تم اقتراح RAID (مجموعة متكررة من الأقراص المستقلة) ، والمعروفة في الأصل باسم مجموعة متكررة من الأقراص غير المكلفة ، لأول مرة من قبل البروفيسور دي.بيركلي في ورقة "حالة من المجموعة الزائدة من الأقراص غير مكلفة" في عام 1988في ذلك الوقت، كانت الأقراص ذات السعة الكبيرة مكلفة، لذلك كانت الفكرة الأساسية لـ RAID هي الجمع بين العديد من الأقراص ذات السعة الصغيرة والرخصة نسبياً للحصول على السعة،الأداء والموثوقية مماثلة للأقراص الكبيرة السعة باهظة الثمن بتكلفة أقلمع استمرار انخفاض تكلفة وسعر الأقراص، أصبح مصطلح "غير مكلف" بلا معنى، وقرر مجلس الاستشارات RAID (RAB) استبدال "غير مكلف" بـ "مستقل".

تم اعتماد فكرة تصميم RAID هذه بسرعة من قبل الصناعة. وقد تم تطبيق تقنية RAID على نطاق واسع ، باعتبارها تقنية تخزين عالية الأداء وموثوقية للغاية. يستخدم RAID بشكل رئيسي تنزيل البيانات ،تقنيات التمثيل وتكافؤ البيانات لتحقيق أداء عال، والموثوقية، وتحمل الأخطاء والقدرة على التوسع. وفقا للاستراتيجيات والهندسة المعمارية لاستخدام أو الجمع بين هذه التقنيات الثلاثة،يمكن تقسيم RAID إلى مستويات مختلفة لتلبية احتياجات تطبيقات بيانات مختلفةتم تعريف مستويات RAID الأصلية RAID1-RAID5 في ورقة من قبل D. A. Patterson et al. ، وتم توسيع RAID0 و RAID6 منذ عام 1988.وقد قدم البائعون التخزين باستمرار مستويات RAID مثل RAID7، RAID10/01 ، RAID50 ، RAID53 و RAID100 ، ولكن لا يوجد معيار موحد. في الوقت الحالي ، فإن المعايير المعترف بها في الصناعة هي RAID0-RAID5 ،وقد تم تعيين المستويات الأربعة باستثناء RAID2 كمعايير صناعيةمستويات RAID الأكثر استخداما في مجال التطبيق الفعلي هي RAID0، RAID1، RAID3، RAID5، RAID6 و RAID10.

من منظور التنفيذ ، يتم تقسيم RAID بشكل رئيسي إلى ثلاثة أنواع: RAID البرمجيات ، RAID الأجهزة و RAID الهجينة.يتم إكمال جميع الوظائف من قبل نظام التشغيل و CPU، وليس هناك رقاقة تحكم / معالجة RAID مستقلة ورقاقة معالجة I / O ، لذلك تكون الكفاءة أقل.يتم تجهيز RAID الألياف بشريحة خاصة RAID للسيطرة / المعالجة وشريحة معالجة I / O بالإضافة إلى خزنة صفيحة، ولا يشغل موارد وحدة المعالجة المركزية، ولكن التكلفة مرتفعة جدا. الـ RAID الهجينة لديها رقاقة تحكم / معالجة RAID ولكنها تفتقر إلى رقاقة معالجة I / O ، وتحتاج إلى برامج وحدة المعالجة المركزية وبرامج التشغيل لإكمال ،وأدائها وتكاليفها هي بين البرمجيات RAID والبرمجيات RAID.

كل مستوى RAID يمثل طريقة وتنفيذ وتكنولوجيا، ولا يوجد تمييز بين المستويات العالية والمنخفضة.يجب اختيار مستوى RAID المناسب وطريقة التنفيذ المحددة وفقًا لخصائص تطبيقات بيانات المستخدم، ويجب النظر بشكل شامل في التوافر والأداء والتكلفة.

المبادئ الأساسية

RAID ، وهي مجموعة متكررة من الأقراص المستقلة ، عادة ما تُختصر باسم مجموعة الأقراص. باختصار ، RAID هو نظام فرعي للأقراص يتكون من محركات أقراص عالية الأداء متعددة المستقلة ،الذي يوفر أداء تخزين أعلى وتكنولوجيا إعادة توزيع البيانات من قرص واحد. RAID هي تقنية إدارة متعددة الأقراص توفر فعالية من حيث التكلفة وموثوقية البيانات العالية وتخزين عالية الأداء للبيئة المضيفة. تعريف RAID من قبل SNIA هو:مجموعة أقراص تستخدم فيها جزء من مساحة التخزين المادية لتسجيل المعلومات الزائدة من بيانات المستخدم المخزنة في المساحة المتبقية. عندما يفشل مسار القرص أو الوصول ، يمكن استخدام المعلومات الزائدة لإعادة بناء بيانات المستخدم. على الرغم من أن تشطيب القرص لا يتوافق مع تعريف RAID ،عادة ما يطلق عليها أيضاً RAID (i(مثل RAID0)

كانت النية الأصلية لـ RAID هي توفير وظائف تخزين عالية الجودة وأمن البيانات الزائدة للخوادم الكبيرة.يعتبر RAID مساحة تخزين تتكون من قرصين أو أكثر، وتحسن أداء الإدخال / الإخراج لنظام التخزين من خلال قراءة البيانات وكتابتها على أقراص متعددة في وقت واحد. معظم مستويات RAID لديها تدابير كاملة للتحقق من البيانات وتصحيحها ،وحتى أساليب التمثيل، والتي تعزز إلى حد كبير موثوقية النظام، وهذا هو المكان الذي يأتي "الاضافية".

هنا نحن بحاجة إلى ذكر JBOD (فقط مجموعة من الأقراص). في البداية، تم استخدام JBOD لتمثيل مجموعة من الأقراص دون برنامج التحكم لتوفير التحكم المنسق،الذي هو العامل الرئيسي الذي يميز RAID من JBODفي الوقت الحاضر ، يشير JBOD غالبًا إلى حجرة القرص ، بغض النظر عما إذا كان يوفر وظيفة RAID أم لا.

الهدفين الرئيسيين لـ RAID هما تحسين موثوقية البيانات وأداء الإدخال / الإخراج. في صفحة القرص ، يتم تشتيت البيانات بين أقراص متعددة ، ولكن لنظام الكمبيوتر ،يبدو وكأنه قرص واحديتم تحقيق الازدحام عن طريق كتابة البيانات نفسها إلى أقراص متعددة (عادة المرآة) أو كتابة بيانات التكافؤ المحسوبة في صف ،بحيث لا يكون فقدان البيانات عندما فشل القرص الواحدبعض مستويات RAID تسمح لعدد أكبر من الأقراص بالفشل في نفس الوقت ، مثل RAID6 ، حيث يمكن أن تتلف أقراصان في نفس الوقت. في ظل آلية الازدحام هذه ، يمكن أن يتم تحديد عدد الأقراص التي يمكن أن تتلف في نفس الوقت.يمكن استبدال القرص الفاشل بقرص جديد، و RAID سوف تعيد بناء البيانات المفقودة تلقائيًا وفقًا للبيانات وبيانات التكافؤ في الأقراص المتبقية لضمان اتساق البيانات وسلامتها.يتم بث البيانات وتخزينها على العديد من الأقراص المختلفة في RAID، وقراءة البيانات المشتركة وكتابتها أفضل بكثير من القرص الواحد، لذلك يمكن الحصول على نطاق نطاق النطاق الإدخالي / الخارجي الأكبر.سيقلل تصنيف القرص من إجمالي مساحة التخزين المتاحة لجميع الأقراصعلى سبيل المثال، استغلال مساحة التخزين في RAID1 هو 50٪ فقط، وسوف يفقد RAID5 سعة تخزين قرص واحد،واستخدام المساحة هو (n-1) /n.

يمكن أن يضمن صف من الأقراص 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 صفوف القرص عند إضافة أو حذف القرص،بينما يدعم البعض التبادل الحار، مما يسمح باستبدال محركات الأقراص دون إيقاف التشغيل. يتم استخدام هذا المصفوفة الأقراص الراقية أساسا في أنظمة التطبيقات مع متطلبات عالية للموثوقية،و لا يمكن إيقاف تشغيل النظام أو يجب أن يكون وقت الإيقاف أقصر ما يمكنبشكل عام ، لا يمكن أن يحل RAID محل نسخة احتياطية للبيانات. إنه عاجز عن فقدان البيانات الناجمة عن فشل غير القرص ، مثل الفيروسات ، والدمار البشري ، والحذف العرضي ، إلخ. في هذا الوقت ،فقدان البيانات نسبي لنظام التشغيل، نظام الملفات، مدير الحجم أو نظام التطبيقات. بالنسبة لنظام RAID نفسه، تكون البيانات سليمة ولم يحدث أي فقدان. لذلك، نسخة احتياطية من البياناتتعافي الكوارث وغيرها من تدابير حماية البيانات ضرورية للغاية، والتي تكمل RAID وتحمي أمن البيانات على مستويات مختلفة لمنع فقدان البيانات.

هناك ثلاثة مفاهيم وتقنيات رئيسية في RAID: التعكس ، وقطاع البيانات وتكافؤ البيانات. تعكس نسخ البيانات إلى أقراص متعددة. من ناحية ، يمكن أن يحسن من الموثوقية ،ومن ناحية أخرى، فإنه يمكن قراءة البيانات من نسختين أو أكثر في وقت واحد لتحسين أداء القراءة. من الواضح أن أداء الكتابة من المرآة أقل قليلا،ويستغرق وقتا أطول لضمان أن يتم كتابة البيانات بشكل صحيح إلى أقراص متعددةتخزن قطاعات البيانات على أقراص متعددة مختلفة، وتشكل قطاعات البيانات المتعددة معا نسخة كاملة للبيانات،والذي يختلف عن النسخ المتعددة للمرآة ويستخدم عادةً للاعتبارات المتعلقة بالأداءيحتوي تسريحة البيانات على نسبة أكبر من التكافؤ. عند الوصول إلى البيانات، فمن الممكن قراءة وكتابة البيانات على أقراص مختلفة في نفس الوقت.وبالتالي الحصول على تحسين كبير جدا في أداء الإدخال / الإخراج. تستخدم تعادل البيانات بيانات زائدة للكشف عن أخطاء البيانات وإصلاحها. عادة ما يتم حساب البيانات الزائدة عن طريق خوارزميات مثل رمز هامينغ وتشغيل XOR.استخدام وظيفة التكافؤ يمكن أن تحسن إلى حد كبير موثوقيةمع ذلك ، تحتاج تكافؤ البيانات إلى قراءة البيانات من أماكن متعددة وإجراء حسابات ومقارنات ، مما سيؤثر على أداء النظام.تتبنى مستويات مختلفة من RAID واحدة أو أكثر من التقنيات الثلاثة المذكورة أعلاه للحصول على موثوقية بيانات مختلفة، التوافر وأداء الإدخال / الإخراج. بالنسبة إلى نوع RAID (حتى المستويات أو الأنواع الجديدة) لتصميم أو أي وضع RAID لاعتماده،من الضروري اتخاذ خيار معقول بناء على فرضية فهم متطلبات النظام بعمق وتقييم موثوقيتها بشكل شامل، الأداء والتكلفة لاتخاذ خيار التسوية.

مزايا RAID

• القدرة الكبيرة: هذه ميزة واضحة من RAID. فإنه يوسع سعة القرص، ونظام RAID المكون من أقراص متعددة لديها مساحة تخزين ضخمة. الآن سعة قرص واحد يمكن أن تصل إلى أكثر من 1TB،حتى يتمكن سعة تخزين RAID من الوصول إلى مستوى PB، ويمكن تلبية معظم متطلبات التخزين. بشكل عام ، تكون السعة المتاحة لـ RAID أقل من إجمالي سعة جميع الأقراص الأعضاء.تتطلب المستويات المختلفة من خوارزميات RAID تكلفة إضافية معينة، وتتعلق تكاليف السعة المحددة بالخوارزمية المعتمدة. إذا كانت خوارزمية RAID والقدرة معروفة ، فيمكن حساب القدرة المتاحة لـ RAID. عادةً ،استغلال الطاقة من RAID بين 50% و 90%.

• أداء عالي: تستفيد الأداء العالي لـ RAID من تقنية تسريب البيانات. يتم تقييد أداء I / O لقرص واحد من خلال تقنيات الكمبيوتر مثل الواجهة وعرض النطاق الترددي ،وغالبا ما تكون خنقا في أداء النظاممن خلال تشذيب البيانات ، يقوم RAID بتوزيع بيانات الإدخال / الإخراج إلى كل قرص عضو ، وبالتالي الحصول على أداء الإدخال / الإخراج المجمع الذي يزيد عدة مرات عن أداء قرص واحد.

• الموثوقية: التوافر والموثوقية هي ميزات مهمة أخرى لـ RAID. نظريًا ، يجب أن تكون موثوقية نظام RAID يتكون من أقراص متعددة أسوأ من نظام القرص الواحد.هناك افتراض ضمني هنا: فشل قرص واحد سيؤدي إلى عدم توفر RAID بأكمله. يستخدم RAID تقنيات إضافية للبيانات مثل التعكس وتكافؤ البيانات لكسر هذا الافتراض.التنظيف هو أكثر تقنيات الاكتفاء البدائية، والتي تنسخ بالكامل البيانات على مجموعة معينة من محركات الأقراص إلى مجموعة أخرى من محركات الأقراص لضمان أن هناك دائما نسخة من البيانات المتاحة.بالمقارنة مع 50% من تكاليف التكرار، تعادل البيانات أصغر بكثير، ويستخدم المعلومات الزائدة على التعادل للتحقق من البيانات وتصحيحها.تكنولوجيا الازدحام من RAID تحسن كثيرا توافر البيانات وموثوقيتها، ويضمن أنه عندما تفشل عدة أقراص، لن تفقد البيانات ولن تتأثر التشغيل المستمر للنظام.

• قابلية الإدارة: في الواقع، RAID هي تقنية الافتراضية التي تطبق الافتراضية عدة محركات الأقراص المادية في محرك أقراص منطقية ذات سعة كبيرة.محرك القرص السريع والموثوق به. بهذه الطريقة ، يمكن للمستخدمين تنظيم وتخزين بيانات نظام التطبيقات على هذا القرص الافتراضي. من منظور تطبيق المستخدم ، يمكن أن يجعل نظام التخزين بسيطًا وسهل الاستخدام والإدارة.منذ أن أنجزت RAID كمية كبيرة من أعمال إدارة التخزين داخليا، يحتاج المدير فقط لإدارة محرك أقراص افتراضي واحد، مما يمكن أن يوفر الكثير من العمل الإداري.يمكن لـ RAID إضافة محركات القرص أو حذفها بشكل ديناميكي وإجراء التحقق من البيانات وإعادة بناء البيانات تلقائيًا، والتي يمكن أن تبسط بشكل كبير أعمال الإدارة.