مقدمة إلى اصطلاحات ومفاهيم RAID

تمهيد

من المهم أن تأخذ طريقة التخزين بعين الاعتبار عندما تضبط خادومًا، إذ أنَّ أغلبية المعلومات المهمة التي تهتمُ أنت ومستخدموك بها ستُكتَب في مرحلةً ما إلى وسيط تخزين للحصول عليها لاحقًا. ستستفيد من الأقراص المستقلة إذا كانت احتياجاتك بسيطة، لكن إن أردتَ الحصول على أداءٍ عالٍ أو ضمانٍ لعدم فقدان بياناتك، فعندئذٍ ستستفيد من تقنيات مثل RAID.
سنتحدث في هذا الدرس عن اصطلاحات RAID ومفاهيمها الشائعة، وسنناقش بعض ميزات (ومساوئ) استخدام مصفوفات RAID، وسنتحدث عن الاختلافات بين طرائق تنفيذ تقنية RAID.

ما هي مصفوفة RAID؟

ترمز الكلمة RAID إلى «Redundant Arrays of Independent Disks» وهي تعني «مصفوفة الأقراص التعويضية المستقلة»، أي استخدام عدِّة أقراص بأنماط مختلفة مما يمنح مدراء الأنظمة أداءً أفضل أو قدرةً تعويضيةً (ضد فشل الأقراص) مقارنةً بمجموعةٍ من الأقراص التي تعمل بمفردها. يمكن تطبيق RAID على الأقراص الخام أو على الأقسام الموجودة في قرصٍ ما.

متى يُفضَّل استخدام RAID؟

الفائدة الأساسية من مصفوفات RAID هي القدرة على تعويض فقدان البيانات والزيادة في الأداء.
القدرة التعويضية تعني زيادةً في إتاحية (availability) البيانات المخزنة، وهذا يعني أننا سنتمكن من الوصول إلى المعلومات المخزنة عند حدوث بعض الحالات مثل فشل أحد أقراص التخزين، وسيتمكن النظام من إكمال عمله إلى أن يُستبَدل القرص المعطوب. لكن هذا لا يعني أنَّ هذه هي آلية نسخ احتياطي (يجب أخذ نسخ احتياطية لمصفوفات RAID كغيرها من أنواع التخزين)، وإنما الغرض من هذه الآلية هو تقليل الانقطاعات عند حدوث مشكلة.
فائدةٌ أخرى رئيسيةٌ توفرها مصفوفات RAID في بعض الحالات هي الزيادة في الأداء، فعادةً ستكون سرعة الكتابة أو القراءة على وسائط التخزين محدودة (ومرتبطة) بسرعة الكتابة على قرصٍ وحيد، أما البيانات في مصفوفات RAID فهي إما موجودة نفسها في أكثر من قرص (redundant) أو موزعة على أكثر من قرص (distributed)، وهذا يعني أننا نستطيع استخدام عدِّة أقراص لكل عملية قراءة مما يزيد من كمية البيانات التي يمكن قراءتها في الثانية؛ ويمكن أيضًا تحسين سرعة عمليات الكتابة في بعض حالات الضبط التي يمكن فيها كتابة قسم من البيانات على كل قرص.
بعض الجوانب السلبية في مصفوفات RAID تتضمن زيادةً في تعقيد عملية الإدارة وعادةً تؤدي إلى إنقاص المساحة التخزينية المتوافرة. وهذا يعني تكاليف إضافية يجب دفعها للحصول على نفس مقدار المساحة التخزينية القابلة للاستخدام. هنالك مصاريف أخرى تتضمن استخدام قطع عتاديّة خاصة عندما لا تريد إدارة المصفوفة عبر أدواتٍ برمجيةٍ فقط.
إحدى السلبيات الأخرى للمصفوفات المضبوطة للحصول على أداءٍ عالٍ دون قدرة تعويضية هي الزيادة في احتمال فقدات البيانات، حيث تعتمد البيانات المخزنة على الأقراص في تلك الحالات على أكثر من وسيط تخزين وحيد، مما يزيد من احتمال فقدان البيانات نتيجة عطب في أحد الأقراص.

مصفوفات RAID التي تعتمد على العتاد، والتي تعتمد على البرمجيات، والتي تعتمد على البرمجيات بمساعدة العتاد

يمكن إنشاء وإدارة مصفوفات RAID بمختلف التقنيات. وهي:

مصفوفات RAID التي تعتمد على العتاد

هنالك قطعٌ عتاديةٌ مخصصة تسمى «متحكمات RAID» ‏(RAID controllers) أو «بطاقات RAID» ‏(RAID cards) يمكن أن تستعمل لإعداد وإدارة مصفوفات RAID بمعزل عن نظام التشغيل، وهذا معروفٌ بالمصطلح «hardware RAID». تملك متحكمات RAID العتادية معالجًا منفصلًا لإدارة أجهزة RAID.
لمصفوفات RAID التي تعتمد على العتاد عدِّة ميزات، نذكر منها:

• الأداء: متحكمات RAID العتادية (الحقيقة) لا تأخذ من وقت المعالج لإدارة الأقراص الموجودة ضمن المصفوفة. وهذا يعني أنَّك لن تُسبِّب تقليل أداء الخادوم لإدارة أجهزة التخزين. توفِّر المتحكمات ذات الجودة العالية تخزينًا مؤقتًا كبيرًا وله أثرٌ كبيرٌ على الأداء.
• إخفاء تعقيدات المصفوفة: ميزة أخرى لاستخدام متحكمات RAID هي أنَّها تخفي طريقة ترتيب الأقراص وإدارتها عن نظام التشغيل، حيث ستُمثِّل متحكماتُ RAID المصفوفةَ على أنها وحدة تخزينٍ منطقيةٍ وحيدةٍ. وليس من الضروري أن يفهم نظام التشغيل طريقة ترتيب مصفوفة RAID؛ إذ أنَّه سيتعامل مع كامل المصفوفة على أنها قرصٌ وحيدٌ.
• سيُتاح استخدام المصفوفة عند الإقلاع: بسبب أنَّ المصفوفة مدارة بشكلٍ كامل عتاديًا دون تدخل البرمجيات، فهذا يعني أنها متاحة الاستخدام عند الإقلاع، مما يسمح بإنشاء نظام الملفات الرئيسي (الذي سيُثبَّت داخله نظام التشغيل) داخل مصفوفة RAID.
  لكن هنالك بعض السلبيات لمصفوفات RAID التي تعتمد على العتاد:
• احتكار الشركات: لأن مصفوفات RAID العتادية مدارةٌ من برمجيات تجارية موجودة داخل العتاد، فهذا يعني أنَّنا يجب أن نستعمل المصفوفة مع نوع العتاد الذي أنشأها فقط؛ فلو تعطل متحكم RAID، ففي أغلب الحالات يجب أن نضع شريحة مماثلة أو شريحة متوافقة مع الشريحة القديمة بدلًا عنه. يَنصح بعض مدراء الأنظمة بشراء أكثر من متحكم RAID من نفس النوع كاحتياطٍ في حال حدثت مشكلة.
• الكلفة العالية: متحكمات RAID ذات الجودة العالية تكون ذات سعر مرتفع عادةً.

مصفوفات RAID التي تعتمد على البرمجيات

يمكن أيضًا ضبط RAID داخل نظام التشغيل نفسه. ولأنَّ العلاقة بين الأقراص ستُعرَّف وتُضبَط داخل نظام التشغيل عوضًا عن استخدام جهاز عتادية منفصل، فستسمى تلك المصفوفات بمصفوفات «software RAID».
بعض ميزات مصفوفات RAID البرمجية:

• المرونة: لمّا كانت مصفوفات RAID التي تعتمد على البرمجيات تُدار داخل نظام التشغيل، فيمكن بسهولة ضبط أجهزة التخزين المتاحة دون تغيير شيء في ضبط العتاد. عملية إنشاء مصفوفات RAID في لينكس هي عملية مرنة للغاية، حيث يُسمَح بضبط مختلف أنواع ومستويات RAID.
• مفتوحة المصدر: البرمجيات التي نستعملها لضبط مصفوفات RAID في الأنظمة مفتوحة المصدر مثل لينكس و FreeBSD هي برمجيات مفتوحة المصدر أيضًا، وضبط المصفوفات متاحٌ لك وغير مخفي، ويمكن بكل سهولة قراءته وتطبيقه على أنظمة أخرى. فمثلًا، إذا كانت لدينا مصفوفة RAID أنشأناها على نظام أوبنتو، فسنتمكن ببساطة من نقلها إلى خادوم CentOS لاحقًا. هنالك احتمالٌ ضئيلٌ في أنَّك ستفقد الوصول إلى بياناتك بسبب بعض الاختلافات بين البرمجيات.
• لا توجد تكلفة إضافية: لا يتطلب إنشاء مصفوفات RAID برمجية أيّة قطع عتادية خاصة، لذا لن تكون هنالك تكلفة إضافية على خادومك عند استخدامها.
  بعض سلبيات استخدام مصفوفات RAID البرمجية:
• التبعية للبرمجيات: صحيحٌ أنَّ مصفوفات RAID البرمجية غير مرتبطة بعتاد معيّن، لكن عادةً سترتبط ببرمجية معيّنة التي أنشأتها فيها. فمثلًا يستخدم لينُكس mdadm بينما FreeBSD يستعمل مصفوفات RAID مبنية على GEOM، ولنظام ويندوز له نسخةٌ خاصةٌ به من البرمجيات التي تُتيح إنشاء مصفوفات RAID برمجية. وعلى الرغم من أنَّ مختلف نسخ البرمجيات المفتوحة المصدر يمكن أن تُصدِّر ضبطها فيما بينهما، إلا أنَّه لا يحتمل أن تتوافق الصيغة نفسها مع بقية برمجيات RAID.
• مشاكل في الأداء: قديمًا كانوا ينتقدون مصفوفات RAID البرمجية لأنها تُسبِّب بحملٍ إضافيٍ على النظام. فسيُستعمَل المعالج المركزي والذاكرة لإدارة المصفوفة، والتي كانت يمكن أن تُستعمَل لأمورٍ أخرى. لكن البرمجيات مثل mdadm التي تعمل على عتادٍ حديث قد أطاحت بهذا المخاوف، أي أنَّ استعمال المعالج يكون أصغريًا في أغلبية الحالات ولا نأخذه بعين الاعتبار.

مصفوفات RAID التي تعتمد على البرمجيات بمساعدة العتاد

النوع الثالث من مصفوفات RAID يدعى «hardware-assisted software RAID» أو «firmware RAID» أو «fake RAID». عمومًا يوفر هذا النوع ميزات RAID بتضمينه داخل اللوحة الأم أو عبر بطاقات RAID رخيصة الثمن. يتم تطبيق هذا النوع من المصفوفات عبر استخدام برمجيات على المتحكم أو البطاقة لإدارة مصفوفة RAID، لكنه يستخدم وحدة المعالجة المركزية لتشغيل تلك البرمجيات.
ميزات هذا النوع من المصفوفات:

• دعم إقلاع أكثر من نظام تشغيل: وذلك لأنَّ مصفوفة RAID ستعمل عند الإقلاع، لذا يمكن استخدام أكثر من نظام تشغيل للمصفوفة، وهذا غير ممكن إذا استعملنا مصفوفات RAID برمجية.
  من سلبياتها:

• دعم محدود لمستويات RAID: عادةً تدعم RAID 0 أو RAID 1 فقط.

• تتطلب عتادًا خاصًا: مثل مصفوفات RAID العتادية، هذا النوع مقيدٌ بالعتاد الذي أنشأه ويديره، وهذه مشكلة كبيرة في حال كان موجودًا ضمن اللوحة الأم، فلو فشل متحكم RAID أو تعطل، فهذا يعني أنَّ عليك استبدال اللوحة الأم كلها لكي تستطيع الوصول مرةً أخرى إلى بياناتك.
• مشاكل في الأداء: مثل مصفوفات RAID العتادية، لا يوجد هنا معالج خاص بإدارة RAID، ويجب أن يتشارك المتحكم مع نظام التشغيل باستخدام المعالج المركزي.
  أغلبية مدراء الأنظمة يبقون بعيدين عن هذا النوع من مصفوفات RAID، لأنها تعاني من اجتماع مشاكل النوعَين الآخرَين.

الاصطلاحات المستخدمة عند الحديث عن مصفوفات RAID

سيساعدك التعرف على بعض هذه الاصطلاحات على فهم RAID بشكل أفضل. هذه بعض المصطلحات الشائعة التي قد تصادفك:

• مستوى RAID ‏(RAID level): يشير «مستوى RAID» إلى العلاقة التي تجمع أجهزة التخزين. يمكن ضبط الأقراص بعدِّة طرائق، مما يؤدي إلى خصائص مختلفة للتعويض وللأداء.
• التوزيع (Striping): «التوزيع» هو عملية تقسيم البيانات المكتوبة على المصفوفة إلى أكثر من قرص. تُستخدَم هذه التقنية من مختلف مستويات RAID. عندما توزَّع البيانات على المصفوفة، فستُقسَّم إلى أجزاء صغيرة، ثم يكُتَب كل جزء إلى قرص واحد أو أكثر من الأقراص المُشكِّلة للمصفوفة.
• حجم الجزء (Chunk Size): عند توزيع البيانات، سيُحدِّد «حجم الجزء» مقدار البيانات التي سيحتوي كل جزء عليها. وتعديل حجم الجزء ليُطابِق خصائص الدخل والخرج التي تتوقعها قد يساعد في زيادة أداء المصفوفة.
• آلية تعادل القيمة (Parity): هذه آلية يتم إنجازها عبر حساب المعلومات من كتل البيانات (data blocks) المكتوبة إلى المصفوفة. وقد تستخدم معلومات parity لإعادة بناء البيانات إذا فشل أحد الأقراص. قد توضع معلومات parity في قرص منفصل عن الأقراص التي تحتوي البيانات التي تُحسَب بيانات parity منها، وتوزَّع في أغلبية حالات الضبط على عدِّة أجهزة للمقدرة على تعويض فشل أحد الأقراص ولزيادة الأداء.
• مصفوفات ذات الحالة المخفَّضة (Degraded Arrays): يمكن أن تعاني المصفوفات التي لها قدرة تعويضية (redundancy) أنواعًا مختلفةً من فشل الأقراص دون خسارة البيانات. فعندما تخسر المصفوفة قرصًا لكنها تستطيع إكمال عملها، فيُقال أنَّها أصبحت «بحالة مُخفَّضة» (degraded mode). يمكن إعادة بناء المصفوفات ذات الحالة المخفَّضة لترجع كما كانت بعد استبدال القرص المعطوب، لكنها قد تعاني من أداءٍ منخفض أثناء تلك الفترة.
• إعادة المزامنة (Resilvering أو Resyncing): «إعادة المزامنة» هو المصطلح المستخدم لإعادة بناء مصفوفة ذات الحالة المخفَّضة. واعتمادًا على ضبط RAID ونوع الفشل، سنتمكن من إجراء عملية إعادة المزامنة إما بنسخ البيانات من الملفات الموجودة في المصفوفة، أو عبر حساب البيانات باستخدام معلومات parity‏ (parity information).
• المصفوفات المتشعبة (Nested Arrays): يمكن دمج مجموعات من مصفوفات RAID في مصفوفات أكبر. ونفعل ذلك عادةً للاستفادة من ميزات مستويي RAID أو أكثر. عادةً تُستخدَم المصفوفات ذات القدرة التعويضية (مثل RAID 1 أو RAID 5) كمكونات لإنشاء مصفوفة RAID 0 لزيادة الأداء.
• الامتداد (Span): للأسف، مصطلح «الامتداد» له معانٍ مختلفة عندما نتحدث عن المصفوفات.
  ..- في سياقات معيّنة، «الامتداد» يعني وصل قرصين أو أكثر مع بعضهما لتمثيلهما كجهاز منطقي وحيد، بدون تحسين في الأداء أو القدرة التعويضية. وهذا يُعرَف أيضًا بالترتيب الخطي (linear arrangement) عند التعامل مع برمجية mdadm في لينكس.
  ..- يمكن أن يشير «الامتداد» إلى المصفوفات التي تُجمَّع مع بعضها لإنشاء مستوى جديد من مستويات RAID وذلك في المصفوفات المتشعبة، مثل المصفوفات من المستوى RAID 10 (أي RAID 1+0).
• التحقق (Scrubbing أو Checking): هي عملية قراءة كل كتلة في المصفوفة للتأكد من عدم وجود أخطاء. وهذا يساعد في التأكد من أنَّ البيانات متماثلة في أكثر من وسيط تخزين، وسيمنع ذلك من حدوث أخطاء قد تؤدي إلى تلف في البيانات، وخصوصًا خلال العمليات الحساسة مثل إعادة بناء المصفوفة.
  ترجمة -وبتصرّف- للمقال An Introduction to RAID Terminology and Concepts لصاحبه Justin Ellingwood