مصالحه در ذخیره‌سازی رید (RAID): توازن تحمل خرابی دیسک در برابر سرعت نوشتن و سربار ظرفیت

استفاده از یک آرایه ذخیره‌سازی چند دیسکی، مصالحه‌ای ثابت و ریاضی بین میزان داده‌ای که روی سخت‌افزار جا می‌شود و سرعت نوشتن روی دیسک‌ها را تحمیل می‌کند. خریداری که چهار دیسک ١٠ ترابایتی می‌خرد، ٤٠ ترابایت ظرفیت خام به دست می‌آورد، اما پیکربندی آن‌ها برای افزونگی فوراً فضای قابل استفاده را بسته به معماری انتخابی، به ٢٠ یا ٣٠ ترابایت کاهش می‌دهد. استاندارد آرایه اضافی از دیسک‌های مستقل (RAID) این جریمه‌های دقیق را دیکته می‌کند و داده‌ها را در چندین دیسک فیزیکی توزیع می‌کند تا از نابودی پایگاه داده یا آرشیو رسانه‌ای در اثر خرابی مکانیکی یک دیسک جلوگیری کند.[1][4]

پیکربندی‌های پایه، نشان‌دهنده نقاط انتهایی این مصالحه هستند. RAID ٠، که به نواربندی دیسک (disk striping) معروف است، داده‌ها را به طور مساوی بین دو یا چند دیسک تقسیم می‌کند تا سرعت خواندن و نوشتن را به حداکثر برساند و ١٠٠٪ از ظرفیت خریداری شده را استفاده کند. انجمن ذخیره‌سازی سازمانی (Enterprise Storage Forum) اشاره می‌کند که «RAID ٠ هیچ افزونگی یا تحمل خطایی ارائه نمی‌دهد»، به این معنی که اگر یک دیسک در یک آرایه چهار دیسکی RAID ٠ خراب شود، کل حجم برای همیشه از دست می‌رود. این سطح منحصراً برای دیسک‌های موقت (scratch disks) استفاده می‌شود که در آن‌ها سرعت تنها معیار مهم است.[1][3]

در مقابل، RAID ١ داده‌ها را به طور یکسان در دو دیسک آینه‌سازی (mirror) می‌کند. این تضمین می‌کند که سیستم بدون وقفه از خرابی یک دیسک جان سالم به در می‌برد، اما جریمه سخت ٥٠ درصدی ظرفیت را تحمیل می‌کند. هر بلوک داده باید دو بار نوشته شود، که ذاتاً سرعت نوشتن را به عملکرد یک دیسک محدود می‌کند. برای استقرار در مقیاس کوچک مانند یک دستگاه ذخیره‌ساز متصل به شبکه (NAS) دو دیسکی که سوابق مالی حیاتی را نگهداری می‌کند، RAID ١ ساده‌ترین و مطمئن‌ترین پشتیبان‌گیری در سطح سخت‌افزار را فراهم می‌کند.[2][4]

برای محیط‌هایی که هم به ظرفیت و هم به حفاظت نیاز دارند، RAID ٥ مفهوم توازن توزیع شده (distributed parity) را معرفی می‌کند. RAID ٥ که حداقل به سه دیسک نیاز دارد، داده‌ها را در سراسر آرایه می‌نویسد در حالی که یک بلوک توازن ریاضی را محاسبه می‌کند که می‌تواند داده‌های از دست رفته را در صورت از کار افتادن یک دیسک بازسازی کند. این پیکربندی صرف نظر از اندازه آرایه، دقیقاً به اندازه ظرفیت یک دیسک هزینه دارد. یک تنظیم سه دیسکی ٦٦٪ فضای قابل استفاده و یک تنظیم چهار دیسکی ٧٥٪ فضای قابل استفاده را به دست می‌دهد.[1][5]

در حالی که سرعت خواندن در RAID ٥ با افزودن هر دیسک به طور مؤثر افزایش می‌یابد، سربار محاسباتی محاسبه توازن، عملکرد نوشتن را جریمه می‌کند. هر عملیات نوشتن مستلزم آن است که کنترلر داده‌های موجود را بخواند، توازن موجود را بخواند، توازن جدید را محاسبه کند، و سپس هم داده جدید و هم توازن جدید را روی دیسک‌ها بنویسد. این «جریمه نوشتن» (write penalty) باعث می‌شود RAID ٥ برای برنامه‌های پایگاه داده با حجم نوشتن بالا که هزاران تراکنش کوچک در ثانیه را پردازش می‌کنند، مناسب نباشد.[3][5]

همزمان با افزایش اندازه هارد دیسک‌های تکی به بیش از ٢٠ ترابایت در دهه ٢٠٢٠، زمان لازم برای بازسازی یک آرایه RAID ٥ خراب شده از ساعت‌ها به روزها کشیده شد. در طول این پنجره بازسازی، دیسک‌های باقی‌مانده تحت حداکثر بار پایدار کار می‌کنند. اگر دیسک دومی در طول این فرآیند فشرده خراب شود، کل آرایه از بین می‌رود. این آسیب‌پذیری، که به عنوان خطای خواندن غیرقابل بازیابی (URE) در طول بازسازی شناخته می‌شود، اساساً استراتژی‌های ذخیره‌سازی سازمانی را از RAID ٥ برای دیسک‌های مکانیکی با ظرفیت بالا دور کرد.[4][6]

RAID ٦ این آسیب‌پذیری بازسازی را با نوشتن دو بلوک توازن مستقل در حداقل چهار دیسک کاهش می‌دهد. این معماری توازن دوگانه به سیستم اجازه می‌دهد تا از خرابی همزمان دو دیسک جان سالم به در ببرد. هزینه آن، جریمه ظرفیت دو دیسک و کاهش بیشتر سرعت نوشتن به دلیل محاسبه توازن دوگانه است. در یک آرایه هشت دیسکی، RAID ٦، ٢٥٪ از ظرفیت خام را برای توازن ذخیره می‌کند، در مقایسه با ١٢.٥٪ برای RAID ٥، اما حاشیه ایمنی لازم را برای استخرهای ذخیره‌سازی عظیم فراهم می‌کند.[4][6]

طبق گزارش فنی HPE، «RAID ٦ انتخاب عملی برای ذخیره‌سازی استاندارد سازمانی است»، و این پیکربندی را عمدتاً به سمت نقش‌های آرشیوی و پشتیبان‌گیری با ظرفیت بالا سوق می‌دهد که در آن‌ها قابلیت اطمینان خواندن بر سرعت نوشتن اولویت دارد. جریمه سنگین نوشتن ناشی از محاسبات توازن دوگانه اغلب در سیستم‌های مدرن توسط کنترلرهای سخت‌افزاری اختصاصی RAID که مجهز به گیگابایت حافظه کش داخلی هستند، جبران می‌شود. این کش‌ها داده‌های ورودی را جذب می‌کنند در حالی که پردازنده بلوک‌های توازن را در پس‌زمینه محاسبه می‌کند.[5][6]

حجم‌های کاری که هم تحمل خطای بالا و هم حداکثر عملکرد نوشتن را طلب می‌کنند، به طور کامل توازن را کنار گذاشته و به نفع RAID ١٠ عمل می‌کنند. RAID ١٠ با ترکیب آینه‌سازی RAID ١ با نواربندی RAID ٠ در حداقل چهار دیسک، سرعت‌های خواندن و نوشتن استثنایی را ارائه می‌دهد. این سطح می‌تواند از خرابی‌های متعدد دیسک جان سالم به در ببرد، مشروط بر اینکه خرابی‌ها در یک جفت آینه‌سازی شده رخ ندهند. از آنجایی که توازن را محاسبه نمی‌کند، جریمه نوشتن از بین می‌رود.[2][3]

مانع مالی RAID ١٠، جریمه ٥٠ درصدی ظرفیت آن باقی می‌ماند و خریداران را ملزم می‌کند دو برابر ظرفیت خام مورد نظر خود را خریداری کنند. یک آرایه خام ٤٠ ترابایتی تنها ٢٠ ترابایت فضای قابل استفاده می‌دهد. اتاق‌های ویرایش ویدئو، میزبان‌های مجازی‌سازی و پایگاه‌های داده با تراکنش بالا، این هزینه را برای حفظ سرعت نوشتن تحت بار سنگین توجیه می‌کنند. این تصمیم سقف عملکرد و آستانه خرابی آرایه را در لحظه فرمت شدن حجم تثبیت می‌کند و قابلیت‌های سخت‌افزار را برای کل طول عمر عملیاتی آن دیکته می‌کند.[1][2]