]

بما أن حساب التكافؤ يتم على الشريط الكامل، فإن التغييرات الصغيرة في المصفوفة تتعرض لتضخيم الكتابة : في أسوأ الحالات عندما يكون من المقرر كتابة قطاع منطقي واحد، يلزم قراءة القطاع الأصلي وقطاع التكافؤ المقابل، وإزالة البيانات الأصلية من التكافؤ، وحساب البيانات الجديدة في التكافؤ، وكتابة كل من قطاع البيانات الجديد وقطاع التكافؤ الجديد.

RAID 6

مخطط إعداد RAID  6، وهو مطابق لإعداد RAID  5 باستثناء إضافة كتلة تكافؤ ثانية.

 يُوسّع نظام RAID 6  نطاق نظام RAID 5 بإضافة كتلة تكافؤ ثانية ؛ وبالتالي، فهو يستخدم تجزئة البيانات على مستوى الكتلة مع كتلتي تكافؤ موزعتين على جميع الأقراص الأعضاء. [ 27 ] يتطلب نظام RAID 6 أربعة أقراص على الأقل.

كما هو الحال في RAID 5، توجد العديد من تخطيطات مصفوفات أقراص RAID 6، وذلك تبعًا لاتجاه كتابة كتل البيانات، وموقع كتل التكافؤ بالنسبة لكتل ​​البيانات، وما إذا كانت كتلة البيانات الأولى من الشريط اللاحق تُكتب على نفس القرص الذي كُتبت عليه كتلة التكافؤ الأخيرة من الشريط السابق. الشكل على اليمين هو مجرد واحد من هذه التخطيطات العديدة.

بحسب جمعية صناعة شبكات التخزين (SNIA)، فإن تعريف RAID  6 هو: "أي شكل من أشكال RAID الذي يمكنه الاستمرار في تنفيذ طلبات القراءة والكتابة على جميع الأقراص الافتراضية لمصفوفة RAID في حالة حدوث عطلين متزامنين في الأقراص. وقد استُخدمت عدة طرق لتنفيذ RAID المستوى 6، بما في ذلك حسابات بيانات التحقق المزدوج (التكافؤ و ريد-سولومون )، وبيانات التحقق من التكافؤ المزدوج المتعامد، والتكافؤ القطري." [ 28 ]

يُشار عادةً إلى الكتلة الثانية بالرمز Q، بينما تُسمى الكتلة الأولى بالرمز P. تُحسب الكتلة P عادةً كتكافؤ (باستخدام عملية XOR) للبيانات، كما هو الحال في RAID 5. تستخدم تطبيقات RAID 6 المختلفة رموز محو مختلفة لحساب الكتلة Q. يُعدّ ريد-سولومون الخيار الكلاسيكي ، ولكنه يتطلب حسابات مكثفة لحقل غالوا، مع إمكانية التخفيف من ذلك باستخدام تطبيق على مستوى الأجهزة (ASIC أو FPGA ). يوجد خيار خاص لكثير الحدود من ابتكار هـ. بيتر أنفين، والذي يستخدمه نظام لينكس ، مما يسمح بتنفيذ فعال باستخدام الجمع والضرب في اثنين فقط في حقل غالوا GF(2^ 8 )، ويفتح المجال لاستخدام SSSE3 أو AVX2 أو طرق SIMD أخرى للتنفيذ بكفاءة. [ 29 ]

تتجاوز رموز المحو الحديثة، المصممة خصيصًا لحالة k = 2، تحسينات أنفين. وتشمل هذه الرموز: EVENODD (1996)، وRow Diagonal Parity (RDP، 2004)، ورموز التحرير (2008)، [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]، وMojette (2015). [ 34 ]

أداء

يستخدم RAID  6 رمز تكافؤ ثانٍ بالإضافة إلى عملية XOR البسيطة. ونتيجةً لذلك، يتطلب قدرة معالجة أكبر لكلٍ من القراءة والكتابة. يختلف الأداء اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على كيفية  تطبيق RAID 6 في بنية التخزين الخاصة بالشركة المصنعة - سواءً في البرمجيات، أو البرامج الثابتة ، أو باستخدام البرامج الثابتة ومسرعات الأجهزة المتخصصة ( ASICs أو FPGAs ) لإجراء حسابات التكافؤ المكثفة. [ 35 ]

لا تُظهر أنظمة RAID  6 عمومًا أي تأثير سلبي واضح على عمليات القراءة: ففي حالة البيانات غير التالفة، يكفي حساب التكافؤ الأبسط والتحقق منه كما هو الحال في RAID  5. ولا يُلجأ إلى التكافؤ الأكثر تعقيدًا إلا عند وجود اختلاف. ويمكن تعزيز المتانة من خلال التنظيف في الخلفية بدلًا من القراءة في المقدمة. ونتيجةً لذلك،  تصل سرعة قراءة RAID 6 عادةً إلى نفس سرعة قراءة RAID 5 مع نفس عدد الأقراص الصلبة. [ 35 ]

لا تُجدي استراتيجية التحقق المؤجل نفعاً عند كتابة البيانات. ونتيجةً لذلك،  يظهر كامل تأثير انخفاض الأداء الناتج عن RAID 6 أثناء عمليات الكتابة.

مقارنة

يوضح الجدول التالي بعض الاعتبارات المتعلقة بمستويات RAID القياسية. في كل حالة، تُعطى كفاءة مساحة المصفوفة كنسبة مئوية من عدد الأقراص ( n ). تُشير هذه النسبة إلى قيمة كسرية بين الصفر والواحد، تمثل الجزء المتاح للاستخدام من مجموع سعات الأقراص. على سبيل المثال، إذا تم ترتيب ثلاثة أقراص في RAID  3، فإن كفاءة مساحة المصفوفة تكون 1 - 1/ n = 1 - 1/3 = 2/3 ≈ 67% . وبالتالي، إذا كانت سعة كل قرص في هذا المثال 250  جيجابايت، فإن إجمالي سعة المصفوفة يبلغ 750  جيجابايت، ولكن السعة المتاحة لتخزين البيانات هي 500  جيجابايت فقط. كما يمكن لتكوينات RAID المختلفة اكتشاف الأعطال أثناء ما يُسمى بتنظيف البيانات .

تاريخيًا، كانت الأقراص أقل موثوقية، وكانت مستويات RAID تُستخدم أيضًا لتحديد القرص المعطل في المصفوفة، بالإضافة إلى تحديد عطل القرص نفسه. مع ذلك، وكما أشار باترسون وآخرون، حتى في بداية ظهور RAID، كانت العديد من الأقراص (وإن لم تكن جميعها) قادرة على اكتشاف الأخطاء الداخلية باستخدام رموز تصحيح الأخطاء. على وجه الخصوص، كان وجود مجموعة أقراص متطابقة كافيًا لاكتشاف العطل، لكن قرصين لم يكونا كافيين لتحديد القرص المعطل في مصفوفة أقراص بدون ميزات تصحيح الأخطاء. [ 36 ] تعتمد مصفوفات RAID الحديثة في الغالب على قدرة القرص على تحديد نفسه كقرص معيب، وهو ما يمكن اكتشافه كجزء من عملية الفحص. تُستخدم المعلومات الزائدة لإعادة بناء البيانات المفقودة، بدلًا من تحديد القرص المعطل. يُعتبر القرص معطلًا إذا واجه خطأ قراءة غير قابل للاسترداد ، والذي يحدث بعد أن يحاول القرص قراءة البيانات عدة مرات ويفشل. قد تُبلغ محركات الأقراص الخاصة بالمؤسسات عن حالات الفشل في عدد محاولات أقل بكثير من محركات الأقراص الخاصة بالمستهلكين كجزء من TLER لضمان تلبية طلب القراءة في الوقت المناسب. [ 37 ]

مستوىوصفالحد الأدنى لعدد محركات الأقراص [ ب ]كفاءة استخدام المساحةتحمل الأعطالالعزل الخطأمعدل فشل المصفوفة [ ج ]
RAID  0تقسيم البيانات على مستوى الكتلة بدون تكافؤ أو انعكاس21{\displaystyle 1}لا أحدبرنامج تشغيل القرص فقط1-(1-ر)ن{\displaystyle 1-(1-r)^{n}}
RAID  1الانعكاس بدون تكافؤ أو تجريد21ن{\displaystyle {\frac {1}{n}}}ن-1{\displaystyle n-1}أعطال محركات الأقراصتحديث البرامج الثابتة للمحرك أو التصويت إذان>2{\displaystyle n>2}رن{\displaystyle r^{n}}
RAID  2تجزئة البيانات على مستوى البت باستخدام رمز هامينغ لتصحيح الأخطاء31-1نسجل2⁡(ن+1){\displaystyle 1-{\frac {1}{n}}\log _{2}(n+1)}عطل في أحد محركات الأقراصالبرامج الثابتة للمحرك والتكافؤ1-(1-ر)ن{\displaystyle 1-(1-r)^{n}}-نر(1-ر)ن-1{\displaystyle {}-nr(1-r)^{n-1}}
RAID  3تقسيم البيانات على مستوى البايت مع تكافؤ مخصص31-1ن{\displaystyle 1-{\frac {1}{n}}}عطل في أحد محركات الأقراصالبرامج الثابتة للمحرك والتكافؤ1-(1-ر)ن{\displaystyle 1-(1-r)^{n}}-نر(1-ر)ن-1{\displaystyle {}-nr(1-r)^{n-1}}
RAID  4تخطيط على مستوى الكتلة مع تكافؤ مخصص31-1ن{\displaystyle 1-{\frac {1}{n}}}عطل في أحد محركات الأقراصالبرامج الثابتة للمحرك والتكافؤ1 − (1 − r ) n-نر(1-ر)ن-1{\displaystyle {}-nr(1-r)^{n-1}}
RAID  5تقسيم البيانات على مستوى الكتلة مع التكافؤ الموزع31-1ن{\displaystyle 1-{\frac {1}{n}}}عطل في أحد محركات الأقراصالبرامج الثابتة للمحرك والتكافؤ1 − (1 − r ) n-نر(1-ر)ن-1{\displaystyle {}-nr(1-r)^{n-1}}
RAID  6تقسيم البيانات على مستوى الكتلة مع توزيع التكافؤ المزدوج41-2ن{\displaystyle 1-{\frac {2}{n}}}عطلان في محركي الأقراصالبرامج الثابتة للمحرك والتكافؤ1-(1-ر)ن{\displaystyle 1-(1-r)^{n}}-نر(1-ر)ن-1{\displaystyle {}-nr(1-r)^{n-1}}-(ن2)ر2(1-ر)ن-2{\displaystyle {}-{\tbinom {n}{2}}r^{2}(1-r)^{n-2}}

ملحوظات:

  • يُعطى معدل فشل المصفوفة كتعبير بدلالة عدد الأقراص ( n ) ومعدل فشل كل قرص (r) (بافتراض تساويهما واستقلاليتهما). على سبيل المثال، إذا كان معدل فشل كل قرص من ثلاثة أقراص 5% خلال السنوات الثلاث القادمة، وكانت هذه الأقراص مُرتبة في مصفوفة RAID  3، فإن معدل فشل المصفوفة خلال السنوات الثلاث القادمة سيكون كالتالي: 1-(1-ر)ن-نر(1-ر)ن-1=1-(1-5%)3-3×5%×(1-5%)3-1=1-0.953-0.15×0.952=1-0.857375-0.135375=0.00725≈0.7%{\displaystyle {\begin{aligned}1-(1-r)^{n}-nr(1-r)^{n-1}&=1-(1-5\%)^{3}-3\times 5\%\times (1-5\%)^{3-1}\\&=1-0.95^{3}-0.15\times 0.95^{2}\\&=1-0.857375-0.135375\\&=0.00725\\&\approx 0.7\%\end{aligned}}}
  • لا تُؤخذ السرعة في الحسبان نظرًا لتداخل العديد من العوامل التي يصعب حصرها في جدول. الحد الأقصى النظري لأداء القراءة، بافتراض كفاءة استخدام مساحة قدرها E على n من محركات الأقراص، هو nE ضعف سرعة قراءة القرص الواحد. ويُحدد هذا ببساطة بكمية المعلومات المراد قراءتها. وينطبق الأمر نفسه على الكتابة، حيث يبلغ الحد الأقصى nE ضعف سرعة كتابة القرص الواحد. عند استخدام أقراص بسرعات مختلفة، تنخفض السرعة القصوى المستدامة إلى nE ضعف سرعة أبطأ قرص، وذلك لأن أي ذاكرة تخزين مؤقتة قد تُعوض فرق السرعة ستمتلئ في النهاية. [ 14 ]

    تُعدّ حسابات التكافؤ الكاملة أثناء الكتابة صعبة، خاصةً في نظام RAID 6 (كما ذُكر سابقًا). ونتيجةً لذلك، تتطلب سرعة الكتابة القصوى أجهزةً قويةً لإجراء حسابات التكافؤ بمعدل يُضاهي قدرة محركات الأقراص.

    تُحقق طرق التكافؤ القائمة على الكتل (RAID 4، 5، 6) سرعة كتابة كاملة للبيانات بحجم الشريط، بافتراض وجود أجهزة ذات قدرات كافية. مع ذلك، عند تعديل بيانات أقل من شريط، تتطلب هذه الطرق استخدام تقنية القراءة-التعديل-الكتابة (RMW) أو إعادة البناء-الكتابة (RCW) لتقليل تكلفة الكتابة الصغيرة. تكتب تقنية RMW البيانات بعد قراءة الشريط الحالي (بحيث يكون هناك فرق لتحديث التكافؤ)؛ ويُعطي زمن الاستجابة عاملًا كسريًا قدره 2، ويُعطي عدد الأقراص المراد الكتابة عليها عاملًا آخر قدره 2 في RAID 4/5 و3 في RAID 6، مما يُعطي عامل كفاءة نظريًا قدره 1/4 أو 1/6 . أما تقنية RCW فتكتب البيانات فورًا، ثم تُعيد بناء التكافؤ بقراءة جميع الشرائط المرتبطة من الأقراص الأخرى . عادةً ما تكون عملية الكتابة مع إعادة التشغيل (RCW) أسرع من عملية الكتابة مع إعادة التشغيل (RMW) عندما يكون عدد الأقراص قليلاً، ولكن يعيبها أنها تُعيد تشغيل جميع الأقراص (قد تؤدي دورات التشغيل والإيقاف الإضافية إلى تقصير عمرها الافتراضي). كما أن RCW هي طريقة الكتابة الوحيدة الممكنة لشريط بيانات متدهور. [ 40 ] (لا يعني هذا أن أداء RAID 4 أو 5 أقل من أداء RAID 3. عمليًا، كان أداء RAID 3 أسوأ في عمليات القراءة والكتابة الصغيرة نظرًا لوقت البحث الطويل).

الآثار المترتبة على النظام

أظهرت قياسات أداء الإدخال/الإخراج لخمسة أنظمة ملفات بخمسة تكوينات تخزين - قرص SSD واحد، وRAID 0، وRAID 1، وRAID 10، وRAID 5 - أن نظام الملفات F2FS على RAID 0 وRAID 5 مع ثمانية أقراص SSD يتفوق على نظام EXT4 بمقدار 5 أضعاف و50 ضعفًا على التوالي. وتشير القياسات أيضًا إلى أن وحدة تحكم RAID قد تُشكل عنق زجاجة كبيرًا في بناء نظام RAID باستخدام أقراص SSD عالية السرعة. [ 41 ]

RAID المتداخل

مجموعات من مستويين أو أكثر من مستويات RAID القياسية. وتُعرف أيضاً باسم RAID 0+1 أو RAID 01، وRAID 0+3 أو RAID 03، وRAID 1+0 أو RAID 10، وRAID 5+0 أو RAID 50، وRAID 6+0 أو RAID 60، وRAID 10+0 أو RAID 100.

المتغيرات غير القياسية

بالإضافة إلى مستويات RAID القياسية والمتداخلة، تشمل البدائل مستويات RAID غير القياسية ، وبنى محركات الأقراص غير RAID . وتُعرف بنى محركات الأقراص غير RAID بمصطلحات واختصارات متشابهة، أبرزها JBOD (مجموعة من الأقراص)، و SPAN/BIG ، و MAID (مصفوفة ضخمة من الأقراص غير المستخدمة).

ملحوظات

  1. ↑ الحد الأقصى النظري، منخفض مثل أداء القرص الواحد في الواقع
  2. ↑ يفترض وجود حد أدنى غير متدهور لعدد محركات الأقراص
  3. ↑ يفترض معدل فشل مستقل ومتطابق r بين n من محركات الأقراص، وعدم وجود عمليات إعادة بناء لمحركات الأقراص [ 38 ] [ 39 ]

مراجع

  1. ↑ "تنسيق بيانات القرص RAID الشائع (DDF)" . SNIA . رابطة صناعة شبكات التخزين . تم الاطلاع عليه في 1 سبتمبر 2025 .
  2. ↑ " استعادة البيانات من RAID 0" . ADA . الولايات المتحدة: Ace Data Recovery . تم الاطلاع عليه في 1 سبتمبر 2025 . 
  3. ↑ "فهم تقنية RAID" . مواضيع حماية البيانات . واشنطن، الولايات المتحدة: CRU. مؤرشف من الأصل في 30 يناير 2015. تم الاطلاع عليه في 30 أبريل 2015 .
  4. 1 2 تشين، بيتر؛ لي، إدوارد؛ جيبسون، جارث؛ كاتز، راندي؛ باترسون، ديفيد (1994). "RAID: تخزين ثانوي عالي الأداء وموثوق". مجلة ACM Computing Surveys . 26 (2): 145–185 . CiteSeerX 10.1.1.41.3889 . doi : 10.1145/176979.176981 . S2CID 207178693 .  
  5. ↑ دي كوتر، سيباستيان (13 أبريل 2015). "مقارنة بين خيارات تخزين الألعاب لعام 2015: SSD، HDD، أم RAID 0، أيها الأفضل؟" . GamePlayInside.com . تاريخ الاسترجاع: 22 سبتمبر 2015 . 
  6. ↑ "محركات رابتور من ويسترن ديجيتال في نظام RAID-0: هل محركان أفضل من واحد؟" . AnandTech.com . AnandTech . 1 يوليو 2004. مؤرشف من الأصل في 7 يوليو 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 نوفمبر 2007 .
  7. ↑ "هيتاشي ديسك ستار 7K1000: نسخة مُحسّنة من نظام RAID بسعة تيرابايتين" . AnandTech.com . AnandTech . 23 أبريل 2007. مؤرشف من الأصل في 1 مايو 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 نوفمبر 2007 .
  8. ↑ "RAID 0: ضجيج أم نعمة؟" . Tweakers.net . خدمات بيرسجروب عبر الإنترنت. 7 أغسطس 2004 . تم الاسترجاع 2008-07-23 . 
  9. ↑ "هل يؤدي استخدام RAID0 فعلاً إلى تحسين أداء القرص؟" . HardwareSecrets.com . 1 نوفمبر 2006.
  10. 1 2 لارابيل، مايكل (22-10-2014). "اختبار نظام ملفات Btrfs RAID على قرص صلب بنظام Ubuntu Linux 14.10" . فورونيكس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-09-2015 .
  11. 1 2 لارابيل ، مايكل (29/10/2014). "Btrfs على 4 × Intel SSDs في RAID 0/1/5/6/10" . فورونيكس . تم الاسترجاع 2015/09/19 . 
  12. ↑ "دليل FreeBSD: 19.3. RAID 1 – النسخ المتطابق" . FreeBSD.org . 2014-03-23 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2014-06-11 . 
  13. 1 2 "أي مستوى RAID مناسب لي؟: RAID 1 (النسخ المتطابق)" . Adaptec.com . Adaptec . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2014-01-02 .
  14. 1 2 3 "اختيار أفضل مستوى RAID: مصفوفات RAID 1 (دليل تثبيت Sun StorageTek SAS RAID HBA)" . Docs.Oracle.com . شركة أوراكل . 23-12-2010 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2-1-2014 .
  15. ↑ "RAID 2" . Techopedia . 27 فبراير 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 ديسمبر 2019 .
  16. 1 2 فادالا، ديريك (2003). إدارة RAID على لينكس. سلسلة أورايلي ( طبعة مصورة). أورايلي . ص 6. ISBN   9781565927308.
  17. 1 2 3 4 ماركوس، إيفان؛ ستيرن، هال (2003). مخططات التوافر العالي (الطبعة الثانية، مصورة ). جون وايلي وأولاده . ص 167. ISBN   9780471430261.
  18. ↑ كتاب RAID، الطبعة الرابعة، المجلس الاستشاري لـ RAID، يونيو 1995، ص 101
  19. ↑ "نظام معالجة البيانات IBM Stretch (المعروف أيضًا باسم IBM 7030)" . www.brouhaha.com . تاريخ الاسترجاع: 13 سبتمبر 2023 .
  20. ↑ مايرز، مايكل؛ جيرنيجان، سكوت (2003). دليل مايك مايرز الممتاز لإدارة أجهزة الكمبيوتر الشخصية واستكشاف أخطائها وإصلاحها ( طبعة مصورة). ماكجرو هيل بروفيشنال . ص 321. ISBN   9780072231465.
  21. ↑ ناتاراجان، راميش (21-11-2011). "شرح RAID 2 وRAID 3 وRAID 4 وRAID 6 مع الرسوم التوضيحية" . TheGeekStuff.com . تاريخ الاسترجاع: 2-1-2015 .    
  22. ↑ "أسئلة وأجوبة حول استعادة البيانات من RAID 5" . VantageTech.com . شركة Vantage Technologies . تاريخ الاسترجاع: 16 يوليو 2014 .
  23. 1 2 "معلومات عن تقنية RAID - خوارزميات RAID-5 في نظام لينكس" . خدمة أشفورد للاستشارات الحاسوبية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 فبراير 2021 .
  24. ↑ ماسيجيليا، بول (فبراير 1997). كتاب RAID، الطبعة السادسة . المجلس الاستشاري لـ RAID. الصفحات 101-129 . 
  25. ↑ "مرحباً بكم في المجلس الاستشاري لـ RAID" . المجلس الاستشاري لـ RAID. 6 أبريل 2001. مؤرشف من الأصل في 6 أبريل 2001. تم الاطلاع عليه في 16 فبراير 2021 .آخر صفحة ويب مؤرشفة صالحة على موقع Wayback Machine
  26. ↑ كورين، إسرائيل. "منظمات RAID الأساسية" . ECS.UMass.edu . جامعة ماساتشوستس . تم الاسترجاع في 4 نوفمبر 2014 .
  27. ↑ "دليل تثبيت محولات RAID HBA من نوع SAS من Sun StorageTek، الملحق F: اختيار أفضل مستوى RAID: مصفوفات RAID 6" . Docs.Oracle.com . 23-12-2010 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-08-2015 . 
  28. ↑ "قاموس R" . SNIA.org . رابطة صناعة شبكات التخزين . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-11-2007 .
  29. ↑ "bcachefs-tools: raid.c" . GitHub . 27 مايو 2023.
  30. ↑ جيمس إس. بلانك. "رموز تحرير RAID-6" .
  31. ↑ "خوارزميات التشفير وفك التشفير المثلى لرموز تحرير RAID-6" .
  32. ↑ جيمس إس. بلانك. "رموز المحو لأنظمة التخزين: مقدمة موجزة" .
  33. ↑ "تقييم الأداء وفحص مكتبات ترميز المحو مفتوحة المصدر للتخزين" (PDF) .
  34. ↑ ديمتري بيرتين، ألكسندر فان كيمبن، بينوا بارين، نيكولا نورماند. "مقارنة رموز محو RAID-6" . ورشة العمل الصينية الفرنسية الثالثة حول تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، SIFWICT 2015، يونيو 2015، نانت، فرنسا. ffhal-01162047f
  35. 1 2 فيث، ريكارد إي. (13 مايو 2009). "مقارنة بين أنواع برمجيات RAID" . مؤرشف من الأصل في 30 مايو 2015.
  36. ↑ باترسون، ديفيد أ.؛ جيبسون، غارث؛ كاتز، راندي هـ. (1988). "حالة لصالح مصفوفات الأقراص المتكررة منخفضة التكلفة (RAID)" (ملف PDF) . وقائع مؤتمر ACM SIGMOD الدولي لإدارة البيانات لعام 1988 - SIGMOD '88 . ص 112. doi : 10.1145/50202.50214 . ISBN  0897912683S2CID 52859427. تم الاسترجاع في 25 يونيو 2022. يمكن لقرص التكافؤ الواحد اكتشاف خطأ واحد، ولكن لتصحيح الخطأ ، نحتاج إلى عدد كافٍ من أقراص الفحص لتحديد القرص الذي به الخطأ. [...] تُستخدم معظم أقراص الفحص في RAID من المستوى 2 لتحديد القرص المعطل، حيث يكفي قرص تكافؤ احتياطي واحد لاكتشاف الخطأ. هذه الأقراص الإضافية "احتياطية" بالفعل، لأن معظم وحدات تحكم الأقراص قادرة على اكتشاف عطل القرص إما من خلال إشارات خاصة متوفرة في واجهة القرص أو من خلال معلومات الفحص الإضافية في نهاية القطاع. 
  37. ↑ "محركات الأقراص الصلبة للمؤسسات مقابل محركات الأقراص الصلبة لأجهزة سطح المكتب" (ملف PDF) . Intel.com . Intel. ص 10. 
  38. ↑ رادو، ميهايلا (2013). "استخدام نماذج ماركوف لتقدير موثوقية بنى RAID". مؤتمر IEEE لونغ آيلاند لأنظمة وتطبيقات وتكنولوجيا (LISAT) لعام 2013. الصفحات 1-5 . doi : 10.1109/LISAT.2013.6578246 . ISBN  978-1-4673-6245-0.
  39. ↑ م. غرينان، كيفن؛ س. بلانك، جيمس؛ ج. وايلي، جاي (2010). "متوسط ​​الوقت اللازم للوصول إلى حالة غير ذات معنى: MTTDL، نماذج ماركوف، وموثوقية نظام التخزين" (ملف PDF) . USENIX: Hotstorage .
  40. ↑ توماسيان، ألكسندر (فبراير 2005). "إعادة البناء مقابل عمليات الكتابة للقراءة والتعديل في RAID". رسائل معالجة المعلومات . 93 (4): 163-168 . doi : 10.1016/j.ipl.2004.10.009 .
  41. ↑ بارك، تشان هيون؛ لي، سيونغ جين؛ وون، يو جيب (2014). "تحليل الأداء التجريبي لتقنية RAID القائمة على محركات الأقراص الصلبة SSD". علوم وأنظمة المعلومات 2014. المجلد 2014. الصفحات 395-405 . doi : 10.1007/978-3-319-09465-6_41 . ISBN   978-3-319-09464-9.{{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )

للمزيد من القراءة

  • "التعرف على تقنية RAID" . Support.Dell.com . Dell . 2009. مؤرشف من الأصل بتاريخ 20 فبراير 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 أبريل 2016 .
  • المصفوفات المتكررة للأقراص الرخيصة (RAIDs) ، الفصل 38 من كتاب أنظمة التشغيل: ثلاثة أجزاء سهلة من تأليف رمزي ح. أرباتشي-دوسو وأندريا س. أرباتشي-دوسو