تم اقتراح غارة (مجموعة زائدة من الأقراص المستقلة) ، والمعروفة أصلاً باسم مجموعة زائدة من الأقراص غير المكلفة ، من قبل البروفيسور دا باترسون من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي في ورقة "حالة من مجموعة زائدة من الأقراص غير المكلفة" في عام 1988. في ذلك. الوقت ، كانت الأقراص ذات السعة الكبيرة باهظة الثمن ، لذلك كانت الفكرة الأساسية لـ RAID هي الجمع بين العديد من الأقراص الصغيرة والأقراص غير المكلفة نسبيًا للحصول على السعة والأداء والموثوقية المكافئة للأقراص ذات السعة الكبيرة باهظة الثمن بتكلفة أقل. مع استمرار انخفاض تكلفة وسعر الأقراص ، أصبح مصطلح "غير مكلف" بلا معنى ، وقرر المجلس الاستشاري RAID (RAB) استبدال "غير مكلف" بـ "Independent".
تم تبني فكرة التصميم هذه عن RAID بسرعة من قبل الصناعة. تم تطبيق تقنية RAID ، باعتبارها تقنية تخزين عالية الأداء وموثوقة للغاية ، على نطاق واسع. يستخدم RAID بشكل أساسي تقنيات تصنيف البيانات والنسخ المتطابق والبيانات لتحقيق RAID تقدم العديد من المزايا البارزة. أولاً ، يوفر سعة كبيرة. تضم العديد من الأقراص ، يمكن أن تصل أنظمة RAID إلى التخزين على مستوى PB حيث تتجاوز الأقراص المفردة الآن 1 تيرابايت ، على الرغم من أن السعة المتاحة أقل من الإجمالي بسبب التكرار ، والتي تتراوح ما بين 50 ٪ - 90 ٪. ثانياً ، يتم تحقيق الأداء العالي عبر قطاع البيانات ، الذي يوزع I/O عبر الأقراص ، والتغلب على عنق الزجاجة من الأداء المفرد. ثالثا ، يتم تعزيز الموثوقية. على عكس الاهتمام النظري بعدم الموثوقية المتعددة ، فإن RAID يستخدم النسخ المتطابق والتكافؤ على البيانات لضمان توفر البيانات حتى عند فشل الأقراص المتعددة. أخيرًا ، تم تبسيط الإدارة. كتقنية للمحاكاة الافتراضية ، يظهر RAID كمحرك واحد منطقي للأنظمة المضيفة ، مما يتيح تنظيم بيانات سهلة للمستخدمين وتقليل المهام الإدارية مع ميزات مثل تغييرات القرص الديناميكي وعمليات البيانات الآلية. الأداء العالي والموثوقية والتسامح مع الأخطاء وقابلية التوسع. وفقًا لاستراتيجيات استخدام أو الجمع بين هذه التقنيات الثلاثة ، يمكن تقسيم RAID إلى مستويات مختلفة لتلبية احتياجات تطبيقات البيانات المختلفة. تم تعريف مستويات RAID الأصلية RAID1-RAVER5 في الورقة من قبل DA Patterson et al. ، وتم توسيع RAID0 و RAID6 منذ عام 1988. RAID53 و RAID100 ، ولكن لا يوجد معيار موحد. في الوقت الحاضر ، فإن المعايير المعترف بها في الصناعة هي RAID0-RAVER5 ، وتم تعيين المستويات الأربعة باستثناء RAID2 كمعايير صناعية. مستويات RAID الأكثر استخدامًا في مجال التطبيق الفعلي هي RAID0 و RAID1 و RAID3 و RAID5 و RAID6 و RAID10.
من منظور التنفيذ ، يتم تقسيم RAID بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع: غارة البرمجيات ، غارة الأجهزة وغارة هجينة. بالنسبة إلى RAID للبرامج ، يتم الانتهاء من جميع الوظائف بواسطة نظام التشغيل ووحدة المعالجة المركزية ، ولا توجد شريحة/معالجة معالجة RAID و ChIP و I/O مستقلة ، وبالتالي فإن الكفاءة هي الأقل. تم تجهيز غارة الأجهزة برقاقة خاصة للتحكم/المعالجة في RAID وشريحة معالجة I/O بالإضافة إلى مخزن مؤقت للمصفوفة ، ولا تشغل موارد وحدة المعالجة المركزية ، لكن التكلفة مرتفعة للغاية. يحتوي Hybrid Raid على شريحة التحكم/المعالجة في RAID ولكنها تفتقر إلى رقاقة معالجة I/O ، وتحتاج إلى برامج وحدة المعالجة المركزية والسائقين لإكمالها ، وتكون أدائها وتكلفةها بين غارة البرمجيات وغارة الأجهزة.
يمثل كل مستوى RAID طريقة التنفيذ والتكنولوجيا ، ولا يوجد تمييز بين المستويات العالية والمنخفضة. في التطبيقات العملية ، يجب تحديد مستوى RAID المناسب وطريقة التنفيذ المحددة وفقًا لخصائص تطبيقات بيانات المستخدم ، ويجب النظر بشكل شامل في توافر وأداء وتكلفة.
المبادئ الأساسية
غارة ، وهي مجموعة زائدة من الأقراص المستقلة ، عادة ما يتم اختصارها كصفيف القرص. باختصار ، RAID عبارة عن نظام فرعي للقرص يتكون من محركات أقراص عالية الأداء مستقلة متعددة ، والتي توفر تقنية أعلى أداء للتخزين وتقنية التكرار من البيانات من قرص واحد. RAID هي تقنية إدارة متعددة القرص التي توفر موثوقية فعالة من حيث التكلفة وموثوقية عالية للبيانات وتخزين عالي الأداء لبيئة المضيف. تعريف RAID بواسطة SNIA هو: مجموعة قرص يتم فيها استخدام جزء من مساحة التخزين المادية لتسجيل المعلومات المتكررة لبيانات المستخدم المخزنة في المساحة المتبقية. عند فشل قرص أو مسار الوصول ، يمكن استخدام المعلومات الزائدة لإعادة بناء بيانات المستخدم. على الرغم من أن شريط القرص لا يتوافق مع تعريف RAID ، إلا أنه عادة ما يسمى RAID (أي ، RAID0).
كانت النية الأصلية لل RAID هي توفير وظائف التخزين المتطورة وأمن البيانات الزائدة لخوادم كبيرة. في النظام بأكمله ، تعتبر RAID مساحة تخزين تتكون من قرصين أو أكثر ، ويتم تحسين أداء I/O لنظام التخزين عن طريق قراءة البيانات وكتابةها على أقراص متعددة بشكل متزامن. تحتوي معظم مستويات RAID على مقاييس التحقق من البيانات وتصحيحها ، وحتى طرق النسخ المتطابق ، والتي تعزز بشكل كبير موثوقية النظام ، وهذا هو المكان الذي يأتي منه "زائدة".
هنا نحتاج إلى ذكر JBOD (مجرد مجموعة من الأقراص). في البداية ، تم استخدام JBOD لتمثيل مجموعة القرص بدون برنامج تحكم لتوفير التحكم المنسق ، وهو العامل الرئيسي الذي يميز الغارة عن JBOD. في الوقت الحاضر ، يشير JBOD في كثير من الأحيان إلى حاوية القرص ، بغض النظر عما إذا كان يوفر وظائف RAID أم لا.
الهدفين الرئيسيين من RAID هو تحسين موثوقية البيانات وأداء الإدخال/الإخراج. في صفيف القرص ، تنتشر البيانات بين الأقراص المتعددة ، ولكن بالنسبة لنظام الكمبيوتر ، يبدو أنه قرص واحد. يتم تحقيق التكرار عن طريق كتابة نفس البيانات إلى أقراص متعددة (عادة ما تكون النسخ المتطابق) أو كتابة بيانات التكافؤ المحسوبة في الصفيف ، بحيث لن يحدث فقدان البيانات عند فشل قرص واحد. تسمح بعض مستويات RAID لمزيد من الأقراص بالفشل في نفس الوقت ، مثل RAID6 ، حيث يمكن تلف قرصين في نفس الوقت.
بموجب آلية التكرار هذه ، يمكن استبدال القرص الفاشل بقرص جديد ، وسيقوم RAID تلقائيًا بإعادة بناء البيانات المفقودة وفقًا لبيانات البيانات والتكافؤ في الأقراص المتبقية لضمان اتساق البيانات وسلامتها. البيانات منتشرة وتخزينها على أقراص مختلفة متعددة في RAID ، كما أن قراءة البيانات والكتابة المتزامنة أفضل بكثير من قرص واحد ، لذلك يمكن الحصول على عرض ترددي I/O أعلى. بطبيعة الحال ، فإن مجموعة القرص سيقلل من إجمالي مساحة التخزين المتاحة لجميع الأقراص ، والتضحية بالمساحة في مقابل زيادة الموثوقية والأداء. على سبيل المثال ، لا يبلغ استخدام مساحة التخزين لـ RAID1 سوى 50 ٪ ، وسوف يفقد RAID5 سعة التخزين لقرص واحد ، واستخدام المساحة هو (N-1)/N.
يمكن أن يضمن صفيف القرص أن تكون التشغيل المستمر للنظام دون انقطاع عندما تتلف بعض الأقراص (واحدة أو متعددة ، اعتمادًا على التنفيذ). أثناء عملية إعادة بناء بيانات القرص الفاشل إلى القرص الجديد ، يمكن أن يستمر النظام في العمل بشكل طبيعي ، ولكن سيتم تقليل الأداء إلى حد ما. يجب إيقاف بعض صفائف القرص عند إضافة أو حذف الأقراص ، في حين يدعم بعض المبادلة الساخنة ، مما يسمح باستبدال محركات الأقراص دون الإغلاق. تستخدم صفيف القرص الراقية بشكل أساسي في أنظمة التطبيقات ذات المتطلبات العالية للموثوقية ، ولا يمكن إيقاف تشغيل النظام أو يجب أن يكون وقت الإغلاق قصيرًا قدر الإمكان.
بشكل عام ، لا يمكن لـ RAID استبدال النسخ الاحتياطي للبيانات. إنه عاجز عن فقدان البيانات الناتج عن حالات فشل غير مراقبة ، مثل الفيروسات ، والتدمير البشري ، والحذف العرضي ، وما إلى ذلك. في هذا الوقت ، يكون فقدان البيانات بالنسبة لنظام التشغيل أو نظام الملفات أو مدير وحدة التخزين أو نظام التطبيق. بالنسبة لنظام RAID نفسه ، تكون البيانات سليمة ولم تحدث أي خسارة. لذلك ، فإن النسخ الاحتياطي للبيانات والاستعادة الكارثة وغيرها من مقاييس حماية البيانات ضرورية للغاية ، والتي تكمل RAID وحماية أمان البيانات على مستويات مختلفة لمنع فقدان البيانات.
هناك ثلاثة مفاهيم وتقنيات رئيسية في RAID: النسخ المتطابق وقطاع البيانات والتكافؤ على البيانات. نسخ النسخ النسخ إلى أقراص متعددة. من ناحية ، يمكن أن يحسن الموثوقية ، ومن ناحية أخرى ، يمكنه قراءة البيانات من نسختين أو أكثر بشكل متزامن لتحسين أداء القراءة. من الواضح أن أداء كتابة النسخ المتطابق أقل قليلاً ، ويستغرق الأمر مزيدًا من الوقت لضمان كتابة البيانات بشكل صحيح لأقراص متعددة. يقوم شريط البيانات بتخزين شرائح البيانات على أقراص مختلفة متعددة ، وشرائح بيانات متعددة معًا تشكل نسخة كاملة من البيانات ، والتي تختلف عن نسخ متعددة من النسخ المتطابقة وعادة ما تستخدم لاعتبارات الأداء. شريط البيانات لديه تفاصيل توافق أعلى.
عند الوصول إلى البيانات ، من الممكن قراءة وكتابة البيانات على أقراص مختلفة في نفس الوقت ، وبالتالي الحصول على تحسين أداء I/O كبير للغاية. يستخدم تكافؤ البيانات بيانات زائدة لاكتشاف وإصلاح أخطاء البيانات. عادة ما يتم حساب البيانات الزائدة عن طريق الخوارزميات مثل رمز الهلام وتشغيل XOR. يمكن أن يؤدي استخدام وظيفة التكافؤ إلى تحسين الموثوقية والمتانة والتسامح مع صفيف القرص. ومع ذلك ، يحتاج تكافؤ البيانات إلى قراءة البيانات من أماكن متعددة وإجراء الحسابات والمقارنات ، والتي ستؤثر على أداء النظام. تعتمد المستويات المختلفة من RAID واحدة أو أكثر من التقنيات الثلاث المذكورة أعلاه للحصول على موثوقية مختلفة للبيانات وتوافرها وأداء الإدخال/الإخراج. أما بالنسبة لنوع الغارة (حتى المستويات أو الأنواع الجديدة) التي يجب تصميمها أو طريقة RAID التي يجب تبنيها ، فمن الضروري اتخاذ خيار معقول بموجب فرضية فهم متطلبات النظام بعمق وتقييم موثوقية وأداء وتكلفة بشكل شامل اتخاذ خيار التسوية.
مزايا الغارة
- سعة كبيرة: هذه ميزة واضحة من RAID. يوسع سعة القرص ، ويحتوي نظام RAID الذي يتكون من أقراص متعددة على مساحة تخزين ضخمة. الآن يمكن أن تصل سعة قرص واحد إلى أكثر من 1 تيرابايت ، وبالتالي يمكن أن تصل سعة تخزين RAID إلى مستوى PB ، ويمكن تلبية معظم متطلبات التخزين. بشكل عام ، فإن القدرة المتاحة لل RAID أقل من إجمالي السعة لجميع أقراص الأعضاء. تتطلب مستويات مختلفة من خوارزميات RAID جزءًا كبيرًا من التكرار ، وترتبط النفقات العامة للسعة المحددة بالخوارزمية المعتمدة. إذا كانت خوارزمية RAID معروفة معروفة ، فيمكن حساب السعة المتاحة للغارة. عادة ، يكون استخدام قدرة RAID بين 50 ٪ و 90 ٪.
- الأداء العالي: يستفيد الأداء العالي من RAID من تقنية قطاع البيانات. يقتصر أداء الإدخال/الإخراج لقرص واحد على تقنيات الكمبيوتر مثل الواجهة وعرض النطاق الترددي ، وغالبًا ما يكون عنق الزجاجة لأداء النظام. من خلال شريط البيانات ، يوزع RAID البيانات I/O على كل قرص عضو ، وبالتالي الحصول على أداء I/O المجمعة أعلى عدة مرات من أقراص واحد.
- الموثوقية: التوافر والموثوقية هما ميزات مهمة أخرى من RAID. من الناحية النظرية ، يجب أن تكون موثوقية نظام RAID المكون من أقراص متعددة أسوأ من قرص واحد. هناك افتراض ضمني هنا: فشل قرص واحد سيؤدي إلى عدم توفر الغارة بأكملها. يستخدم RAID تقنيات تكرار البيانات مثل النسخ المتطابق والتكافؤ البيانات لكسر هذا الافتراض. تعتبر النسخ المتطابق تقنية التكرار الأكثر بدائية ، والتي تقوم بنسخ البيانات على مجموعة معينة من محركات الأقراص بشكل كامل إلى مجموعة أخرى من محركات الأقراص لضمان وجود نسخة بيانات دائمًا. بالمقارنة مع النفقات العامة المتكررة بنسبة 50 ٪ ، فإن تكافؤ البيانات أصغر بكثير ، ويستخدم المعلومات الزائدة عن الحاجة للتحقق من البيانات وتصحيحها. تعمل تقنية التكرار في RAID على تحسين توافر البيانات وموثوقيتها بشكل كبير ، وتضمن أنه عندما تفشل العديد من الأقراص ، لن تضيع البيانات ولن تتأثر التشغيل المستمر للنظام.
- الإدارة: في الواقع ، فإن RAID هي تقنية للمحاكاة الافتراضية التي تقوم بتطوير محركات أقراص فعلية متعددة في محرك منطقي كبير السعة. بالنسبة لنظام المضيف الخارجي ، يعد RAID محرك أقراص كبير وسريع وموثوق به. وبهذه الطريقة ، يمكن للمستخدمين تنظيم وتخزين بيانات نظام التطبيق على محرك الأقراص الافتراضي هذا. من منظور تطبيق المستخدم ، يمكن أن يجعل نظام التخزين بسيطًا وسهل الاستخدام والإدارة. نظرًا لأن RAID قد أكملت كمية كبيرة من أعمال إدارة التخزين داخليًا ، يحتاج المسؤول فقط إلى إدارة محرك أقراص افتراضي واحد ، والذي يمكن أن يوفر الكثير من أعمال الإدارة. يمكن لـ RAID إضافة أو حذف محركات الأقراص أو حذفها بشكل ديناميكي وإجراء التحقق من البيانات وإعادة بناء البيانات تلقائيًا ، والتي يمكن أن تبسيط أعمال الإدارة بشكل كبير.
باختصار ، تبرز RAID لسعةها الكبيرة ، والأداء العالي ، والموثوقية المعززة ، وقابلية الإدارة المبسطة. تجعل هذه المزايا حل تخزين لا غنى عنه عبر مجموعة واسعة من التطبيقات ، ويعتزم متطلبات البيانات المتزايدة لبيئات الحوسبة الحديثة مع ضمان تشغيل سلس وسلامة البيانات.
Shenzhen Innovative Cloud Computer Co., Ltd.
