مقدمة إلى مستويات RAID

تُحدِّد خصائص مصفوفات RAID بطريقة الضبط والعلاقة بين الأقراص، وهذا يُسمى «مستوى RAID» ‏(RAID level). أكثر مستويات RAID شيوعًا هي:

RAID 0

يدمج مستوى RAID 0 بين جهازين أو أكثر عبر توزيع البيانات عليها، وكما ذكرنا في الدرس السابق (مقدمة إلى اصطلاحات ومفاهيم RAID
) ، التوزيع (striping) هو الآلية التي تُقسِّم البيانات إلى أجزاء (chunks) ثم تكتب تلك الأجزاء بشكلٍ تناوبي على كل قرص في المصفوفة. الفائدة من اتباع هذه الطريقة هي أنَّ البيانات موزَّعة، ويمكن الاستفادة من كل قرص لإجراء عمليات القراءة والكتابة؛ وبالتالي سيكون الأداء النظري لمصفوفة RAID 0 هو حاصل ضرب أداء أحد الأقراص بالعدد الكلي لها (الأداء العملي والحقيقي سيكون أقل من ذلك). ميزة أخرى هي أنَّ المساحة القابلة للاستخدام من المصفوفة هي مجموع مساحات الأقراص المُشكِّلة لها.
صحيحٌ أنَّ هذا المستوى يوفِّر أداءً رائعًا، إلا أنَّه يعاني من سلبيات ذات أهمية كبيرة. فلمّا كانت البيانات ستُقسَّم بين عدد من الأقراص في المصفوفة، فإن فشل أحد الأجهزة سيؤدي إلى توقف كامل المصفوفة عن العمل وستفقد جميع البيانات. وعلى النقيض من معظم مستويات RAID الأخرى، لا نستطيع إعادة بناء مصفوفات RAID 0، إذ لا توجد مجموعة من الأقراص التي تحتوي معلومات كافية عن محتوى المصفوفة للمساعدة في إعادة بنائها. إذا كنتَ ستستخدم مصفوفات RAID 0، فسيصبح أخذ نسخ احتياطية أمرًا شديد الأهمية، حيث ستفشل المصفوفة في حال فشل أحد الأقراص المكوِّنة لها.

RAID 1

مستوى RAID 1 هو المستوى الذي يُنشِئ نسخةً انعكاسيةً بين جهازَين أو أكثر. أي أنَّ كل المعلومات التي تُكتَب على المصفوفة ستُكتَب بدورها مرتين في كلا القرصين المشكلَين للمجموعة. وهذا يعني أنَّ كل قرص سيحتوي على كامل البيانات الموجودة في المصفوفة، وهذا يوفِّر قدرةً تعويضيةً (redundancy) في حال فشل أحد الأقراص. ستتمكن من الوصول إلى بياناتك في مصفوفات RAID 1 في حال بقي قرصٌ وحيدٌ في المصفوفة سليمًا ويعمل دون مشاكل، ويمكن إعادة بناء المصفوفة باستبدال الأقراص التالفة، ومن ثم ستُستخدَم بقية الأقراص السليمة لنسخ البيانات إلى القرص الجديد.
هنالك بعض المساوئ لهذا الضبط، فسرعة القراءة النظرية –كما في مستوى RAID 0– يمكن أن تُحسَب بضرب سرعة القراءة لأحد الأقراص بعددها. لكن سرعة الكتابة النظرية القصوى هي سرعة أبطأ قرص في المصفوفة، وذلك لأنَّ كل البيانات يجب أن تُكتَب على كل قرص في المصفوفة. إضافةً إلى ما سبق، المساحة التخزينية الكلية للمصفوفة ستكون مساويةً لمساحة أصغر قرص، لذا إذا كانت لدينا مصفوفة RAID 1 فيها قرصين لهما نفس القدرة التخزينية، فستكون القدرة التخزينية الإجمالية للمصفوفة مساوية لمساحة أحدهما. وإضافة أقراص أخرى سيزيد من عدد النسخ التعويضية للبيانات، ولن يزيد في المساحة المتوافرة.

RAID 5

يملك RAID 5 بعض ميزات مستويي RAID السابقَين، لكن له أداءٌ مختلفٌ وسلبياتٌ مختلفة. ففي مستوى RAID 5، ستوزَّع البيانات على الأقراص بنفس الطريقة التي يتبعها المستوى RAID 0، لكن لكل جزء من البيانات التي تُكتَب على المصفوفة فستُكتَب معلومات parity على أحد الأقراص، والتي هي قيمةٌ محسوبةٌ رياضيًا التي تُستخدَم لتصحيح الأخطاء وإعادة بناء معلومات المصفوفة. سيتم تغيير القرص الذي سيستلم معلومات parity المحسوبة (بدلًا من البيانات الحقيقية) بعد كتابة كل جزء من البيانات.
لهذا المستوى بعض المزيات المهمة. فمثل بقية المستويات التي توزِّع البيانات على أكثر من قرص، فإن أداء القراءة سيزداد نتيجةً للقدرة على القراءة من عدِّة أقراص معًا. ويمكن لمصفوفات RAID 5 أن تعمل حتى لو فشل أحد الأقراص في المصفوفة. حيث ستسمح معلومات parity بإكمال إعادة بناء البيانات إن حدث ذلك؛ وذلك لأنَّ معلومات parity موزعة (بعض مستويات RAID الأقل شيوعًا تستخدم قرصًا مخصصًا لمعلومات parity)، حيث يملك كل قرصٍ قدرًا متساويًا من معلومات parity. وصحيحٌ أنَّ المساحة التخزينية القابلة للاستخدام في مصفوفات RAID 1 مساوية لمساحة أحد الأقراص (وذلك لأنَّ جميع الأقراص فيها نسخ متماثلة من البيانات)، لكن في RAID 5، يمكن تحقيق القدرة التعويضية بالاستغناء عن المساحة التخزينية لقرصٍ وحيد، فمثلًا إذا كان لدينا أربعة أقراص 100G في مصفوفة RAID 5 فسينتج عنها مساحة تخزينية تساوي 300G (أما 100G الضائعة فستُستَخدم لتخزين معلومات parity).
وكما في المستويات الأخرى، هنالك سلبياتٌ لمصفوفات RAID 5 التي يجب أخذها بعين الاعتبار. فقد تؤدي إلى تقليل أداء النظام نتيجةً لحساب معلومات parity ديناميكيًا طوال الوقت، وهذا قد يؤثر على الأداء عند كل عملية كتابة على المصفوفة. وإذا فشل أحد الأقراص في المصفوفة وأصبحت المصفوفة ذات حالة منخفضة، فسيؤدي ذلك أيضًا إلى بطئ شديد عند القراءة منها (لأنَّ البيانات الناقصة ستُحسَب من بقية الأقراص). بالإضافة إلى ذلك، عند محاولة إصلاح المصفوفة بعد استبدال القرص التالف، فيجب قراءة كل قرص بأكمله واستخدام المعالج لحساب البيانات الناقصة لإعادة بناء المصفوفة. وهذا قد يُجهِد بقية الأقراص، مما يؤدي أحيانًا إلى فشلٍ إضافيٍ في أحد الأقراص، مما يؤدي في النهاية إلى فقدان البيانات.

RAID 6

يَستخدم مستوى RAID 6 بنيةً قريبةً من مستوى RAID 5، لكن مع مضاعفة كمية معلومات parity. هذا يعني أنَّ المصفوفة ستصمد حتى لو حدث عطب بقرصين. وهذه ميزة مهمة جدًا لزيادة احتمال حدوث عطب آخر أثناء عملية إعادة بناء المصفوفة عند حدوث خطأ. وفي هذا المستوى –كغيره من المستويات التي تستخدم التوزيع– سيكون أداء القراءة جيد إجمالًا. وجميع ميزات RAID 5 تنطبق أيضًا على RAID 6.
أما مساوئ هذا المستوى، فهي استخدام مساحة تخزينية أكبر لمعلومات parity، وهذا يعني أنَّ المساحة الإجمالية للمصفوفة هي مجموع مساحات جميع الأقراص المكوِّنة لها منقوصًا منها مساحة قرصين. إضافةً إلى أنَّ العمليات الحسابية اللازمة لإنشاء معلومات parity لمستوى RAID 6 أكثر تعقيدًا من RAID 5، مما يعني أداءً أسوأ للكتابة مقارنةً مع RAID 5. يعاني مستوى RAID 6 من نفس المشاكل التي تحدث في RAID 5 عندما تصبح المصفوفة بحالة منخفضة، لكن وجود قرص إضافي للتعويض سيقل احتمال حدوث مشاكل إضافية تؤدي إلى حذف جميع البيانات عند عمليات إعادة البناء.

RAID 10

يمكن تطبيق مستوى RAID 10 بعدِّة طرائق، والتي ستؤثِّر على خصائصه:

مستويا 1 و 0 متشعبان

تقليديًا، يُشير مستوى RAID 10 إلى مستوى متشعب، والذي يُنشَأ بضبط مصفوفتَي RAID 1 أو أكثر أولًا، ثم استخدام تلك المصفوفات كمكونات لإنشاء مصفوفة RAID 0 موزّعة. ويدعى هذا المستوى حاليًا أحيانًا باسم RAID 1+0 للإشارة إلى هذه العلاقة. وبسبب تصميم هذا المستوى، فإن العدد الأدنى للأقراص هو أربعة وذلك لإنشاء مصفوفة RAID 1+0 (أي مستوى RAID 0 يستعمل مصفوفتَي RAID 1 تتألف كلٌ منهما على قرصين).
تملك مصفوفات RAID 1+0 أداءً عاليًا شبيهًا بمصفوفات RAID 0، لكن بدلًا من الاعتماد على أقراص مفردة لتوزيع البيانات، فسيتم استخدام مصفوفة منسوخة نسخًا انعكاسيًا (mirrored array)، مما يعني توفير قدرة تعويضية. يمكن أن يتحمل هذا النوع من الضبط أيّة أخطاء ومشاكل في الأقراص لطالما بقي قرصٌ وحيدٌ يعمل في كل مصفوفة RAID 1 مُشكِّلة للمصفوفة النهائية. يمكن أن يتحمل هذا المستوى عددًا مختلفًا من المشاكل اعتمادًا على مكان وقوعها.
ولأنَّ مصفوفات RAID 1+0 توفِّر أداءً عاليًا وقدرةً تعويضيةً، فهي خيارٌ ممتازٌ إن لم تكن مقيدًا بعددٍ معيّنٍ من الأقراص.

RAID 10 عبر mdadm

لدى برمجية mdadm في لينكس نسخةٌ خاصةٌ بها من RAID 10، والتي تحمل نفس فوائد RAID 1+0 لكن تُغيّر في طريقة تنفيذها لكي تكون مرنةً أكثر وتوفِّر ميزاتٍ إضافيةٍ.
وكما في مستوى RAID 1+0، مستوى RAID 10 في mdadm يسمح بتوزيع البيانات ونسخها أكثر من مرة. لكن الأقراص لن تُرتَّب كمجموعتَين منسوختين نسخًا انعكاسيًا، وإنما سيقرِّر مدير النظام عدد النسخ التي ستُكتَب على المصفوفة. ستُجزَّأ البيانات وتُكتَب على المصفوفة بأكثر من نسخة، مع الحرص على أن تُكتَب كل نسخة من البيانات على قرصٍ فيزيائيٍ منفصل. والنتيجة النهائية هو وجود نفس العدد من النسخ، لكن طريقة بناء المصفوفة تختلف (أي لن يكون فيها «تشعب»).
هذا الضبط لمستوى RAID 10 له ميزات تجعله متفوقًا عن RAID 1+0، فلأنه لا يعتمد على تشعّب المصفوفات فذلك يعني أننا نستطيع استخدام رقم فردي من الأقراص ويمكن أيضًا تقليل عدد الأقراص الأدنى (ليصبح 3 فقط). يمكن أيضًا ضبط عدد النسخ. وستصبح الإدارة أبسط لأنك ستحتاج إلى إدارة مصفوفة وحيدة، ويمكنك استخدام أقراص بديلة (كقطع غيار) لكامل المصفوفة، بدلًا من إمكانية استخدامها لمصفوفة متشعبة وحيدة.

الخلاصة

أكثر مستوى من مستويات RAID يناسب خادومك يعتمد تمامًا على حالات استخدامك له وعلى هدفك من المصفوفة. التكلفة والقيود التي يضعها العتاد سيؤثران أيضًا على عملية تقرير مستوى RAID المناسب.
ترجمة -وبتصرّف- للمقال An Introduction to RAID Terminology and Concepts لصاحبه Justin Ellingwood