RAID سخت افزاری و نرم افزاری چیست؟ بررسی تفاوت Hardware RAID و Software RAID

📘

RAID یکی از فناوری‌های قدیمی اما همچنان مهم در زیرساخت ذخیره‌سازی سرورهاست. ایده اصلی آن ساده به نظر می‌رسد: چند دیسک فیزیکی را در قالب یک آرایه مدیریت کنیم تا بسته به نوع RAID، به عملکرد بهتر، افزایش دسترس‌پذیری یا استفاده مؤثرتر از ظرفیت ذخیره‌سازی برسیم.

البته RAID به‌تنهایی جایگزین Backup نیست. اگر اطلاعات مهم یک سازمان فقط روی یک آرایه RAID قرار داشته باشد، خرابی چند دیسک، خطای انسانی، آسیب فایل‌سیستم، حمله باج‌افزاری یا خرابی‌های دیگر همچنان می‌تواند اطلاعات را در معرض خطر قرار دهد. RAID بیشتر برای مدیریت خرابی دیسک و حفظ سرویس در شرایط مشخص طراحی شده است.

RAID را می‌توان به روش‌های مختلفی پیاده‌سازی کرد. دو رویکرد اصلی عبارت‌اند از Hardware RAID که توسط یک کنترلر اختصاصی انجام می‌شود و Software RAID که بخش اصلی مدیریت آرایه را به سیستم‌عامل یا نرم‌افزار مربوط می‌سپارد.

انتخاب بین این دو روش، مخصوصاً در سرورهای سازمانی، فقط به قیمت کنترلر محدود نمی‌شود. نوع workload، سطح RAID، تعداد دیسک‌ها، نوع ذخیره‌ساز، سیستم‌عامل و اهمیت دسترس‌پذیری همگی در تصمیم نهایی تأثیر دارند.

RAID سخت افزاری چیست؟

در Hardware RAID، یک کنترلر اختصاصی مسئول مدیریت آرایه دیسک‌هاست. این کنترلر بین سرور و درایوهای فیزیکی قرار می‌گیرد و عملیات مربوط به RAID را مدیریت می‌کند.

در سرورهای HPE، خانواده Smart Array یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های کنترلرهای RAID سخت‌افزاری است. بسته به مدل کنترلر، قابلیت‌هایی مانند RAID 0، 1، 5، 6، 10، 50 و 60، مدیریت Spare، Rebuild، Read Load Balancing و امکانات مدیریتی مختلف در دسترس قرار می‌گیرد. البته همه کنترلرها از تمام این قابلیت‌ها پشتیبانی نمی‌کنند و باید مشخصات مدل موردنظر بررسی شود.

در این معماری، سیستم‌عامل معمولاً با یک یا چند Logical Drive کار می‌کند و جزئیات نحوه توزیع داده میان دیسک‌های فیزیکی توسط کنترلر مدیریت می‌شود.

Hardware RAID چگونه داده‌ها را مدیریت می‌کند؟

فرض کنید چهار دیسک در اختیار دارید و می‌خواهید آن‌ها را در یک آرایه RAID 10 قرار دهید. کنترلر RAID داده‌ها را مطابق ساختار RAID 10 روی زوج‌های Mirror توزیع می‌کند.

اگر یکی از دیسک‌ها خراب شود، کنترلر می‌تواند اطلاعات موردنیاز را از دیسک Mirror مربوطه در اختیار سیستم قرار دهد و پس از جایگزینی دیسک، فرایند Rebuild را انجام دهد.

در RAID 10، داده‌ها به صورت Mirror روی زوج‌های دیسک قرار می‌گیرند و تا زمانی که هر دو دیسک یک زوج همزمان از دست نروند، آرایه می‌تواند بدون از دست رفتن داده ادامه کار دهد.

مزایای RAID سخت افزاری

یکی از مهم‌ترین مزایای Hardware RAID این است که کنترلر اختصاصی بخش قابل‌توجهی از عملیات مدیریت آرایه را از CPU اصلی سیستم جدا می‌کند.

این موضوع مخصوصاً در RAIDهایی که به محاسبات Parity نیاز دارند اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. RAID 5 و RAID 6 برای ایجاد و بازسازی Parity عملیات بیشتری نسبت به RAID 1 یا RAID 10 دارند.

کنترلرهای حرفه‌ای RAID همچنین می‌توانند امکاناتی مانند Write Cache، Read Load Balancing، Hot Spare، Predictive Spare Activation و قابلیت‌های مختلف برای مدیریت Rebuild را ارائه کنند. HPE در کنترلرهای Smart Array خود مجموعه‌ای از این قابلیت‌ها را بسته به کلاس و مدل کنترلر ارائه می‌دهد.

مزیت دیگر، مستقل‌تر بودن مدیریت RAID از سیستم‌عامل است. در یک سرور سازمانی، مدیر زیرساخت می‌تواند آرایه را از طریق ابزارهایی مانند HPE Smart Storage Administrator مدیریت کند و وضعیت کنترلر، دیسک‌ها، Logical Drive و فرایند Rebuild را زیر نظر داشته باشد.

معایب RAID سخت افزاری

مهم‌ترین ایراد Hardware RAID، هزینه و وابستگی به کنترلر است.

برای استفاده از یک کنترلر حرفه‌ای باید هزینه سخت‌افزار، لوازم جانبی و در برخی مدل‌ها تجهیزات مربوط به Cache و حفاظت از Cache را در نظر گرفت.

موضوع دیگری که هنگام طراحی زیرساخت نباید نادیده گرفته شود، خود کنترلر است. اگر کنترلر دچار مشکل شود، بسته به معماری و پشتیبانی آن، ممکن است نیاز به کنترلر سازگار برای دسترسی مجدد به آرایه داشته باشید.

به همین دلیل هنگام استفاده از Hardware RAID، انتخاب کنترلر مناسب به اندازه انتخاب دیسک اهمیت دارد.

RAID نرم افزاری چیست؟

در Software RAID، مدیریت آرایه عمدتاً توسط سیستم‌عامل یا یک لایه نرم‌افزاری انجام می‌شود و برای ایجاد RAID الزاماً به یک کنترلر RAID سخت‌افزاری اختصاصی نیاز نیست.

در این حالت، سیستم‌عامل در مدیریت عملیات مربوط به آرایه نقش اصلی را بر عهده دارد. بسته به فناوری مورد استفاده، ممکن است پردازش‌های مربوط به Striping، Mirroring یا Parity توسط CPU سرور انجام شود.

این نکته به این معنا نیست که Software RAID همیشه عملکرد ضعیفی دارد. سربار واقعی آن به نوع RAID، نرم‌افزار مورد استفاده، توان پردازشی سرور، نوع درایوها و workload بستگی دارد.

در سرورهای HPE نیز Software RAID به‌عنوان یکی از گزینه‌های ذخیره‌سازی وجود دارد. برای نمونه، HPE در برخی سرورهای ProLiant از Smart Array S100i SR Gen10 Software RAID پشتیبانی می‌کند و در برخی پلتفرم‌ها گزینه‌هایی مانند Intel VROC نیز وجود دارد.

مزایای RAID نرم افزاری

اولین مزیت Software RAID هزینه پایین‌تر است. اگر workload شما به یک کنترلر حرفه‌ای RAID نیاز نداشته باشد، می‌توانید بدون خرید یک کارت RAID اختصاصی، آرایه را از طریق امکانات نرم‌افزاری سیستم ایجاد کنید.

انعطاف‌پذیری نیز می‌تواند مزیت مهمی باشد. در بعضی محیط‌ها، Software RAID امکان مدیریت آرایه را در سطح سیستم‌عامل فراهم می‌کند و به همین دلیل برای سرورهای خاص، Workstationها یا بعضی زیرساخت‌های نرم‌افزارمحور گزینه مناسبی است.

از طرف دیگر، محدودیت‌های Software RAID یکسان نیستند و باید بر اساس فناوری مورد استفاده بررسی شوند. برای مثال، HPE برای نسل‌های مختلف سرورهای خود گزینه‌های متفاوتی ارائه کرده و قابلیت‌های Software RAID در همه مدل‌ها یکسان نیست.

معایب RAID نرم افزاری

در Software RAID بخشی از عملیات مدیریت آرایه به منابع پردازشی سیستم وابسته است. در workloadهای سبک ممکن است این موضوع تأثیر محسوسی ایجاد نکند، اما در سناریوهای سنگین، مخصوصاً زمانی که عملیات Parity و I/O زیادی وجود دارد، سربار پردازشی می‌تواند اهمیت بیشتری پیدا کند.

وابستگی به سیستم‌عامل نیز یکی از تفاوت‌های مهم است. در این معماری، نرم‌افزار و درایورهای مربوط به RAID بخشی از زنجیره دسترسی به داده هستند و سازگاری آن‌ها با سیستم‌عامل اهمیت دارد.

فرایند مدیریت دیسک خراب نیز بسته به سیستم‌عامل و فناوری Software RAID متفاوت است. بنابراین نمی‌توان برای تمام Software RAIDها یک روش واحد برای تعویض دیسک یا Rebuild تعریف کرد.

تفاوت Hardware RAID و Software RAID در یک نگاه

ویژگی	Hardware RAID	Software RAID
مدیریت اصلی آرایه	کنترلر اختصاصی	سیستم‌عامل یا نرم‌افزار
نیاز به کنترلر RAID اختصاصی	معمولاً بله	خیر
هزینه اولیه	بیشتر	کمتر
وابستگی به سیستم‌عامل	کمتر	بیشتر
استفاده از CPU میزبان	معمولاً کمتر	بیشتر
امکانات Cache	در کنترلرهای پشتیبانی‌شده	وابسته به پیاده‌سازی
مدیریت Hot Spare	بسته به کنترلر	وابسته به نرم‌افزار
انعطاف‌پذیری	وابسته به قابلیت کنترلر	وابسته به سیستم‌عامل و نرم‌افزار
مناسب برای سرورهای سازمانی	بسیار مناسب	بسته به workload
مدیریت Rebuild	توسط کنترلر و ابزار مربوطه	توسط لایه نرم‌افزاری

این جدول یک مقایسه کلی است و نباید آن را به‌عنوان یک قانون مطلق در نظر گرفت. مثلاً یک Software RAID مدرن روی سروری با CPU قدرتمند می‌تواند برای یک workload مشخص عملکرد بسیار خوبی داشته باشد، در حالی که یک کنترلر سخت‌افزاری ضعیف یا نامتناسب الزاماً بهترین انتخاب نیست.

Hardware RAID یا Software RAID؛ کدام گزینه بهتر است؟

پاسخ این سؤال بدون شناخت workload ممکن نیست.

اگر هدف شما راه‌اندازی یک سرور سازمانی با چندین دیسک SAS یا SATA است و قرار است سرویس‌هایی مانند Database، Virtualization یا Storage-intensive Application روی آن اجرا شوند، قابلیت‌های کنترلر RAID اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

در چنین شرایطی باید علاوه بر سطح RAID، مواردی مانند نوع کنترلر، Cache، تعداد Laneهای SAS، نوع درایو، سرعت رابط، تعداد IOPS و الگوی خواندن و نوشتن را نیز بررسی کرد.

HPE نیز برای انتخاب RAID صرفاً یک سطح واحد را برای همه کاربردها پیشنهاد نمی‌کند. در راهنمای Smart Array، انتخاب RAID بر اساس اولویت‌هایی مانند Fault Tolerance، Write Performance و Usable Capacity تفکیک شده است. برای مثال RAID 1/10 بیشتر برای محیط‌هایی که تحمل خطا و عملکرد نوشتن اهمیت دارد مناسب است، در حالی که RAID 6/60 می‌تواند برای تحمل خطا و استفاده بهتر از ظرفیت انتخاب شود.

چه زمانی Hardware RAID انتخاب منطقی‌تری است؟

Hardware RAID معمولاً زمانی ارزش بیشتری پیدا می‌کند که:

• سرور دارای تعداد زیادی دیسک باشد.
• workload ذخیره‌سازی سنگین باشد.
• RAID 5 یا RAID 6 مورد استفاده قرار گیرد.
• دسترس‌پذیری سرویس اهمیت بالایی داشته باشد.
• قابلیت‌های مدیریتی پیشرفته مورد نیاز باشد.
• استفاده از Write Cache و امکانات پیشرفته کنترلر اهمیت داشته باشد.
• سرور بخشی از یک زیرساخت سازمانی یا دیتاسنتر باشد.

در این شرایط، هزینه بیشتر کنترلر می‌تواند در برابر قابلیت‌های مدیریتی و عملکردی که دریافت می‌کنید توجیه‌پذیر باشد.

چه زمانی Software RAID می‌تواند انتخاب مناسبی باشد؟

Software RAID می‌تواند برای محیط‌هایی منطقی باشد که:

• هزینه سخت‌افزار اهمیت زیادی دارد.
• workload ذخیره‌سازی سبک یا متوسط است.
• CPU سرور منابع کافی در اختیار دارد.
• سیستم‌عامل و نرم‌افزار RAID موردنظر به‌خوبی پشتیبانی می‌شوند.
• به امکانات پیشرفته یک کنترلر RAID سخت‌افزاری نیاز ندارید.
• انعطاف‌پذیری در سطح سیستم‌عامل برایتان اهمیت بیشتری دارد.

در چنین شرایطی، خرید یک کنترلر RAID گران‌قیمت ممکن است مزیت قابل‌توجهی نسبت به Software RAID ایجاد نکند.

آیا Hardware RAID همیشه سریع‌تر از Software RAID است؟

خیر؛ این یکی از رایج‌ترین برداشت‌های اشتباه درباره RAID است.

عملکرد RAID به عوامل بسیار بیشتری از نوع کنترلر وابسته است. نوع دیسک، تعداد دیسک‌ها، سطح RAID، اندازه Stripe، نوع workload، نسبت Read/Write، Queue Depth، Cache و توان پردازشی سرور همگی روی نتیجه تأثیر می‌گذارند.

برای مثال، مقایسه یک Software RAID روی NVMeهای سریع با یک Hardware RAID متصل به چند دیسک کند SAS صرفاً بر اساس «سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری بودن» منطقی نیست.

از طرف دیگر، کنترلرهای حرفه‌ای Hardware RAID می‌توانند قابلیت‌هایی ارائه کنند که در workloadهای خاص واقعاً تفاوت ایجاد می‌کنند. HPE برای کنترلرهای Smart Array خود قابلیت‌هایی مانند Read Load Balancing، Full Stripe Writes، Rapid Rebuild و Write Cache را بسته به مدل ارائه می‌کند.

بنابراین معیار صحیح، عملکرد کل Storage Stack است، نه فقط نوع RAID.

RAID سخت افزاری برای سرورهای HPE

اگر از سرورهای HPE ProLiant استفاده می‌کنید، انتخاب RAID معمولاً با انتخاب Storage Controller گره خورده است.

در خانواده Smart Array، کنترلرها در کلاس‌ها و مدل‌های مختلف عرضه شده‌اند و سطح RAID، تعداد درایوهای قابل پشتیبانی، امکانات مدیریت، نوع رابط و قابلیت‌های Performance در هر مدل متفاوت است. برای نمونه، HPE Smart Array SR Gen10 در مدل‌های مختلف می‌تواند از RAID 0، 1، 5، 6، 10، 50 و 60 پشتیبانی کند و برخی مدل‌ها امکان کار هم‌زمان در حالت RAID و HBA را نیز دارند.

به همین دلیل هنگام خرید کنترلر RAID برای یک سرور HPE نباید فقط به عبارت «RAID Controller» توجه کرد. باید Part Number دقیق، نسل سرور، نوع Backplane، نوع درایوها و سطح RAID موردنیاز بررسی شود.

برای مثال، کنترلری که برای یک سرور خاص و چند درایو SAS انتخاب شده است، الزاماً بهترین گزینه برای یک سرور دیگر با NVMe یا تعداد متفاوتی از Driveها نیست.

یک نکته مهم: RAID جایگزین Backup نیست

RAID برای افزایش دسترس‌پذیری و تحمل خرابی درایو طراحی شده است، اما Backup هدف دیگری دارد.

اگر یک فایل به اشتباه حذف شود، RAID نمی‌تواند آن را به نسخه قبلی برگرداند. اگر فایل‌ها توسط باج‌افزار رمزگذاری شوند، RAID همان داده‌های رمزگذاری‌شده را روی آرایه نگه می‌دارد. اگر خرابی منطقی یا خطای مدیریتی باعث از بین رفتن داده شود نیز RAID لزوماً راهی برای بازگرداندن نسخه قبلی اطلاعات ندارد.

بنابراین در یک زیرساخت حرفه‌ای باید RAID و Backup را دو لایه متفاوت از حفاظت اطلاعات در نظر گرفت.

هنگام انتخاب RAID چه مواردی را بررسی کنیم؟

انتخاب بین Hardware RAID و Software RAID بهتر است بعد از پاسخ دادن به چند سؤال انجام شود:

نوع workload چیست؟
Database، Virtualization، File Server، Backup Server و Application Server الگوهای I/O متفاوتی دارند.

چه نوع درایوی استفاده می‌شود؟
SAS، SATA، SSD و NVMe رفتار یکسانی ندارند و انتخاب کنترلر باید با فناوری ذخیره‌سازی سازگار باشد.

چه سطح RAID موردنیاز است؟
RAID 0، 1، 5، 6 و 10 از نظر Performance، ظرفیت قابل استفاده و تحمل خرابی تفاوت زیادی دارند.

چند دیسک در آرایه قرار می‌گیرد؟
با افزایش تعداد Driveها، طراحی RAID، ظرفیت، Rebuild و تحمل خطا اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

سرور چه میزان I/O دارد؟
برای workloadهای سنگین باید Performance واقعی Storage Stack بررسی شود، نه اینکه فقط بر اساس مشخصات اسمی کنترلر تصمیم بگیرید.

خرابی یک دیسک چه اثری بر سرویس دارد؟
اگر Downtime هزینه بالایی داشته باشد، قابلیت‌هایی مانند Hot Spare، مدیریت Rebuild و Fault Tolerance اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

آیا Cache کنترلر اهمیت دارد؟
در برخی workloadها، Cache و نحوه حفاظت از داده‌های Cache می‌تواند روی عملکرد نوشتن و پایداری سیستم تأثیر قابل‌توجهی داشته باشد.

سرور HPE از چه کنترلری پشتیبانی می‌کند؟
سازگاری کنترلر با نسل سرور، Backplane، نوع Drive و Firmware باید قبل از خرید بررسی شود.

برای خرید سرور HPE فقط انتخاب RAID کافی نیست

در زمان پیکربندی یک سرور، RAID تنها یکی از اجزای Storage Architecture است. انتخاب اشتباه Drive یا Controller می‌تواند حتی یک آرایه RAID با طراحی مناسب را به یک نقطه ضعف در عملکرد تبدیل کند.

به همین دلیل بهتر است ابتدا workload مشخص شود و سپس بر اساس آن، نوع Drive، تعداد Driveها، سطح RAID، کنترلر، Cache و ظرفیت موردنیاز انتخاب شوند.

برای مثال، در یک سرور مجازی‌سازی که تعداد زیادی ماشین مجازی هم‌زمان روی Storage فعالیت می‌کنند، صرفاً افزایش ظرفیت دیسک راه‌حل نیست؛ IOPS، Latency و الگوی دسترسی تصادفی نیز اهمیت زیادی دارند.

در مقابل، برای یک File Server که بیشتر با فایل‌های حجیم و عملیات Sequential کار می‌کند، اولویت‌ها می‌توانند متفاوت باشند.

در نتیجه، بهترین RAID یک انتخاب ثابت برای همه سرورها نیست. انتخاب درست زمانی اتفاق می‌افتد که RAID، کنترلر و Driveها بر اساس نیاز واقعی سرویس در کنار یکدیگر طراحی شوند.