RAID چیست و انواع آن کدامند؟

RAID (Redundant Array of Independent Disks) یک فناوری پیشرفته در حوزه‌ی ذخیره‌سازی داده است که دیگر به یک هارد دیسک به عنوان یک واحد مجزا نگاه نمی‌کند. در عوض، RAID چندین هارد دیسک (HDD) یا درایو حالت جامد (SSD) را با استفاده از یک کنترلر سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری با هم ترکیب کرده و آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند تا یک آرایه (Array) ذخیره‌سازی بزرگ و واحد را ایجاد کند. هدف اصلی از این ترکیب، افزایش سرعت خواندن/نوشتن و/یا ارتقای قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر خرابی درایوها است. در واقع، این آرایه برای سیستم عامل و کاربر نهایی به عنوان یک درایو منطقی بزرگ و یکپارچه شناخته می‌شود.

دلیل اصلی و مزایای استفاده از فناوری RAID

استفاده از RAID در محیط‌های کاری و سرورها حیاتی است و معمولا برای رسیدن به دو هدف متضاد و مکمل زیر استفاده می‌شود:

1. افزونگی (Redundancy) و تداوم کسب و کار: این ویژگی مهم‌ترین مزیت RAID محسوب می‌شود و به معنای توانایی سیستم در ادامه کار بدون از دست دادن داده‌ها، حتی در صورت خرابی یک یا چند درایو است. با استفاده از روش‌هایی چون آینه‌سازی (Mirroring) یا ذخیره اطلاعات بازسازی (Parity)، یک لایه محافظتی در برابر خرابی فیزیکی هارد دیسک ایجاد می‌شود و زمان از کار افتادن (Downtime) سیستم به حداقل می‌رسد. این امنیت فیزیکی برای محیط‌هایی که بر سخت‌افزار فیزیکی کنترل کامل دارند، مانند زمانی که شما یک سرویس میزبانی اختصاصی را مدیریت می‌کنید، بسیار مهم است.
2. بهبود عملکرد و کارایی: با استفاده از تکنیک بخش‌بندی (Striping)، داده‌ها به صورت موازی بین چندین درایو تقسیم می‌شوند. این توزیع بار باعث می‌شود که عملیات ورودی/خروجی (I/O) به جای اینکه بر روی یک دیسک انجام شود، به صورت همزمان بین چندین دیسک پخش شده و به طور قابل توجهی سرعت انتقال داده و پاسخ‌دهی سیستم، خصوصا در عملیات خواندن، افزایش یابد.

مفاهیم بنیادین و ساختاردهی در آرایه‌های RAID

برای درک نحوه‌ی کارکرد سطوح مختلف RAID، آشنایی کامل با سه مکانیسم اساسی زیر ضروری است:

Striping (بخش‌بندی داده‌ها)

Striping روشی است که در آن جریان داده‌ها به بلوک‌های کوچک تقسیم شده و این بلوک‌ها به صورت چرخشی و متوالی (Round-Robin) بر روی تمام درایوهای عضو آرایه نوشته می‌شوند. این کار مانند تقسیم یک وظیفه بزرگ بین چندین کارگر است.

• مزیت کاربردی: با فعال شدن چندین بازوی خواندن/نوشتن به صورت همزمان، پهنای باند کلی سیستم افزایش یافته و سرعت به شدت بهبود می‌یابد.
• ریسک فنی: از آنجایی که هر فایل بین تمام درایوها پخش شده است، خرابی تنها یک درایو به از دست رفتن کل آرایه و داده‌ها منجر می‌شود، زیرا قطعات ناقص غیرقابل بازیابی خواهند بود. این اصل در RAID 0 به کار می‌رود.

Mirroring (آینه‌سازی کامل)

Mirroring روشی است که در آن تمام داده‌هایی که بر روی یک درایو نوشته می‌شوند، به صورت همزمان و کامل بر روی درایو دیگری نیز کپی می‌شوند. این فرایند یک کپی «آینه» از داده‌ها ایجاد می‌کند.

• مزیت کاربردی: بالاترین سطح تحمل خطا را ارائه می‌دهد. اگر درایو اصلی کاملا خراب شود، درایو آینه بلافاصله آماده جایگزینی است و هیچ داده‌ای از دست نمی‌رود.
• عیب فنی: ناکارآمدترین حالت از نظر مصرف فضا است، زیرا نیمی از ظرفیت کل درایوهای خریداری شده برای ذخیره‌سازی کپی‌ها هدر می‌رود. این اصل در RAID 1 به کار می‌رود.

Parity (محاسبه و ذخیره اطلاعات بازسازی)

Parity یک روش ریاضی پیچیده‌تر است که از الگوریتم XOR برای تولید یک کد چکیده یا «اطلاعات بازسازی» استفاده می‌کند. این اطلاعات Parity در واقع خلاصه‌ای فشرده از محتوای داده‌های نوشته شده بر روی سایر درایوهای آرایه است.

• مزیت کاربردی: تحمل خطا را با هدر رفت فضای بسیار کمتر نسبت به Mirroring فراهم می‌کند (معمولا فضای معادل تنها یک یا دو درایو صرف ذخیره Parity می‌شود).
• عیب فنی: هر عملیات نوشتن مستلزم محاسبه مجدد اطلاعات Parity است، که این سربار محاسباتی می‌تواند عملکرد نوشتن را کندتر از سطوح بدون Parity (مثل RAID 0 و RAID 1) کند. این اصل در RAID 5 و RAID 6 به کار می‌رود.

شرح جامع انواع و سطوح متداول RAID

سطوح مختلف RAID هر یک با ترکیب مفاهیم بالا برای برآورده کردن نیازهای تخصصی طراحی شده‌اند:

RAID 0 (Striping)

ویژگی اصلی: بالاترین سرعت ممکن، بدون هیچ افزونگی.

عملکرد فنی: داده‌ها به صورت بلوک‌های کوچک روی حداقل دو درایو مجزا تقسیم و نوشته می‌شوند. این کار باعث می‌شود سرعت خواندن/نوشتن به طور نظری دو برابر شود. هیچ Parity یا Mirrored کپی‌ای وجود ندارد.

کاربرد ایده‌آل: سیستم‌هایی که به سرعت خام نیاز دارند و داده‌هایشان قابل بازسازی یا کم‌اهمیت است، مانند کش‌های موقت یا ورک‌استیشن‌های ویرایش ویدئو.

RAID 1 (Mirroring)

ویژگی اصلی: حداکثر امنیت و تحمل خطا، با فدا کردن ظرفیت.

عملکرد فنی: هر بیت داده‌ای که روی درایو اول نوشته می‌شود، دقیقا روی درایو دوم نیز نوشته می‌شود. این فرآیند به صورت لحظه‌ای انجام می‌شود. در صورت خرابی یک درایو، درایو دوم به صورت خودکار عملیات را ادامه داده و می‌توان درایو خراب را بدون از کار افتادن سیستم (Hot-Swap) تعویض کرد.

کاربرد ایده‌آل: داده‌های حیاتی، لاگ‌های تراکنش‌های مالی و سرورهایی که مطلقا نباید از کار بیفتند.

RAID 5 (Striping with Parity)

ویژگی اصلی: تعادل بهینه بین عملکرد، فضا و افزونگی.

عملکرد فنی: داده‌ها و اطلاعات Parity به صورت چرخشی و توزیع‌شده بر روی تمام درایوهای عضو آرایه (حداقل سه درایو) ذخیره می‌شوند. این بدان معناست که یک درایو کامل به Parity اختصاص داده نشده است. این آرایه می‌تواند در برابر خرابی یک درایو مقاومت کند.

کاربرد ایده‌آل: سرورهای عمومی فایل (File Servers)، سرورهای برنامه و محیط‌هایی که هم به امنیت داده و هم به بهره‌وری در فضای ذخیره‌سازی نیاز دارند.

RAID 6 (Striping with Dual Parity)

ویژگی اصلی: تحمل خطای فوق‌العاده در آرایه‌های بزرگ.

عملکرد فنی: این سطح از دو مجموعه مستقل از اطلاعات Parity استفاده می‌کند که به صورت توزیع‌شده بر روی حداقل چهار درایو ذخیره می‌شوند. وجود دو لایه Parity به این معناست که آرایه می‌تواند در برابر خرابی همزمان دو درایو مقاومت کند.

کاربرد ایده‌آل: محیط‌هایی با آرایه‌های ذخیره‌سازی بزرگ (Enterprise Storage) که در آن‌ها زمان بازیابی (Rebuild Time) طولانی است و خطر خرابی درایو دوم در حین بازیابی درایو اول (URP) زیاد است.

سطوح RAID ترکیبی برای بهترین کارایی

سطوح ترکیبی (Nested RAID) با لایه‌بندی سطوح پایه بر روی یکدیگر ساخته می‌شوند تا همزمان از مزایای سرعت Striping و امنیت Mirroring/Parity بهره ببرند:

RAID 10 (یا RAID 1+0)

عملکرد فنی: این سطح با ایجاد مجموعه‌های Mirroring (RAID 1) شروع شده و سپس بر روی این مجموعه‌های آینه‌سازی شده، عملیات Striping (RAID 0) را انجام می‌دهد. این سطح حداقل به چهار درایو نیاز دارد.

مزایای کلیدی: عملکرد ورودی/خروجی (I/O) بسیار سریع (به خصوص در خواندن) و قابلیت تحمل خرابی بالا (تا نصف درایوها می‌توانند از کار بیفتند، به شرطی که در یک مجموعه آینه نباشند).

RAID 50 (یا RAID 5+0)

عملکرد فنی: این سطح Striping (RAID 0) را بر روی دو یا چند آرایه RAID 5 اعمال می‌کند. مثلاً دو آرایه RAID 5 سه‌تایی با هم ترکیب می‌شوند.

مزایای کلیدی: بهبود قابل توجه در سرعت خواندن و نوشتن نسبت به یک RAID 5 ساده و بازیابی سریع‌تر داده‌ها در صورت خرابی یک درایو.

RAID نرم‌افزاری در مقابل RAID سخت‌افزاری

انتخاب نوع پیاده‌سازی RAID بستگی به بودجه و نیازهای عملکردی دارد:

RAID سخت‌افزاری (Hardware RAID)

این روش از یک کنترلر اختصاصی RAID (یک کارت توسعه PCIe یا تراشه موجود در مادربرد) استفاده می‌کند. این کنترلر دارای یک پردازنده و حافظه مستقل (Cache) است که تمام محاسبات پیچیده Parity و مدیریت آرایه را انجام می‌دهد.

• مزیت: بهترین و سریع‌ترین عملکرد ممکن، عدم تحمیل بار پردازشی بر CPU اصلی سرور.
• عیب: هزینه‌ی بالا و نیاز به درایورهای خاص سیستم عامل.

RAID نرم‌افزاری (Software RAID)

در این روش، مدیریت آرایه RAID کاملاً توسط سیستم عامل (مانند ابزار Disk Management ویندوز یا mdadm لینوکس) و با استفاده از CPU اصلی سیستم انجام می‌شود. این نوع پیاده‌سازی معمولا در محیط‌های سرور ابری ایران و خارج و زیرساخت‌های مجازی‌سازی استفاده می‌شود، جایی که لایه‌هایی از ذخیره‌سازی توزیع‌شده برای ایجاد افزونگی استفاده می‌شوند و نیاز به کنترلر فیزیکی اختصاصی RAID از بین می‌رود.

• مزیت: کم‌هزینه یا رایگان، زیرا نیاز به خرید سخت‌افزار اضافی نیست.
• عیب: تحمیل بار پردازشی بر CPU اصلی که می‌تواند عملکرد کلی سیستم را کاهش دهد، به خصوص در RAID 5 و RAID 6.

اهمیت مکمل بودن RAID و پشتیبان‌گیری

مهم است که درک کنیم RAID یک راهکار برای تضمین تداوم کار است و جایگزین پشتیبان‌گیری (Backup) نیست.

RAID فقط از خرابی فیزیکی درایو محافظت می‌کند. این فناوری نمی‌تواند از داده‌های شما در برابر موارد زیر جلوگیری کند:

• حذف منطقی: پاک شدن تصادفی فایل‌ها یا فرمت کردن ناخواسته آرایه.
• بدافزار و حملات: رمزگذاری داده‌ها توسط باج‌افزارها.
• خرابی‌های محیطی: آتش‌سوزی، سیل یا قطع برق ناگهانی که کل سخت‌افزار را از بین می‌برد.

برای داشتن امنیت کامل داده‌ها، استفاده از یک استراتژی جامع پشتیبان‌گیری، مانند قانون ۳-۲-۱ (داشتن سه کپی از داده‌ها، ذخیره در دو نوع رسانه، با یک کپی خارج از سایت)، در کنار پیاده‌سازی RAID، ضروری است.