آشنايي با فناوری کاربردی RAID

RAID 2
RAID2 هر بیت داده را (به جای هر بلوک) روی دیسک‌های جداگانه می‌نویسد. در ضمن، این سطح، از یک سیستم تصحیح خطای خطی به نام Hamming Code نیز استفاده می‌کند. تصحیح خطای Hamming قادر است تا حداکثر دو خطای متناوب را تشخیص دهد. هارددیسک‌ها در RAID2 در هر زمان دارای زاویه چرخش یکسانی هستند، بنابراين می‌توانند به اندیس‌های مشابه روی هر هارددیسک به‌طور همزمان دسترسی پیدا کنند. به همین دلیل دستیابی به سرعت‌های انتقال بسیار بالا در این سطح امکان‌پذیر است. RAID2 تنها سطح اصلی RAID است که در حال حاضر استفاده نمي‌شود. به دلیل استفاده از کدهای تصحیح خطای Hamming با چهار بیت داده و سه بیت توازن، آرایه‌های RAID2 از هفت هاردديسک که چهار تای آن‌ها برای ذخیره داده‌ها و سه تای دیگر برای کدهای تصحیح خطا در نظر گرفته شده‌اند، استفاده می‌کنند. RAID2 تنها سطح استانداردی است که می‌تواند اطلاعات را به صورت دقیق از یک بیت داده از دست رفته، محاسبه کند. این سطح همچنین در بعضی موارد قادر است، داده‌های از دست رفته را دوباره‌سازی کند اما نمي‌تواند تناقض‌هایی را که گاهی ميان بیت‌های توازن و داده به وجود می‌آید، به صورت قابل اعتماد و بدون دخالت انسان تصحیح کند. به دلیل استفاده تمامی درایو‌ها از سیستم تصحیح خطای Humming، سطح RAID2 قابلیت جایگزینی را برای همه آن‌ها فراهم می‌کند اما در عین حال آرایه به شکل غيرضروري پیچیده خواهدبود. شاید به همین دلیل بوده که سطح RAID2 نیز مانند RAID3 به سرعت منسوخ شده‌است. در حال حاضر، RAID2 هیچ‌گونه کاربرد تجاری ندارد.

RAID 3
RAID3 داده‌ها را در سطح بایت روی درایوهای آرایه تقسیم می‌کند. این سطح همچنین برای ذخیره داده‌های توازن از یک هاردديسک به صورت اختصاصی استفاده می‌کند. کاربرد RAID3 به شدت محدود است و در عمل تنها در تعداد بسیار کمی از سیستم‌ها استفاده مي‌شود. RAID3 به دلیل مشخصات خاص خود قابلیت سرویس‌دهی به چند درخواست به‌طور همزمان را ندارد. اين مسئله به دليل ذخيره شدن بلوک‌هاي منفرد داده که روي هاردديسک‌ها توزيع شده‌اند، در مکاني مشابه، اتفاق مي‌افتد، بنابراين هرگونه عملیات خواندن و نوشتن به فعال‌سازی همه هارددیسک‌ها و اغلب همگام‌سازی زاویه چرخش آن‌ها نیاز خواهدداشت. اما به‌رغم همه این موارد، برخلاف سطوح بالاتر، کارایی RAID3 بالا و باثبات است. اندازه هر بلوک داده می‌تواند کمتر از اندازه یک سکتور روی هارددیسک یا اندازه‌ای باشد که سیستم‌عامل تعریف کرده‌است. به همین دلیل کنترل‌کننده می‌تواند هنگام خواندن و نوشتن به همه بخش‌های داده در هر زمان دسترسی پیدا کند. کارایی RAID3 به شکل مشخصی بالاتر از کارایی هر درایو ديگري در آرایه است. نرخ انتقال داده در این سطح برابر خواهدبود با نرخ انتقال داده خالص هر هارددیسک ضربدر تعداد درایوها (به جز درایو ذخیره‌کننده اطلاعات توازن). RAID3 برای کاربردهایی مانند تدوین ویدئویی که داده‌ها را به صورت ترتیبی خوانده یا می‌نویسند، ایده‌آل است اما در کاربردهایی که به صورت تصادفی به داده‌ها دسترسي دارند، در صورت استفاده از RAID3 شاهد کمترین افزایش کارایی خواهندبود.

RAID 4
RAID4 داده را در سطح بلوک روی درایوها تقسیم می‌کند. این سطح نیز همچون سطح سه برای ذخیره اطلاعات توازن از یک هارددیسک جداگانه بهره می‌گیرد. تقسیم داده‌ها در سطح بلوک به اعضای هر ارائه اجازه می‌دهد، در صورت نیاز به یک بلوک داده به صورت مستقل عمل کنند. اگر کنترل‌کننده RAID این اجازه را داده باشد، آرایه RAID4 قادر است، به درخواست‌های چندگانه به صورت همزمان پاسخ دهد. تنها تفاوت RAID4 با RAID3 در این است که به جای توزیع داده‌ها در سطح بایت، داده‌ها به صورت بلوک روی درایوها توزیع می‌شوند. از سوی دیگر، تنها تفاوت آن با RAID5 این است که اطلاعات توازن را روی همه درایوها توزیع نمی‌کند. RAID4 اغلب داده‌های توازن را با واحدی سخت‌افزاری که به همین منظور در کنترل‌کننده تعبیه شده، محاسبه می‌کند. این سطح RAID برای اجرا دست‌کم به سه درایو فیزیکی در آرایه نیاز دارد. ایراد عمده RAID4 این است که به دلیل وجود تنها یک درایو برای ذخیره اطلاعات توازن، هنگام نوشتن داده‌ها روی هر یک از درایوهای داده، کنترل‌کننده باید از درایو توازن نیز به صورت همزمان استفاده کند. در صورتی که بیش از یک درخواست و روی بیش از یک درایو در حال پردازش باشد، پهنای باند درایو ذخیره‌کننده اطلاعات توازن به یک گلوگاه در تمام آرایه تبدیل خواهدشد. در این شرایط، بازدهی تمام آرایه به شدت کاهش خواهدیافت. RAID4 برخلاف RAID3 نیازی به همگام‌سازی زاویه چرخش در درایوهای متفاوت ندارد. اگرچه در صورتی که همگام‌سازی فعال شود و اندازه هر بلوک داده در آرایه به کمتر از اندازه هر بلوک تعریف‌شده در سیستم‌عامل برسد، کارایی کلی به‌طور دقیق مشابه کارایی RAID3 خواهدبود. RAID4 فقط توسط یک شرکت در سطح تجاری استفاده شده‌است. هر دو سطح RAID3 و RAID4 امروزه با RAID5 جایگزین شده‌اند .

RAID 5
RAID5 داده‌ها را در سطح بلوک روی درایوهای آرایه توزیع کرده و اطلاعات مربوط به توازن را نیز روی تمامی آن‌ها می‌نویسد. محبوبیت بالای RAID5 بیشتر به دلیل قابلیت جایگزینی ارزان‌قیمت آن است. در صورت استفاده از چهار هارددیسک سخت یک ترابایتی، مجموع فضای ذخیره‌سازی در دسترس در RAID1 برابر با یک ترابایت، در RAID1+0 دو ترابایت و در RAID5 سه ترابایت خواهدبود. اگرچه می‌توان کنترل‌کننده RAID5 را در کنترل‌کننده هارددیسک نیز به صورت سخت‌افزاری پیاده‌سازی کرد و حتی واحدهای محاسبه اطلاعات توازن را نیز در آن گنجاند، بسیاری از سیستم‌عامل‌ها، پیاده‌سازی آرایه RAID5 را به صورت نرم‌افزاری و مستقل از کنترل‌کننده هارددیسک ممکن کرده‌اند. برای اجرای آرایه RAID5 دست‌کم به سه هارددیسک نیاز خواهدبود. برخی از کنترل‌کننده‌ها نیز برای این کار به دست‌کم چهار هارددیسک نیاز دارند. یک سری متقارن از بلوک‌های داده که هر یک روی یکی از درایوهای موجود در آرایه قرار گرفته‌اند، به صورت انتخابی به صورت یک واحد در نظر گرفته می‌شوند. اگر یک بلوک دیگر یا قسمتی از یک بلوک دوباره در همان واحد نوشته شود، بلوک مربوط به داده‌های توازن دوباره باید محاسبه و نوشته شود. برای این‌کار نخست، داده‌های موجود در واحد قدیمی خوانده شده، سپس داده‌های قدیمی توازن نیز خوانده مي‌شود و در مرحله بعد کنترل‌کننده، داده‌های قدیمی را با داده‌هایی که درخواست نوشتن آن‌ها داده شده، مقایسه می‌کند. برای هر بیت در بلوک داده که مقدار آن تغییر کرده‌باشد، بیت متناظر در بلوک توازن نیز تغییر مي‌کند. در نهایت، نخست بلوک داده، سپس بلوک توازن دوباره‌نویسی می‌شوند. تنها مشکل عمده در اینجا، عدم وجود یک مکان ثابت برای ثبت داده‌های توازن است. به همین دليل، هنگام نوشتن داده‌ها، داده‌های توازن مجبور هستند به‌طور دائم در سکتورهای مختلف هارددیسک جابه‌جا شوند. نوشتن داده‌ها در RAID5 منابع زیادی از درایو و کنترل‌کننده را مصرف می‌کند و در نتیجه ممکن است به گلوگاهی بر سر راه افزایش کارایی کلی تبدیل شود. برای افزایش کارایی هنگام خواندن داده‌ها، داده‌های توازن هنگام انجام عملیات خوانش خوانده‌نمی‌شوند. در حقیقت، این داده‌ها تنها زمانی خوانده می‌شوند که کنترل‌کننده در خواندن هر یک از بلوک‌های داده‌ای دچار مشکل شود. مهم‌ترین نقطه قوت RAID5 در این است که هنگام بروز خطا در یکی از هارددیسک‌ها، کنترل‌کننده سعی می‌کند بلوک‌های توازن موجود در هارددیسک‌های سالم را به صورت ریاضی ترکیب کرده و داده‌های موجود در هارددیسک خراب را بدون نیاز به پیکربندی دوباره سیستم بازسازی کند. این حالت گاهی با نام «حالت بازیابی داده» نیز شناخته‌می‌شود. کنترل‌کننده اطلاع می‌دهد، یکی از هارددیسک‌ها دچار مشکل شده اما این موضوع تنها به این دليل است که سیستم‌عامل باید کاربر را از وقوع اشکال مطلع کرده تا نسبت به تعویض هارددیسک معیوب اقدام شود. نرم‌افزارهای مورد استفاده روی سیستم نیز هیچ‌یک متوجه بروز خطا نخواهندشد و فرآیند نوشتن و خواندن داده‌ها به شکل سابق و تنها با اندکی کاهش در کارایی، ادامه خواهدیافت. امکان بروز خرابی در آرایه‌های RAID5 به نسبت پایین است و به دلیل امکان جایگزینی خودکار، این سطح به یکی از محبوب‌ترین سطوح RAID برای افزایش مقاومت آرایه در برابر خرابی تبدیل شده‌است. ممکن است کارایی در مواردی بسیار کم باشد. مانند بسیاری از پیکربندی‌های دیگر RAID، در صورتی که داده‌ها به صورت ترتیبی نبوده و اندازه آن‌ها نیز از اندازه یک واحد کمتر باشد، کارایی هنگام نوشتن روی آرایه‌های RAID5 پایین خواهدآمد. این موضوع به خصوص در سیستم‌هایی که به‌عنوان پایگاه داده استفاده مي‌شوند، بیش از سایر سیستم‌ها خودنمایی می‌کند. البته راه‌حل‌هایی چون اضافه کردن یک حافظه موقت برای جمع‌آوری داده‌ها و نوشتن یکباره آن‌ها روی آرایه نیز ارائه شده‌اند که می‌توانند مشکل را تا حدودی برطرف کنند. کارایی RAID5 هنگام نوشتن داده‌ها تقریباً به خوبی کارایی RAID0 است.

RAID 6
RAID6 سعی می‌کند امنیت RAID5 را با افزودن یک بلوک اضافه توازن برای هر واحد از داده‌ها افزایش دهد. در نتیجه RAID6 شامل توزیع داده‌ها در سطح بلوک به همراه دو بلوک توازن برای هر واحد از داده‌ها خواهدبود. کارايي RAID6 هنگام خواندن به‌طور دقیق مانند RAID5 است اما هنگام نوشتن، به این دلیل که کنترل‌کننده باید دو مجموعه از داده‌های توازن را روی هارددیسک‌ها بنویسد، حجم زیادی از پهنای باند صرف این‌کار خواهدشد. کارایی کلی RAID6 به‌طور کامل به نحوه پیاده‌سازی آن توسط تولید‌کننده وابسته است. در صورتی که پیاده‌سازی به شکل بهینه انجام شود، کارایی می‌تواند درست به اندازه RAID5 باشد. اجرای آرایه RAID6 همیشه به یک هارددیسک بیش از RAID5 نیاز دارد اما حفاظت بهتری از داده‌ها را ارائه می‌کند. در آرایه‌هایی که تعداد درایوها در آن کم است، شاید این کاهش ظرفیت مهم به نظر برسد اما با افزایش تعداد درایوها و کم شدن اهمیت فضای اضافی مصرف‌شده، سطح بالاتر حفاظت، از RAID6 گزینه بهتری نسبت به RAID5 می‌سازد.