تحلیل جامع معماری‌های RAID و پیاده‌سازی استراتژیک آن‌ها در زیرساخت‌های ابری

پادکست تحلیل و معرفی RAID و ارتباط آن با زیرساخت‌های ابری

تکامل ذخیره‌سازی داده‌ها از وابستگی به تک‌دیسک‌ها به سمت آرایه‌های پیچیده و افزونه (Redundant) که برای تضمین یکپارچگی، در دسترس بودن و عملکرد داده‌ها طراحی شده‌اند، تغییر بنیادی کرده است. آرایه‌ی افزونه دیسک‌های مستقل یا RAID (Redundant Array of Independent Disks) همچنان به عنوان یک فناوری بنیادین در این حوزه باقی مانده است و شکاف میان قابلیت‌های سخت‌افزاری خام و نیازهای فزاینده برنامه‌های کاربردی سازمانی را پر می‌کند. اگرچه گذار به رایانش ابری بسیاری از لایه‌های فیزیکی سخت‌افزار را انتزاع کرده است، اصول RAID همچنان برای بهینه‌سازی زیرسیستم‌های ذخیره‌سازی در محیط‌های مجازی‌سازی شده، سیستم‌های مدیریت پایگاه داده و کلاسترهای با دسترسی بالا (High Availability) حیاتی است. این گزارش بررسی دقیقی از پیکربندی‌های RAID—به‌ویژه RAID 0، 1، 5 و 10—ارائه می‌دهد و مکانیسم‌های معماری، پروفایل‌های عملکردی و تناسب آن‌ها با زیرساخت‌های ابری مدرن را تحلیل می‌کند. علاوه بر این، تعامل میان مفاهیم سنتی RAID و فناوری‌های ذخیره‌سازی بلوکی (Block Storage) بومی ابری که توسط ارائه‌دهندگان بزرگی مانند AWS، Azure و Oracle Cloud Infrastructure ارائه می‌شود، مورد بررسی دقیق قرار می‌گیرد. این سند با هدف ارائه یک مرجع تخصصی برای معماران سیستم، مهندسان داده و مدیران زیرساخت تدوین شده است تا در انتخاب بهینه‌ترین استراتژی‌های ذخیره‌سازی یاری‌رسان باشد.

۱. مبانی مجازی‌سازی ذخیره‌سازی و معماری RAID

در هسته خود، RAID یک تکنیک مجازی‌سازی است که چندین جزء فیزیکی درایو دیسک را به یک یا چند واحد منطقی با هدف افزونگی داده‌ها، بهبود عملکرد یا هر دو ترکیب می‌کند.¹ سیستم‌عامل این واحدهای منطقی را به عنوان درایوهای واحد می‌بیند، در حالی که کنترل‌کننده RAID (سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری) مدیریت توزیع داده‌ها در سراسر رسانه‌های فیزیکی را بر عهده دارد. اهمیت RAID در زیرساخت سرور قابل اغراق نیست؛ این فناوری به عنوان اولین خط دفاعی در برابر خرابی سخت‌افزار و مکانیزم اصلی برای غلبه بر محدودیت‌های ورودی/خروجی (I/O) دستگاه‌های ذخیره‌سازی انفرادی عمل می‌کند. در محیط‌های سازمانی، که تداوم کسب‌وکاره و سرعت دسترسی به داده‌ها اولویت دارد، RAID نقش کلیدی در تضمین پایداری سیستم ایفا می‌کند.

۱.۱ مکانیسم‌های اصلی RAID

برای درک تفاوت‌های بین سطوح RAID، ابتدا باید سه تکنیک اساسی که برای دستکاری داده‌ها در دیسک‌ها استفاده می‌شود را درک کرد: نواری‌سازی (Striping)، آینه‌سازی (Mirroring) و توازن (Parity). هر یک از این تکنیک‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند و ترکیب آن‌ها سطوح مختلف RAID را تعریف می‌کند.

۱.۱.۱ نواری‌سازی دیسک (Disk Striping)

نواری‌سازی فرآیند تقسیم بدنه‌ای از داده‌ها به بلوک‌ها و توزیع بلوک‌های داده در چندین دستگاه ذخیره‌سازی است.¹ در یک مجموعه نواری، داده‌ها به طور موثر به صورت موازی نوشته می‌شوند. اگر یک فایل به چهار بلوک تقسیم شود و چهار دیسک وجود داشته باشد، کنترل‌کننده می‌تواند تمام چهار بلوک را به طور همزمان بنویسد، که به لحاظ تئوری سرعت نوشتن را نسبت به یک دیسک واحد چهار برابر می‌کند (با نادیده گرفتن سربار). این تکنیک اساس عملکرد RAID 0 است.

• مزیت: به طور چشمگیری توان عملیاتی خواندن و نوشتن را افزایش می‌دهد. با استفاده از چندین کانال داده به صورت همزمان، پهنای باند کلی سیستم ذخیره‌سازی افزایش می‌یابد.
• خطر: نواری‌سازی به تنهایی هیچ افزونگی ارائه نمی‌دهد. خرابی یک درایو منجر به خرابی کل مجموعه داده می‌شود زیرا بخش‌هایی از فایل‌ها از بین رفته‌اند.¹ این ویژگی باعث می‌شود که نواری‌سازی خالص برای داده‌های حیاتی بدون راهکارهای پشتیبان‌گیری قوی بسیار پرخطر باشد.

۱.۱.۲ آینه‌سازی دیسک (Disk Mirroring)

آینه‌سازی شامل تکثیر داده‌های یکسان بر روی دو یا چند دیسک است.¹ هنگامی که داده‌ها در حجم منطقی نوشته می‌شوند، کنترل‌کننده بیت‌های یکسان را در تمام اعضای آینه می‌نویسد. این تکنیک پایه و اساس RAID 1 است و بالاترین سطح سادگی در افزونگی را ارائه می‌دهد.

• مزیت: تحمل خطای بسیار بالایی را فراهم می‌کند. اگر یک درایو خراب شود، سیستم با استفاده از آینه(های) باقی‌مانده بدون از دست دادن داده به کار خود ادامه می‌دهد. همچنین پتانسیل افزایش عملکرد خواندن را ارائه می‌دهد، زیرا کنترل‌کننده می‌تواند از هر درایوی که هد خواندن آن به بخش‌های داده نزدیک‌تر است بخواند یا درخواست‌های خواندن موازی را بین دیسک‌ها تقسیم کند.
• خطر: این روش کمترین کارایی ذخیره‌سازی را دارد، زیرا برای هر بیت داده محافظت شده به ۱۰۰٪ سربار نیاز دارد.³ این هزینه بالا در مقیاس‌های بزرگ می‌تواند عامل محدودکننده‌ای باشد.

۱.۱.۳ توازن و تصحیح خطا (Parity)

توازن یک مقدار محاسبه شده است که برای بازسازی داده‌ها استفاده می‌شود.⁵ معمولاً با استفاده از عملیات منطقی XOR (Exclusive OR) محاسبه می‌شود. اگر یک درایو خراب شود، کنترل‌کننده داده‌های باقی‌مانده و اطلاعات توازن را می‌خواند تا داده‌های از دست رفته را به صورت ریاضی “بازسازی” کند. این تکنیک در سطوحی مانند RAID 5 و RAID 6 استفاده می‌شود.

• مزیت: امکان افزونگی را بدون هزینه ذخیره‌سازی ۵۰ درصدی آینه‌سازی فراهم می‌کند. سربار توازن معمولی $1/N$ است، که در آن $N$ تعداد درایوها است. این امر باعث می‌شود آرایه‌های مبتنی بر توازن برای ذخیره‌سازی حجم‌های بزرگ داده مقرون‌به‌صرفه باشند.
• خطر: توازن یک جریمه محاسباتی بر روی نوشتن‌ها (Write Penalty) ایجاد می‌کند، زیرا سیستم باید داده‌های قدیمی را بخواند، توازن جدید را محاسبه کند و هم داده‌های جدید و هم توازن جدید را بنویسد.⁶ این فرآیند چهار مرحله‌ای (خواندن-تغییر-نوشتن) می‌تواند در بارهای کاری با نوشتن زیاد، گلوگاه عملکردی ایجاد کند.

۱.۲ RAID سخت‌افزاری در مقابل نرم‌افزاری

پیاده‌سازی RAID می‌تواند در سطح سخت‌افزار (با استفاده از یک کارت کنترل‌کننده اختصاصی) یا سطح نرم‌افزار (با استفاده از CPU میزبان و هسته سیستم‌عامل) انجام شود. انتخاب بین این دو رویکرد تأثیر مستقیمی بر عملکرد، هزینه و مدیریت‌پذیری سیستم دارد.

• RAID سخت‌افزاری: یک کارت کنترل‌کننده اختصاصی مدیریت آرایه را بر عهده دارد و محاسبات توازن را از CPU اصلی بارگذاری می‌کند. این کارت‌ها اغلب شامل حافظه پنهان نوشتن با پشتیبانی باتری (BBWC) برای جلوگیری از خراب شدن داده‌ها در حین قطع برق هستند.⁸ در نمونه‌های ابری “فلز لخت” (Bare Metal)، RAID سخت‌افزاری گاهی اوقات یک گزینه است، اما وابستگی سخت‌افزاری خاصی ایجاد می‌کند که بازیابی فاجعه را در صورت خرابی کنترل‌کننده پیچیده می‌کند.¹⁰ علاوه بر این، کارت‌های RAID سخت‌افزاری ممکن است دستورات TRIM را به درایوهای SSD منتقل نکنند که منجر به کاهش عملکرد در طول زمان می‌شود.¹¹
• RAID نرم‌افزاری: سیستم‌عامل (مانند mdadm لینوکس، Windows Storage Spaces یا ZFS) مدیریت آرایه را بر عهده دارد.¹² در فضای ابری، RAID نرم‌افزاری استاندارد غالب است زیرا کاربران به ندرت دسترسی فیزیکی برای قرار دادن کارت‌های کنترل‌کننده دارند. RAID نرم‌افزاری انعطاف‌پذیری را امکان‌پذیر می‌کند، مانند ایجاد آرایه‌ها در حجم‌های ذخیره‌سازی مجازی (مانند AWS EBS یا Azure Managed Disks) برای تجمیع IOPS یا ظرفیت.¹⁴ با پیشرفت پردازنده‌های مدرن، سربار محاسباتی RAID نرم‌افزاری برای اکثر سطوح RAID ناچیز شده است، اما مدیریت دقیق منابع CPU همچنان مهم است.

۱.۳ معماری‌های غیر استاندارد و تودرتو (Nested RAID)

علاوه بر سطوح استاندارد، ترکیبات مختلفی برای بهره‌گیری از مزایای چندین سطح وجود دارد. RAID 10 (یا 1+0) شناخته‌شده‌ترین نمونه است که ترکیبی از سرعت RAID 0 و ایمنی RAID 1 است. سطوح دیگری مانند RAID 50 یا RAID 60 نیز وجود دارند که توازن و نواری‌سازی را در مقیاس‌های بزرگتر ترکیب می‌کنند. درک این معماری‌های پیچیده برای طراحی سیستم‌های ذخیره‌سازی که نیاز به تعادل دقیقی بین عملکرد، ظرفیت و امنیت دارند، ضروری است. در محیط‌های ابری، که مقیاس‌پذیری افقی اغلب بر مقیاس‌پذیری عمودی ارجحیت دارد، انتخاب صحیح بین این معماری‌ها می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر هزینه‌های عملیاتی و کیفیت سرویس داشته باشد.

۲. تحلیل دقیق پیکربندی‌های استاندارد RAID

این بخش تحلیل دقیقی از چهار سطح RAID رایج مشخص شده در درخواست ارائه می‌دهد: RAID 0، RAID 1، RAID 5 و RAID 10. هر سطح با توجه به مکانیک داخلی، پروفایل عملکرد، خطرات و موارد استفاده خاص بررسی می‌شود.

۲.۱ RAID 0: عملکرد از طریق نواری‌سازی

RAID 0، که اغلب به عنوان “مجموعه نواری” (Stripe Set) شناخته می‌شود، داده‌ها را به طور مساوی در دو یا چند دیسک تقسیم می‌کند.¹ این سطح در میان سطوح استاندارد RAID منحصر به فرد است زیرا صفر افزونگی ارائه می‌دهد. “0” در RAID 0 را می‌توان به عنوان “صفر محافظت” در نظر گرفت.

۲.۱.۱ مکانیک معماری

در یک آرایه RAID 0 با دو دیسک، یک فایل ۱۰۰ مگابایتی ممکن است به قطعات ۶۴ کیلوبایتی (اندازه نوار) تقسیم شود. قطعه ۱ به دیسک ۱، قطعه ۲ به دیسک ۲، قطعه ۳ به دیسک ۱ و به همین ترتیب می‌رود. کنترل‌کننده دستورات نوشتن را به هر دو دیسک به طور همزمان ارسال می‌کند. این موازی‌سازی اجازه می‌دهد تا پهنای باند دیسک‌ها تجمیع شود. هیچ بیت توازنی محاسبه یا ذخیره نمی‌شود و هیچ داده‌ای تکرار نمی‌گردد.

۲.۱.۲ پروفایل عملکرد

• عملکرد خواندن: عالی. سرعت خواندن نظری $N \times S$ است، که در آن $N$ تعداد درایوها و $S$ سرعت یک درایو واحد است. درخواست‌های خواندن بزرگ می‌توانند از تمام دیسک‌ها به طور همزمان داده دریافت کنند.
• عملکرد نوشتن: عالی. سرعت نوشتن نیز به صورت خطی با تعداد درایوها مقیاس می‌شود، زیرا هیچ سرباری برای محاسبه توازن یا نوشتن دوگانه وجود ندارد.² این ویژگی RAID 0 را برای بارهای کاری که نیاز به نوشتن سریع داده‌های موقت دارند، ایده‌آل می‌سازد.
• کارایی ذخیره‌سازی: ۱۰۰٪. هر بایت از ظرفیت فیزیکی دیسک برای ذخیره‌سازی در دسترس است. هیچ فضایی برای اطلاعات افزونه هدر نمی‌رود.

۲.۱.۳ خطرات حیاتی

احتمال خرابی یک آرایه RAID 0 تقریباً مجموع احتمالات خرابی هر دیسک عضو است. اگر یک درایو خراب شود، کل حجم منطقی از دست می‌رود زیرا سیستم فایل در تمام درایوها تکه‌تکه شده است.¹ بازیابی اطلاعات از یک آرایه RAID 0 خراب شده بسیار دشوار و اغلب غیرممکن است. بنابراین، استفاده از آن برای داده‌های حیاتی بدون پشتیبان‌گیری خارجی اکیداً یک ضدالگو محسوب می‌شود.

۲.۱.۴ موارد استفاده ابری

با وجود خطرات آن، RAID 0 در رایانش ابری برای سناریوهای خاص بسیار مرتبط است:

1. حافظه پنهان/ذخیره‌سازی موقت (Ephemeral Storage): ذخیره داده‌های موقت (مانند بافرهای تبدیل کد، چرک‌نویس‌های محاسبات علمی) که در آن سرعت اولویت دارد و از دست دادن داده‌ها قابل قبول است زیرا داده‌ها قابل تولید مجدد هستند.⁴
2. تجمیع حجم‌های ابری: در محیط‌هایی مانند AWS، یک حجم EBS واحد دارای حداکثر توان عملیاتی و محدودیت IOPS است. با نواری‌سازی (RAID 0) چندین حجم EBS با هم، یک مهندس ابری می‌تواند محدودیت‌های هر حجم را دور بزند و به توان عملیاتی تجمیعی بالاتری برای نمونه دست یابد.¹⁴ این استراتژی برای دستیابی به عملکرد دیسک فراتر از محدودیت‌های استاندارد سرویس‌دهنده ابری حیاتی است.

۲.۲ RAID 1: افزونگی از طریق آینه‌سازی

RAID 1 یک کپی دقیق (آینه) از مجموعه‌ای از داده‌ها را بر روی دو یا چند دیسک ایجاد می‌کند.¹ این ساده‌ترین شکل افزونگی است و بر اصل کپی‌برداری کامل استوار است.

۲.۲.۱ مکانیک معماری

هنگامی که سیستم‌عامل یک درخواست نوشتن ارسال می‌کند، کنترل‌کننده داده‌ها را به طور همزمان در تمام درایوهای آرایه می‌نویسد. یک درخواست خواندن می‌تواند توسط هر درایو واحدی در آرایه پاسخ داده شود. در صورتی که یکی از درایوها مشغول باشد، درایو دیگر می‌تواند به درخواست پاسخ دهد.

۲.۲.۲ پروفایل عملکرد

• عملکرد خواندن: خوب تا عالی. کنترل‌کننده‌های مدرن می‌توانند درخواست‌های خواندن را بین درایوهای آینه‌ای تقسیم کنند (مثلاً درایو A نیمه اول فایل را می‌خواند در حالی که درایو B نیمه دوم را می‌خواند)، که به طور موثر توان خواندن را در سناریوهای ایده‌آل دو برابر می‌کند.⁴ همچنین در بارهای کاری تصادفی (Random Read)، زمان جستجو (Seek Time) کاهش می‌یابد زیرا نزدیک‌ترین هد به داده مورد نظر عملیات را انجام می‌دهد.
• عملکرد نوشتن: متوسط. سرعت نوشتن معمولاً به سرعت کندترین درایو در آینه محدود می‌شود، زیرا نوشتن باید در تمام درایوها کامل شود تا موفقیت‌آمیز در نظر گرفته شود. هیچ سربار محاسباتی وجود ندارد، اما تأخیر توسط کندترین عملیات مکانیکی یا حالت جامد تعیین می‌شود.³
• کارایی ذخیره‌سازی: ۵۰٪ (در یک آینه استاندارد ۲ درایوی). اگر دو درایو ۱ ترابایتی داشته باشید، ظرفیت قابل استفاده تنها ۱ ترابایت است. این ناکارآمدی هزینه هر ترابایت ذخیره‌سازی را دو برابر می‌کند.

۲.۲.۳ خطرات حیاتی

در حالی که RAID 1 در برابر خرابی سخت‌افزار محافظت می‌کند، در برابر خطاهای “نرم” محافظت نمی‌کند. اگر کاربری به طور تصادفی فایلی را حذف کند یا ویروسی پایگاه داده‌ای را خراب کند، خرابی فوراً در درایو افزونه آینه می‌شود. بنابراین، RAID 1 جایگزین پشتیبان‌گیری نیست.¹ همچنین، اگر خرابی کنترل‌کننده رخ دهد و فرمت متادیتای اختصاصی استفاده شده باشد، دسترسی به داده‌ها ممکن است دشوار شود، هرچند در RAID 1 معمولاً دیسک‌ها به صورت انفرادی نیز قابل خواندن هستند.

۲.۲.۴ موارد استفاده ابری

• حجم‌های بوت (Boot Volumes): اطمینان از اینکه سیستم‌عامل حتی اگر دیسک مجازی با مشکل خرابی روبرو شود (هرچند در محیط‌های مدیریت شده ابری کمتر رایج است زیرا ارائه‌دهنده افزونگی backend را مدیریت می‌کند) قابل بوت باقی می‌ماند.¹⁸
• داده‌های حیاتی برنامه: برای پایگاه‌های داده کوچک یا فایل‌های پیکربندی که در آن‌ها یکپارچگی داده‌ها مهم‌تر از ظرفیت ذخیره‌سازی خام است.³ این پیکربندی برای سرورهایی که نمی‌توانند حتی لحظه‌ای خرابی را تحمل کنند، حیاتی است.

۲.۳ RAID 5: توازن توزیع شده

RAID 5 برای تعادل سه هدف طراحی شده است: عملکرد، افزونگی و کارایی ذخیره‌سازی. این سطح به حداقل سه دیسک نیاز دارد و از نواری‌سازی سطح بلوک با توازن توزیع شده استفاده می‌کند.¹

۲.۳.۱ مکانیک معماری

داده‌ها در درایوها نوار می‌شوند، اما برای هر “نوار” داده، یک بلوک برای توازن رزرو شده است. نکته مهم این است که مکان این بلوک توازن در بین درایوها می‌چرخد (مثلاً توازن نوار ۱ در دیسک ۳ است، توازن نوار ۲ در دیسک ۲ است). این توزیع چرخشی از تبدیل شدن یک درایو واحد به گلوگاه برای نوشتن‌های توازن جلوگیری می‌کند.⁵

۲.۳.۲ تحلیل جریمه نوشتن (Write Penalty)

RAID 5 از “جریمه نوشتن” رنج می‌برد. هنگامی که یک بلوک داده به‌روزرسانی می‌شود، کنترل‌کننده نمی‌تواند به سادگی داده‌های قدیمی را بازنویسی کند. بلکه باید:

1. بلوک داده قدیمی را بخواند.
2. بلوک توازن قدیمی را بخواند.
3. داده‌های قدیمی را با داده‌های جدید مقایسه کند تا تغییر را محاسبه کند (XOR).
4. توازن جدید را محاسبه کند.
5. داده‌های جدید را بنویسد.
6. توازن جدید را بنویسد.این فرآیند منجر به چهار عملیات ورودی/خروجی (۲ خواندن + ۲ نوشتن) برای هر درخواست نوشتن منطقی واحد می‌شود.6 این ویژگی باعث می‌شود RAID 5 برای بارهای کاری با نوشتن زیاد، مانند پایگاه‌های داده تراکنشی، عملکرد ضعیفی داشته باشد.19 فرمول محاسبه عملکرد نوشتن در RAID 5 به صورت $NX/4$ بیان می‌شود که در آن $NX$ عملکرد نوشتن خام دیسک‌ها است.6

۲.۳.۳ پروفایل عملکرد

• عملکرد خواندن: بالا. خواندن‌ها در $N-1$ دیسک نوار می‌شوند و عملکردی مشابه RAID 0 ارائه می‌دهند.⁴ درخواست‌های خواندن موازی به خوبی مدیریت می‌شوند.
• عملکرد نوشتن: پایین تا متوسط. به شدت توسط چرخه خواندن-تغییر-نوشتن که در بالا توضیح داده شد، جریمه می‌شود. حافظه‌های پنهان نوشتن (Write Cache) روی کنترل‌کننده‌ها می‌توانند تا حدی این اثر را کاهش دهند.
• کارایی ذخیره‌سازی: بالا. محاسبه شده به عنوان $(N-1)/N$. در یک آرایه ۵ درایوی، ۸۰٪ فضا قابل استفاده است که بسیار بهتر از RAID 1 یا RAID 10 است.⁴

۲.۳.۴ خطر “خطای خواندن غیرقابل بازیابی” (URE)

در محاسبات مدرن، RAID 5 برای درایوهای سخت‌افزاری چرخان (HDD) با ظرفیت بالا به طور گسترده‌ای منسوخ یا خطرناک در نظر گرفته می‌شود.⁶

• مکانیسم شکست: HDDها دارای نرخ خطای خواندن غیرقابل بازیابی (URE) مشخصی هستند، معمولاً ۱ بیت در $10^{14}$. اگر یک درایو در آرایه RAID 5 خراب شود، آرایه وارد وضعیت “تخریب شده” (Degraded) می‌شود. برای بازسازی داده‌های از دست رفته، کنترل‌کننده باید تک تک بیت‌ها را از درایوهای باقی‌مانده بخواند.
• ریاضیات: با اندازه‌های مدرن درایو (مثلاً ۱۰ ترابایت و بیشتر)، خواندن کل آرایه باقی‌مانده برای بازسازی دیسک خراب، از نظر آماری احتمال برخورد با یک URE را بسیار بالا می‌برد. اگر یک URE در حین بازسازی رخ دهد، فرآیند بازسازی شکست می‌خورد و کل آرایه از دست می‌رود. این سناریو به عنوان “حفره نوشتن RAID 5” یا شکست بازسازی شناخته می‌شود.²¹ در نتیجه، برای آرایه‌های بزرگ، RAID 6 (توازن دوگانه) یا RAID 10 به شدت بر RAID 5 ترجیح داده می‌شود.

۲.۴ RAID 10: استاندارد ترکیبی

RAID 10 (یا RAID 1+0) یک سطح RAID “تودرتو” است که آینه‌سازی دیسک و نواری‌سازی دیسک را برای محافظت از داده‌ها ترکیب می‌کند.² این پیکربندی به حداقل چهار دیسک نیاز دارد.

۲.۴.۱ مکانیک معماری

RAID 10 یک مجموعه نواری از یک سری درایوهای آینه‌ای ایجاد می‌کند.

• چهار دیسک را تصور کنید: A، B، C، D.
• دیسک A و دیسک B آینه می‌شوند (آینه ۱).
• دیسک C و دیسک D آینه می‌شوند (آینه ۲).
• سپس داده‌ها در سراسر آینه ۱ و آینه ۲ نوار می‌شوند.این ساختار سلسله‌مراتبی اجازه می‌دهد تا سیستم همزمان از سرعت نواری‌سازی و امنیت آینه‌سازی بهره‌مند شود.

۲.۴.۲ پروفایل عملکرد

• عملکرد خواندن: عالی. سرعت نواری‌سازی را با در دسترس بودن چندین هد خواندن آینه‌سازی ترکیب می‌کند. در واقع، تمام دیسک‌ها می‌توانند در عملیات خواندن شرکت کنند.
• عملکرد نوشتن: بالا. در حالی که داده‌ها باید دو بار نوشته شوند (یک بار به هر آینه)، از سربار محاسباتی (توازن XOR) موجود در RAID 5 رنج نمی‌برد. این معمولاً سریع‌ترین سطح RAID برای بارهای کاری مختلط خواندن/نوشتن است.⁴ فرمول عملکرد نوشتن $NX/2$ است که بسیار بهتر از $NX/4$ در RAID 5 است.
• کارایی ذخیره‌سازی: ۵۰٪. مانند RAID 1، نیمی از ظرفیت به دلیل افزونگی از دست می‌رود. این امر آن را به گران‌ترین گزینه به ازای هر گیگابایت تبدیل می‌کند.⁴

۲.۴.۳ تحمل خطا

RAID 10 می‌تواند خرابی چندین درایو را تحمل کند، مادامی که هیچ دو خرابی در یک جفت آینه‌ای رخ ندهد. برای مثال، اگر دیسک A خراب شود، آرایه کار می‌کند. اگر دیسک C سپس خراب شود، آرایه همچنان کار می‌کند. با این حال، اگر دیسک B در حالی که دیسک A مرده است خراب شود، کل زیرمجموعه آینه ۱ از دست می‌رود و در نتیجه کل آرایه خراب می‌شود.³ با این حال، زمان بازسازی در RAID 10 بسیار سریع‌تر از RAID 5 است زیرا فقط نیاز به کپی کردن داده‌ها از دیسک سالم به دیسک جدید دارد و نیازی به محاسبات سنگین ریاضی ندارد.

۲.۴.۴ موارد استفاده ابری

RAID 10 “استاندارد طلایی” برای پایگاه‌های داده با عملکرد بالا (SQL, NoSQL) در فضای ابری است که در آن IOPS خام و ایمنی داده‌ها حیاتی هستند و هزینه ذخیره‌سازی یک نگرانی ثانویه است.²⁰ برای سرورهای ابری که میزبان برنامه‌های کاربردی حساس به تأخیر هستند، RAID 10 تنها گزینه قابل اعتماد برای تضمین پایداری عملکرد در زیر بار سنگین است.

۳. بنچمارک و مقایسه‌های کمی

برای کمک به تصمیم‌گیری، تحلیل مقایسه‌ای از معیارهای عملیاتی برای هر سطح RAID در جدول زیر ارائه شده است. این جدول خلاصه کاملی از ویژگی‌های کلیدی است که در بخش‌های قبل به تفصیل بحث شد.

۳.۱ جدول مقایسه توان عملیاتی و IOPS

۳.۲ تأثیر SSDها بر انتخاب RAID

ظهور درایوهای حالت جامد (SSD) منطق سنتی RAID را تغییر داده است. سرعت فوق‌العاده و تأخیر بسیار کم SSDها پارادایم‌های جدیدی را در طراحی آرایه‌ها ایجاد کرده است.

• عملکرد: SSDها آنقدر سریع هستند که RAID نرم‌افزاری (با استفاده از CPU میزبان) اغلب بر RAID سخت‌افزاری ترجیح داده می‌شود، زیرا کارت‌های کنترل‌کننده می‌توانند به گلوگاه تبدیل شوند.⁹ پردازنده‌های مدرن با هسته‌های متعدد می‌توانند عملیات RAID نرم‌افزاری را با سرعتی انجام دهند که از توان عملیاتی گذرگاه‌های PCIe کارت‌های RAID قدیمی فراتر می‌رود.
• پشتیبانی TRIM: یک مسئله حیاتی در RAID SSD، دستور TRIM است که به SSDها کمک می‌کند تا توازن سایش (Wear Leveling) و جمع‌آوری زباله (Garbage Collection) را مدیریت کنند. اکثر کنترل‌کننده‌های RAID سخت‌افزاری دستورات TRIM را به درایوهای عضو منتقل نمی‌کنند، که منجر به کاهش عملکرد نوشتن در طول زمان می‌شود.¹¹ RAID نرم‌افزاری (مانند mdadm لینوکس یا Windows Storage Spaces) اغلب از TRIM پشتیبانی می‌کند و آن را برای آرایه‌های تمام-فلش (All-Flash) برتر می‌سازد.¹²
• توازن سایش (Wear Leveling): در RAID 5/6، محاسبه توازن باعث تقویت نوشتن (Write Amplification) قابل توجهی می‌شود. این امر می‌تواند SSDهای مصرف‌کننده (Consumer-Grade) را بسیار سریع‌تر از SSDهای سازمانی فرسوده کند. بنابراین، RAID 5 به دلیل نگرانی‌های مربوط به استقامت (Endurance) برای SSDهای ارزان‌قیمت توصیه نمی‌شود.²⁸ برای استفاده از SSD در آرایه‌های RAID 5 یا 6، استفاده از درایوهای با DWPD (Drive Writes Per Day) بالا ضروری است.

۴. پیاده‌سازی استراتژیک در زیرساخت ابری

کاربرد RAID در محیط‌های ابری (مانند AWS EC2، Azure VMs یا Google Compute Engine) با سخت‌افزار داخلی (On-Premises) تفاوت‌های اساسی دارد. لایه‌های انتزاعی اضافه شده توسط مجازی‌سازی و سیستم‌های ذخیره‌سازی توزیع شده ارائه‌دهندگان ابر، قواعد بازی را تغییر داده‌اند.

۴.۱ پارادوکس “RAID ابری”

ارائه‌دهندگان بزرگ ابر از سیستم‌های ذخیره‌سازی سطح بالا (SAN) استفاده می‌کنند که از قبل تکنیک‌های افزونگی (اغلب Erasure Coding یا تکثیر سه‌گانه) را در سطح فیزیکی به کار می‌برند.29 به عنوان مثال، یک حجم AWS EBS از قبل در یک منطقه دسترسی (Availability Zone) تکثیر می‌شود تا از از دست رفتن داده‌ها ناشی از خرابی یک جزء جلوگیری کند.15

پیامد: پیاده‌سازی RAID 1 (آینه‌سازی) روی دو حجم EBS اغلب به عنوان یک “ضد الگو” (Anti-Pattern) برای افزونگی در نظر گرفته می‌شود، زیرا شما در حال آینه‌سازی داده‌هایی هستید که قبلاً توسط فروشنده آینه شده‌اند، و هزینه‌های خود را برای دستاوردهای ناچیز در قابلیت اطمینان دو برابر می‌کنید.15 این کار نه تنها هزینه را افزایش می‌دهد، بلکه ترافیک شبکه بین نمونه محاسباتی و سیستم ذخیره‌سازی را نیز دو برابر می‌کند که می‌تواند بر عملکرد تأثیر منفی بگذارد.

۴.۲ چه زمانی از RAID در فضای ابری استفاده کنیم؟

با وجود افزونگی ذاتی ذخیره‌سازی ابری، RAID نرم‌افزاری اغلب برای تجمیع عملکرد (Performance Aggregation) به جای ایمنی استفاده می‌شود. این کاربرد یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از RAID در معماری‌های ابری مدرن است.

۴.۲.۱ RAID 0 برای به حداکثر رساندن IOPS

حجم‌های ذخیره‌سازی بلوکی ابری اغلب دارای محدودیت‌های حجمی هستند. برای مثال، یک حجم SSD استاندارد ممکن است در ۱۶۰۰۰ IOPS محدود شود. اگر یک پایگاه داده به ۴۰۰۰۰ IOPS نیاز داشته باشد، یک معمار ابری می‌تواند چهار حجم ۱۰۰۰۰ IOPS را تهیه کرده و آن‌ها را با استفاده از RAID 0 نرم‌افزاری (مثلاً LVM یا mdadm) نوار کند. این کار یک حجم منطقی واحد را به سیستم‌عامل ارائه می‌دهد که دارای محدودیت نظری ۴۰۰۰۰ IOPS است.¹⁴ این روش یک روش استاندارد (Best Practice) برای استقرار SQL Server یا Oracle با عملکرد بالا در Azure و AWS است.³² علاوه بر افزایش IOPS، این روش پهنای باند (Throughput) را نیز افزایش می‌دهد که برای عملیات اسکن جدول کامل (Full Table Scan) در پایگاه‌های داده تحلیلی حیاتی است.

۴.۲.۲ RAID 10 برای ثبات پایگاه داده

در حالی که حجم‌های ابری قابل اعتماد هستند، می‌توانند “ریز-توقف” (Micro-stalls) یا جهش‌های تأخیر را تجربه کنند. RAID 10 در چندین حجم می‌تواند این نوسانات را هموار کند و ثبات خدمات بالاتری را برای پایگاه‌های داده تراکنشی حساس فراهم کند، حتی اگر هدف اصلی صرفاً افزونگی سخت‌افزاری نباشد.²⁰ با توزیع بار خواندن و نوشتن، تأثیر لحظه‌ای کندی یک حجم زیرین بر عملکرد کلی برنامه کاهش می‌یابد.

۴.۲.۳ مدیریت دیسک‌های مدیریت شده Azure (Azure Managed Disks)

در محیط Azure، توصیه‌ها برای استفاده از دیسک‌های مدیریت شده با RAID خاص هستند. مایکروسافت استفاده از RAID 0 را برای افزایش عملکرد در دیسک‌های استاندارد و پریمیوم توصیه می‌کند.³³ با این حال، باید توجه داشت که دیسک‌های Ultra Disk و Premium SSD v2 امکان تنظیم عملکرد (IOPS و Throughput) را بدون نیاز به تغییر اندازه دیسک یا راه‌اندازی RAID فراهم می‌کنند.³⁴ این ویژگی نیاز به پیکربندی‌های پیچیده RAID 0 را در بسیاری از سناریوها کاهش می‌دهد. با این وجود، برای عبور از محدودیت‌های نهایی یک دیسک Ultra، همچنان نواری‌سازی (Striping) ضروری است. نکته مهم در Azure تنظیم صحیح اندازه نوار (Stripe Size) است تا از ناهماهنگی ورودی/خروجی (I/O Misalignment) جلوگیری شود که می‌تواند عملکرد را کاهش دهد.³⁵ همچنین، استفاده از حافظه پنهان میزبان (Host Caching) باید با دقت پیکربندی شود؛ برای دیسک‌های داده‌ای که در RAID شرکت دارند، معمولاً حافظه پنهان باید روی “Read-only” یا “None” تنظیم شود تا از یکپارچگی داده‌ها اطمینان حاصل شود.³²

۴.۳ نمونه‌های فلز لخت در مقابل مجازی‌سازی شده

• نمونه‌های مجازی‌سازی شده (EC2/Azure VM): همیشه از RAID نرم‌افزاری (Linux mdadm یا Windows Storage Spaces) استفاده کنید. RAID سخت‌افزاری در دسترس نیست زیرا لایه سخت‌افزار فیزیکی از شما پنهان است.¹⁵
• نمونه‌های فلز لخت (Bare Metal): برخی از ارائه‌دهندگان ابری (مانند Oracle OCI یا AWS Bare Metal) نمونه‌هایی با درایوهای NVMe محلی ارائه می‌دهند. این درایوهای محلی اغلب موقت (Ephemeral) هستند (داده‌ها با توقف/شروع از بین می‌روند) و توسط ارائه‌دهنده تکثیر نمی‌شوند. در این موارد خاص، کاربر باید RAID (معمولاً RAID 10 یا RAID 6) را پیاده‌سازی کند تا در برابر خرابی درایو در طول زمان اجرای نمونه محافظت کند.³⁶ در Oracle Cloud، گزینه‌هایی برای پیکربندی RAID 1، 6 یا 10 بر روی نمونه‌های DenseIO وجود دارد تا از داده‌های روی NVMe های محلی محافظت شود.³⁶ عدم استفاده از RAID در این سناریوها به معنای پذیرش ریسک بالای از دست رفتن داده‌ها در صورت خرابی یک درایو NVMe فیزیکی است.

۵. سناریوهای استقرار و توصیه‌ها

انتخاب سطح RAID مناسب مستلزم ایجاد تعادل بین سه محدودیت متضاد است: ظرفیت، عملکرد و بودجه. تحلیل دقیق نیازهای هر سناریو برای انتخاب صحیح حیاتی است.

۵.۱ سناریوی الف: سرور وب / سرور برنامه

• بار کاری: خواندن زیاد، فایل‌های عمدتاً ثابت (HTML، CSS، تصاویر)، گزارش‌ها (Logs).
• الزامات: خواندن سریع، بازیابی سریع، در دسترس بودن بالا.
• توصیه: RAID 1 یا RAID 10.
• استدلال: سرورهای وب اغلب به در دسترس بودن بالا نیاز دارند. اگر یک درایو خراب شود، سرور باید آنلاین بماند. RAID 1 برای درایو سیستم‌عامل مقرون‌به‌صرفه است. برای گزارش‌های داده، اگر IOPS کم باشد، RAID 1 کافی است. اگر ترافیک بالا باشد، RAID 10 همزمانی (Concurrency) بهتری ارائه می‌دهد.²⁴ در محیط‌های ابری، استفاده از RAID 1 برای دیسک‌های بوت سیستم‌عامل کمتر رایج است (چون ایمیج‌ها معمولاً روی فضای ذخیره‌سازی پایدار هستند)، اما برای داده‌های محلی برنامه که نیاز به persistence دارند، بسیار مفید است.

۵.۲ سناریوی ب: سرور پایگاه داده (SQL/NoSQL)

• بار کاری: مخلوط خواندن/نوشتن، ورودی/خروجی تصادفی بالا، یکپارچگی تراکنشی (ACID).
• الزامات: نوشتن با تأخیر کم، IOPS بالا، ایمنی داده‌ها.
• توصیه: RAID 10.
• استدلال: پایگاه‌های داده ذخیره‌سازی را با نوشتن‌های تصادفی تحت فشار قرار می‌دهند. جریمه نوشتن RAID 5 در اینجا غیرقابل قبول است و باعث افزایش شدید تأخیر تراکنش می‌شود.⁶ RAID 10 بهترین عملکرد نوشتن را ارائه می‌دهد و سربار توازن را حذف می‌کند. جریمه ذخیره‌سازی ۵۰ درصدی با دستاوردهای عملکردی توجیه می‌شود.⁴ برای پایگاه‌های داده ابری مانند PostgreSQL و MySQL، RAID 10 عملکرد قابل پیش‌بینی‌تری نسبت به RAID 5 ارائه می‌دهد.³⁹ نواری‌سازی (RAID 0) تنها در صورتی گزینه است که پایگاه داده دارای تکثیر داخلی (مانند Cassandra یا MongoDB Replica Sets) باشد که افزونگی را در لایه برنامه مدیریت می‌کند.

۵.۳ سناریوی ج: سرور فایل / آرشیو پشتیبان

• بار کاری: نوشتن‌های متوالی (فایل‌های بزرگ)، خواندن‌های غیرمکرر.
• الزامات: حداکثر ظرفیت ذخیره‌سازی به ازای هر دلار.
• توصیه: RAID 6 (یا ZFS RAID-Z2).
• استدلال: RAID 5 برای آرشیوهای بزرگ به دلیل مسئله بازسازی URE بسیار پرخطر است.²¹ RAID 6 اجازه می‌دهد تا دو خرابی همزمان درایو رخ دهد، که آرایه را در طول زمان‌های طولانی بازسازی HDDهای بزرگ محافظت می‌کند.¹⁸ RAID 10 برای ذخیره‌سازی سرد (Cold Storage) که در آن عملکرد ثانویه نسبت به ظرفیت است، بسیار گران است (۵۰٪ ضرر).²⁴ در سرورهای پشتیبان ابری، استفاده از فضای ذخیره‌سازی ارزان قیمت (مانند HDD های سرد) با RAID 6 تعادل خوبی بین هزینه و امنیت ایجاد می‌کند.

۵.۴ سناریوی د: ویرایش ویدئو / تحلیل داده‌های بزرگ (Big Data)

• بار کاری: توان عملیاتی متوالی عظیم.
• الزامات: حداکثر سرعت.
• توصیه: RAID 0 (با پشتیبان‌گیری خارجی دقیق).
• استدلال: برای چرک‌نویس‌های پردازش (Scratchpads) که داده‌ها می‌توانند دوباره دانلود یا تولید شوند، RAID 0 حداکثر پهنای باند تمام درایوهای ترکیبی را ارائه می‌دهد. این در مزارع رندر ویدئو یا گره‌های کارگر Hadoop رایج است.⁴ در این سناریوها، سرعت خواندن/نوشتن خام مستقیماً به زمان انجام پروژه ترجمه می‌شود، بنابراین ریسک عدم افزونگی پذیرفته می‌شود.

۶. ZFS و آینده RAID

زیرساخت‌های ابری مدرن به طور فزاینده‌ای از RAID “سطح بلوک” (مانند mdadm) به سمت RAID “سطح سیستم فایل”، به ویژه ZFS، حرکت می‌کنند.⁴¹ این تغییر رویکرد به دلیل محدودیت‌های RAID سنتی در تضمین یکپارچگی داده‌ها در مقیاس‌های پتابایتی است.

• یکپارچگی داده‌ها: کنترل‌کننده‌های RAID سنتی نمی‌توانند “پوسیدگی بیت” (Bit Rot) یا فساد خاموش داده‌ها را تشخیص دهند. اگر یک بیت روی دیسک تغییر کند، کنترل‌کننده RAID آن را به عنوان معتبر می‌خواند و ممکن است آن را در سراسر آرایه منتشر کند. ZFS چک‌سام (Checksum) تمام داده‌ها را ذخیره می‌کند. اگر بلوکی را بخواند و چک‌سام مطابقت نداشته باشد، به طور خودکار داده‌ها را از درایو توازن/آینه ترمیم می‌کند.⁴² این ویژگی خود-ترمیمی (Self-healing) برای آرشیوهای طولانی مدت حیاتی است.
• RAID-Z: ZFS جایگزین‌های پیشرفته‌تری برای RAID 5 و 6 با نام‌های RAID-Z1 و RAID-Z2 معرفی می‌کند. این‌ها مشکل “حفره نوشتن” (Write Hole) را با استفاده از عرض نوار متغیر و نوشتن‌های اتمیک حل می‌کنند، که آن‌ها را برای آرایه‌های بزرگ ایمن‌تر می‌سازد.⁴¹
• مدیریت آسان: ZFS مدیریت حجم و سیستم فایل را یکپارچه می‌کند. افزودن دیسک، ایجاد اسنپ‌شات (Snapshot) و ارسال داده‌ها به مکان‌های دیگر در ZFS بسیار ساده‌تر از مدیریت لایه‌های جداگانه LVM و mkfs روی RAID سنتی است.¹⁰
• توصیه: برای نمونه‌های ابری با ذخیره‌سازی سنگین (مانند سرورهای ذخیره‌سازی)، پذیرش ZFS (به ویژه RAID-Z2) اغلب به دلیل این تضمین یکپارچگی داده‌ها بر RAID 6 نرم‌افزاری سنتی ارجحیت دارد. با این حال، ZFS به منابع RAM قابل توجهی نیاز دارد که باید در هزینه‌های نمونه ابری لحاظ شود.

۷. تحلیل هزینه در محیط‌های ابری

پیاده‌سازی RAID در فضای ابری پیامدهای مالی مستقیم و قابل توجهی دارد. مدل هزینه‌ای ابر با مدل خرید سخت‌افزار سنتی متفاوت است و این باید در طراحی لحاظ شود.

• IOPS تدارک دیده شده در مقابل RAID 0: در AWS، شما برای “Provisioned IOPS” (حجم‌های io1/io2) هزینه اضافی پرداخت می‌کنید. اغلب ارزان‌تر است که دو حجم ارزان‌تر “General Purpose” (gp3) بخرید و آن‌ها را نوار (RAID 0) کنید تا IOPS پایه دو برابر دریافت کنید تا اینکه برای یک حجم با عملکرد بالا هزینه کنید.³¹ این استراتژی “Scaling Out” ذخیره‌سازی می‌تواند صرفه‌جویی قابل توجهی در صورت‌حساب ماهیانه ایجاد کند.
• هزینه افزونگی: استفاده از RAID 10 در فضای ابری عملاً صورت‌حساب ذخیره‌سازی شما را دو برابر می‌کند. از آنجایی که ارائه‌دهنده ابر قبلاً دوام (Durability) حدود ۹۹.۹٪ را در حجم‌های تک تضمین می‌کند، هزینه اضافی RAID 10 باید با نیاز به آپتایم (Availability) توجیه شود نه فقط حفظ داده‌ها. اگر یک حجم ابری تک خراب شود، بازیابی از اسنپ‌شات ممکن است دقایقی طول بکشد. یک آرایه RAID 10 ممکن است فوراً از خرابی جان سالم به در ببرد. هزینه اضافی، حق بیمه‌ای است که برای آن تداوم پرداخت می‌شود.⁴⁵
• هزینه پردازش: RAID نرم‌افزاری از چرخه‌های CPU استفاده می‌کند. در نمونه‌های ابری کوچکتر با منابع CPU محدود، سربار محاسبه توازن RAID 5 یا 6 ممکن است بر عملکرد برنامه‌های کاربردی تأثیر بگذارد و نیاز به ارتقای نمونه (Instance Resize) به کلاسی گران‌تر را ایجاد کند. RAID 10 سربار CPU کمتری دارد و ممکن است در مجموع (با احتساب هزینه CPU) به‌صرفه‌تر باشد.

۸. نتیجه‌گیری

RAID همچنان یک فناوری حیاتی در معماری زیرساخت‌های سرور قوی است، اما کاربرد آن تکامل یافته است. در عصر رایانش ابری، بحث “سخت‌افزار در مقابل نرم‌افزار” عمدتاً به نفع پیاده‌سازی نرم‌افزاری حل شده است، و بحث “RAID 5 در مقابل RAID 10” به دلیل خطرات مرتبط با بازسازی درایوهای بزرگ، قاطعانه به سمت RAID 10 برای سیستم‌های حساس به عملکرد تغییر کرده است.

برای معمار ابری، نکته کلیدی این است که RAID دیگر فقط در مورد جلوگیری از از دست رفتن داده‌ها نیست—ارائه‌دهندگان ابر دوام پایه را مدیریت می‌کنند. در عوض، RAID در فضای ابری ابزاری برای مهندسی عملکرد (تجمیع پهنای باند از طریق RAID 0) و تضمین ثبات (هموارسازی تأخیر از طریق RAID 10) است. درک دقیق تعامل بین لایه‌های ذخیره‌سازی ابری و مکانیزم‌های RAID، کلید طراحی سیستم‌هایی است که هم مقرون‌به‌صرفه هستند و هم عملکرد بالایی دارند.

خلاصه توصیه‌ها:

• اجتناب از RAID 5 بر روی درایوهای مکانیکی بزرگ و بارهای کاری با نوشتن زیاد به دلیل خطر URE و جریمه نوشتن.
• استفاده از RAID 10 برای پایگاه‌های داده و برنامه‌های کاربردی حیاتی که در آن‌ها تأخیر ورودی/خروجی اهمیت دارد.
• استفاده از RAID 0 به صورت هوشمندانه برای دور زدن محدودیت‌های توان عملیاتی حجم ابری، اما صرفاً برای داده‌های غیرحیاتی یا دارای تکثیر در لایه برنامه.
• هرگز با RAID مانند پشتیبان برخورد نکنید. RAID در برابر خرابی سخت‌افزار محافظت می‌کند، نه خطای انسانی، بدافزار یا خرابی فاجعه‌بار سایت. پشتیبان‌گیری‌های خارج از سایت (Off-site Backups) بدون توجه به سطح RAID مورد استفاده، الزامی باقی می‌مانند.¹