شرکت پردیس پارس در زمینه خدمات فناوری اطلاعات فعالیت گسترده‌ای دارد و هدف آن ارائه خدمات شبکه در بالاترین سطح کیفیت و کسب رضایت مشتری می‌باشد. راه‌اندازی بستر مناسب شبکه برای سازمان شما، نصب، پیاده‌سازی و راه‌اندازی شبکه و سرور و راه‌اندازی انواع سرویس‌های ویندوزی از جمله اهداف ما می‌باشد. در این مقاله که توسط مهندس اشکان پزشکی تهیه و تدوین شده است، قصد داریم به بررسی مفاهیم RAID و Disk Performance بپردازیم. آشنایی با این مفاهیم برای بهینه‌سازی ذخیره‌سازی داده‌ها، افزایش کارایی و امنیت اطلاعات در سیستم‌های کامپیوتری و سرورها ضروری است. RAID به عنوان یک فناوری ترکیب دیسک‌ها، نقش مهمی در بهبود عملکرد و حفاظت از داده‌ها دارد. در ادامه، انواع سطوح RAID و مزایای هر یک را بررسی خواهیم کرد.
هنگام پیکربندی یک استوریج، یکی از مهم‌ترین تصمیماتی که باید اتخاذ کنید، انتخاب نوع RAID مناسب است. این انتخاب به دو عامل کلیدی بستگی دارد:
- ظرفیت ذخیره‌سازی (Capacity)
- عملکرد (Performance)
در این مقاله، تمرکز ما بر روی عملکرد (Performance) RAID خواهد بود.
معیار سنجش عملکرد دیسک (Disk Performance)
معیاری که برای سنجش عملکرد دیسک‌ها به کار می‌رود، IOPS (Input/Output Per Second) است. هر درخواست خواندن یا نوشتن داده، یک واحد IOPS محسوب می‌شود. هر دیسک در یک سیستم ذخیره‌ساز (Storage) مقدار مشخصی IOPS ارائه می‌دهد که این مقدار به عوامل زیر بستگی دارد:
- سرعت چرخش دیسک (RPM)
- زمان تأخیر متوسط (Average Latency)
- مدت زمان جستجو (Seek Time)
در جدول زیر، مقادیر میانگین IOPS برای دیسک‌هایی با سرعت‌های مختلف آورده شده است:
| سرعت دیسک (RPM) | میانگین IOPS |
|---|---|
| 15000 | 175 |
| 10000 | 125 |
| 7200 | 75 |
| 5400 | 50 |
تأثیر مفاهیم RAID بر عملکرد دیسک
در محاسبه IOPS دیسک‌های مستقل (JBOD)، فرمول ساده‌ای وجود دارد که مقدار IOPS را با توجه به تعداد دیسک‌ها محاسبه می‌کند. اما زمانی که دیسک‌ها در یک RAID قرار می‌گیرند، محاسبه دقیق IOPS پیچیده‌تر می‌شود. علت این امر، نیاز به نوشتن داده‌های افزونه (Redundant Data) و محاسباتی است که RAID برای حفظ یکپارچگی اطلاعات انجام می‌دهد.
برای مثال، فرض کنید در یک سیستم از RAID 4 با چهار عدد دیسک استفاده کنیم. در این پیکربندی:
- سه دیسک برای ذخیره داده‌ها به کار می‌روند.
- دیسک چهارم برای ذخیره اطلاعات افزونه (Parity) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نحوه ذخیره‌سازی داده‌ها در RAID 4
در RAID 4، فرآیند ذخیره‌سازی داده‌ها و اطلاعات افزونه بر اساس محاسبات XOR انجام می‌شود. در این ساختار، ابتدا داده‌ها روی سه دیسک ذخیره شده و سپس اطلاعات Parity برای هر بلوک محاسبه و روی دیسک چهارم نوشته می‌شود.
این مکانیزم به سیستم اجازه می‌دهد در صورت خرابی یکی از دیسک‌ها، داده‌ها را بدون از دست رفتن اطلاعات بازیابی کند. با این حال، به دلیل نیاز به نوشتن اطلاعات Parity، عملکرد RAID 4 در عملیات نوشتن کندتر از RAID 0 یا RAID 10 خواهد بود.
این مثال نشان می‌دهد که انتخاب نوع RAID مستقیماً بر روی عملکرد و ظرفیت سیستم ذخیره‌سازی تأثیر می‌گذارد. در ادامه مقاله، سایر انواع RAID و تأثیر آن‌ها بر IOPS و کارایی استوریج را بررسی خواهیم کرد.
مفاهیم RAID
عمل نوشتن (Write) روی دیسک انجام نمی‌شود مگر زمانی که هم داده (Data) و هم اطلاعات افزونه (Parity) به‌طور کامل روی دیسک‌ها نوشته شوند. مدت زمان اضافی که سیستم باید برای نوشتن اطلاعات افزونه منتظر بماند، به عنوان RAID Penalty شناخته می‌شود.
نکته‌ای که باید در نظر داشت این است که عملیات خواندن (Read) نیازی به محاسبه اطلاعات Parity ندارد، بنابراین RAID Penalty تنها در فرآیند نوشتن اعمال می‌شود. زمانی که داده‌ها بر روی دیسک نوشته می‌شوند، سیستم باید اطلاعات افزونه را نیز محاسبه کرده و ذخیره کند، که این امر باعث افزایش تأخیر در نوشتن می‌شود.
نکته مهم:
در RAID 0 هیچ‌گونه Write Penalty وجود ندارد زیرا هیچ اطلاعات افزونه‌ای (Parity) محاسبه و ذخیره نمی‌شود.
جدول میزان Write Penalty در انواع RAID:
| RAID Level | Write Penalty |
|---|---|
| RAID 1 | 2 |
| RAID 5 | 4 |
| RAID 6 | 6 |
| RAID DP | 2 |
| RAID 10 | 2 |
RAID 1 – محاسبه ساده‌ترین Write Penalty
Mirror یا RAID 1 یکی از ساده‌ترین ساختارهای RAID است. میزان Write Penalty در این RAID برابر با 2 است، زیرا داده‌ها هم‌زمان روی دو دیسک نوشته می‌شوند. به‌عبارت دیگر، هر عملیات نوشتن باید روی هر دو دیسک به‌طور هم‌زمان انجام شود.
RAID 5 – افزایش پیچیدگی در نوشتن داده‌ها
در RAID 5، میزان Write Penalty بالاتر است زیرا چگونگی توزیع داده‌ها بر روی دیسک‌ها پیچیده‌تر از RAID 1 است.
RAID 5 مشابه RAID 4 عمل می‌کند، با این تفاوت که اطلاعات Parity به‌جای ذخیره شدن روی یک دیسک خاص، میان تمامی دیسک‌ها پخش می‌شود.
در RAID 4، یک دیسک به‌طور اختصاصی برای ذخیره اطلاعات Parity استفاده می‌شود. اما در RAID 5، داده‌ها و اطلاعات افزونه در بین تمامی دیسک‌ها توزیع می‌شوند. این امر باعث می‌شود که برای هر عملیات نوشتن، محاسبه و ذخیره اطلاعات افزونه نیز مورد نیاز باشد، که تأخیر نوشتن را افزایش می‌دهد.
در ادامه، فرآیند توزیع داده و اطلاعات افزونه در RAID 5 را بررسی خواهیم کرد.
Write Penalty در RAID 5
در RAID 5، میزان Write Penalty برابر با 4 است (در این سناریو). دلیل این امر این است که هر تغییر در داده‌ها نیازمند خواندن داده اصلی، خواندن اطلاعات Parity، محاسبه مجدد Parity، و در نهایت نوشتن داده جدید به همراه Parity جدید است. این فرآیند باعث افزایش میزان تأخیر در عملیات نوشتن می‌شود.
Write Penalty در RAID 6
RAID 6 فرآیندی مشابه RAID 5 دارد، اما با یک تفاوت مهم: محاسبه و نوشتن اطلاعات Parity دو بار انجام می‌شود.
به این ترتیب، برای هر تغییر در داده‌ها، سه عملیات خواندن و سپس سه عملیات نوشتن صورت می‌گیرد، که منجر به Write Penalty برابر با 6 می‌شود.
RAID DP (Double Parity)
در این نوع RAID، دو دیسک برای ذخیره اطلاعات Parity در نظر گرفته شده است. این ویژگی موجب افزایش مقاومت در برابر خرابی دو دیسک هم‌زمان می‌شود و از از دست رفتن داده‌ها (Data Loss) جلوگیری می‌کند.
از نظر عملکرد، RAID DP بسیار شبیه RAID 6 است. اما برخلاف تصور، میزان Write Penalty در RAID DP به اندازه RAID 6 بالا نیست. دلیل این امر به ساختار WAFL (Write Anywhere File Layout) بازمی‌گردد.
WAFL مکانیزمی است که داده‌های جدید را در محل‌های جدید روی دیسک ذخیره می‌کند و از بازنویسی داده‌های قدیمی در همان مکان جلوگیری می‌کند. این روش باعث کاهش Read Operations شده و بهینه‌سازی قابل توجهی در عملکرد RAID DP ایجاد می‌کند.
درک مفاهیم RAID
نتیجه‌گیری: مفاهیم RAID
RAID یک فناوری کلیدی در ذخیره‌سازی داده‌ها است که با ترکیب چندین دیسک، افزایش کارایی، امنیت و ظرفیت ذخیره‌سازی را فراهم می‌کند. انتخاب نوع RAID مناسب بستگی به نیاز سازمانی دارد؛ RAID 0 برای بهبود عملکرد، RAID 1 برای افزایش امنیت از طریق Mirroring، و RAID 5 و 6 برای تعادل بین کارایی و تحمل خطا استفاده می‌شوند. همچنین، مفهوم Write Penalty در RAIDهای مختلف، بر عملکرد نوشتن داده‌ها تأثیر مستقیم دارد و باید در هنگام طراحی استوریج در نظر گرفته شود. در نهایت، آشنایی با IOPS و تأثیر RAID بر آن، به مدیران IT کمک می‌کند تا بهترین راهکار ذخیره‌سازی را بر اساس نیازهای سازمان و منابع موجود انتخاب کنند.