کارایی و قابلیت اطمینان در دنیای ذخیره‌سازی داده‌ها بسیار اهمیت دارد. یکی از فناوری‌هایی که به دستیابی به این اهداف کمک می‌کند، Erasure Coding است. در این مقاله به بررسی مفهوم و مزایای Erasure Coding، اهمیت آن در ذخیره‌سازی داده‌ها، چالش‌ها و تفاوت آن با روش‌های سنتی تکثیر داده‌ها می‌پردازیم تا آگاهیتان هنگام خرید استوریج را افزایش دهیم.
فهرست محتوا
Erasure Coding چیست؟
کدگذاری حذف (Erasure Coding) تکنیکی در حوزه محافظت از داده و ذخیره‌سازی است که اطلاعات افزونگی را در چندین گره ذخیره‌سازی توزیع می‌کند. این تکنیک به سیستم اجازه می‌دهد که در صورت از دست رفتن بخشی از داده‌ها، بدون نیاز به داشتن کپی کامل از هر قسمت، داده‌ها را بازیابی کند.
در حالی که در روش‌های سنتی تکثیر (Replication)، چندین کپی از همان داده در گره‌های مختلف ذخیره می‌شود و باعث افزایش نیاز به فضای ذخیره‌سازی می‌گردد، EC در استوریج از الگوریتم‌های ریاضی برای ایجاد تکه‌های افزونه (Parity) استفاده می‌کند که این تکه‌ها در مکان‌های مختلف ذخیره‌سازی توزیع می‌شوند. این روش به‌طور قابل‌توجهی فضای ذخیره‌سازی مورد نیاز را نسبت به تکثیر سنتی کاهش می‌دهد.
برای مثال اگر در سیستم ذخیره‌سازی سنتی، برای هر یک ترابایت داده نیاز به ایجاد دو یا سه ترابایت فضای اضافی برای تکثیر باشد، در Erasure Codingتنها به مقدار کمی افزونه نیاز است که همچنان امکان بازیابی داده‌ها را در صورت بروز خطا فراهم می‌کند. به این ترتیب فضای کمتری برای ایجاد افزونگی نیاز است، در حالی که امنیت و قابلیت اطمینان داده‌ها همچنان حفظ می‌شود.
چگونه از فایل‌های مهم خود بکاپ تهیه کنیم؟ پیشنهاد می‌کنیم مقاله بهترین روش های بک آپ گیری از سرور و شبکه را بخوانید.
Erasure Coding چگونه کار می‌کند؟
EC در ذخیره‌سازی، داده‌ها را به بخش‌های کوچکتر تقسیم و قطعات اضافی به نام کدهای محو یا Erasure code در Storage ایجاد می‌کند. این قطعات و کدها در گره‌های مختلف ذخیره‌سازی توزیع می‌شوند. چنین فرآیند‌ی شامل محاسبات پیچیده ریاضی است که تضمین می‌کند حتی در صورتی که برخی از این قطعات یا کدها از بین بروند یا خراب شوند، باز هم داده‌های اصلی قابل بازیابی باشند.
تصور کنید که یک پازل دارید و به جای اینکه چندین نسخه یکسان از کل پازل ایجاد کنید، در Erasure Coding قطعات اضافی تولید می‌شوند که با ترکیب آنها با برخی از قطعات اصلی، می‌توانید کل تصویر را بازسازی کنید. این روش باعث افزایش تحمل خطا و حفظ یکپارچگی داده‌ها می‌شود و نیاز به ذخیره‌سازی اضافی و غیرضروری را از بین میبرد.
یکی از بزرگ‌ترین مزایای EC در استوریج در مقایسه با تکثیر سنتی، بهینه‌سازی فضای ذخیره‌سازی است. در حالی که تکثیر سه‌گانه (Triple replication) به سه برابر فضای اصلی فضا نیاز دارد، Erasure Coding می‌تواند همان سطح حفاظت از داده را با فضای کمتری ارائه دهد. به عنوان مثال در الگوریتم‌های Erasure Coding مانند Reed-Solomon، ممکن است تنها ۱.۵ برابر فضای اصلی نیاز باشد تا همچنان داده‌ها به بهترین شکل حفظ شوند.
کجا می‌توانیم از Erasure Coding استفاده کنیم؟
شرکت‌هایی که به یک محیط ذخیره‌سازی بدون خطا نیاز دارند، باید از فناوری Erasure Coding استفاده کنند. در اینجا برخی از مواردی که روش EC می‌تواند بسیار مفید باشد، آورده شده است:
- آرایه‌های هارد دیسک
- شبکه‌های داده
- برنامه‌های ذخیره‌سازی توزیع شده
- آبجکت استور (Object Stores)
- ذخیره‌سازی آرشیوی
یکی از موارد استفاده رایج روش Erasure Code، ذخیره‌سازی ابری مبتنی بر شیء است. از آنجایی که روش EC نیاز به استفاده بالای CPU دارد و باعث ایجاد تأخیر می‌شود، برای برنامه‌های آرشیوی مناسب است. همچنین توجه داشته باشید روش EC برای بارهای کاری پایه مناسب نیست، زیرا نمی‌تواند از تهدیدات علیه یکپارچگی داده محافظت کند.
مزایای روش EC در ذخیره‌سازی
دلایل مختلفی برای استفاده از تکنیک Erasure Coding در سیستم‌های مختلف وجود دارد که در ادامه به برخی از مهم‌ترین آنها خواهیم پرداخت.
بهبود تحمل خطا
یکی از مهم‌ترین مزایای EC در استوریج توانایی آن در افزایش تحمل خطاست. در سیستم‌های ذخیره‌سازی که از این روش استفاده می‌کنند، حتی اگر تعدادی از گره‌های ذخیره‌سازی از دسترس خارج یا دچار خرابی داده شوند، امکان بازیابی داده‌ها وجود دارد. این ویژگی در محیط‌های ذخیره‌سازیِ توزیع‌شده که خرابی‌های سخت‌افزاری یا مشکلات شبکه‌ایْ رایج هستند، بسیار ارزشمند است.
کاهش سربار ذخیره‌سازی
در مقایسه با روش‌های سنتی تکرار داده (Replication)، Erasure Coding باعث کاهش قابل‌توجهی در حجم فضای ذخیره‌سازی می‌شود. با توزیع کدهای افزونه یا کدهای پاک‌سازی (Erasure Codes) بین چندین گره، این روش به جای تکرار کامل داده، افزونگی را فراهم می‌کند. چنین کاری نه تنها فضای ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد، بلکه در سیستم‌های ذخیره‌سازی بزرگ موجب صرفه‌جویی در هزینه‌ها نیز می‌شود.
بهبود دوام و قابلیت اطمینان داده‌ها
EC در ذخیره‌سازی باعث افزایش دوام، تاب‌آوری و قابلیت اطمینان داده‌ها می‌شود. به‌دلیل ماهیت توزیع‌شده این روش، حتی در صورت بروز چندین خرابی یا از دست رفتن داده‌ها، سیستم قادر به بازیابی داده اصلی است. این ویژگی به‌خصوص در شرایطی مانند سرویس‌های ابری یا سیستم‌های بایگانی که یکپارچگی داده اهمیت بالایی دارد، می‌تواند بسیار مفید باشد.
مقایسه Erasure Coding و Replication
در روش قدیمی تکرار داده‌ها (Replication)، داده‌ها به سادگی با ایجاد نسخه‌های کاملا مشابه از داده اصلی، روی گره‌های مختلف ذخیره می‌شوند. هر نسخه یک کپی کامل از داده است و در صورت خرابی یا از دست رفتن داده روی یک گره، از کپی تکراری روی گره دیگر برای بازیابی اطلاعات استفاده می‌شود.
اگرچه سادگی و سرعت بازیابی داده‌ها در روش تکرار در برخی شرایط مفید است اما این روش به فضای ذخیره‌سازی بیشتری نیاز دارد، زیرا هر گره باید یک کپی کامل از داده‌ها را نگه دارد. این فرآیند می‌تواند به افزایش هزینه‌های ذخیره‌سازی و پیچیدگی مدیریتی منجر شود. همچنین روش تکرار به اندازه Erasure Coding در استفاده بهینه از منابع کارآمد نیست، به‌ویژه در شرایطی که منابع ذخیره‌سازی محدود هستند.
تفاوت رید (RAID) و کدگذاری حذف (Erasure Coding)
کدگذاری حذف و RAID دو روش مختلف برای محافظت از داده‌ها هستند؛با RAID می‌توانیم داده‌های خود را در چندین مکان ذخیره کنیم تا در صورت خرابی یک یا چند دیسک، همچنان نسخه‌هایی از داده‌ها روی هارد دیسک‌های دیگر موجود باشند.
Coding Erasure، روش دیگری برای محافظت از داده‌هاست با این تفاوت که؛ از طریق روشErasure ، داده‌ها را به قطعات کوچکتر تقسیم، سپس آنها را به چیزی تبدیل می‌کنیم که متفاوت به نظر می‌رسد. این کار مانند گرفتن یک عکس و برش آن به مربع‌های کوچک است که بعد از آن دوباره مربع‌ها به روشی که دیدن تصویر اصلی را سخت می‌کند، کنار هم چیده می‌شوند. سپس این قطعات «کدگذاری شده» را در مکان‌های مختلف ذخیره می‌کنیم. اگر یک یا چند مکان ذخیره‌سازی گم شود یا آسیب دیده باشد، همچنان می‌توانیم از قطعات دیگر برای کنار هم قرار دادن داده‌ها استفاده کنیم. روش کدگذاری حذف می‌تواند به ما کمک کند تا مانع از دست دادن داده‌های خود حتی در صورت خرابی چندین هارد دیسک شویم.
بیشتر بخوانید: رید چیست؟
چالش‌ها و ملاحظات Erasure Code در Storage
هرچند کاربرد روش EC در ذخیره‌سازی مزایای زیادی دارد، اما نیازمندی‌های محاسباتی بیشتری نیز ایجاد می‌کند. فرآیندهای کدگذاری و رمزگشایی شامل محاسبات ریاضی پیچیده‌ای هستند که ممکن است بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارند. سازمان‌ها باید منابع محاسباتی خود را ارزیابی کرده و روش‌های پیاده‌سازی‌هایی را انتخاب کنند که با قابلیت‌های زیرساختی‌شان همخوانی داشته باشد.
برای غلبه بر چالش‌های محاسباتی، سازمان‌ها می‌توانند راهکارهایی مانند بهینه‌سازی سخت‌افزار برای انجام محاسبات ریاضی، استفاده از شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری تخصصی یا انتخاب الگوریتم‌های Erasure Coding که تعادل مناسبی بین کارایی محاسباتی و حفاظت از داده‌ها برقرار می‌کنند را به کار گیرند. همچنین نظارت مستمر بر عملکرد و تنظیم سیستم می‌تواند به حفظ کارایی بهینه Erasure Coding کمک کند.
آنچه درباره کاربرد Erasure code در استوریج‌ها خواندید
بر خلاف روش Replication که نیاز به ذخیره نسخه‌های کامل داده‌ها روی گره‌های مختلف دارد، Erasure Coding با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی، اطلاعات افزونه را بین گره‌های مختلف توزیع می‌کند و به‌طور قابل‌توجهی اضافه بار ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد. مزایای اصلی Erasure Coding شامل افزایش تحمل خطا، کاهش اضافه بار ذخیره‌سازی و بهبود دوام داده‌ها می‌شود. اما نقطه ضعف اصلی آن افزایش نیازهای محاسباتی است؛ از این رو برای پیاده‌سازی مؤثر Erasure Coding باید این نیازها را با قابلیت‌های زیرساختی هم‌راستا و از سخت‌افزارهای بهینه استفاده کرد.
سوالات متداول
1- چه زمانی کاربرد روش EC در استوریج مناسب‌تر از Replication است؟
Erasure Coding زمانی مناسب‌تر است که نیاز به ذخیره‌سازی داده‌های بزرگ باشد و منابع ذخیره‌سازی محدود باشند، زیرا این روش بهینه‌تر است و فضای کمتری اشغال می‌کند. در مقابل، اگر سرعت بازیابی داده‌ها مهم‌تر از فضای ذخیره‌سازی باشد، ممکن است Replication راه‌حل بهتری باشد زیرا فرآیند بازیابی آن ساده‌تر و سریع‌تر است.
2- آیا کاربرد روش EC در ذخیره‌سازی بر عملکرد سیستم تأثیر منفی می‌گذارد؟
بله، Erasure Coding به دلیل فرآیندهای پیچیده کدگذاری و رمزگشایی به توان محاسباتی بیشتری نیاز دارد که می‌تواند بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارد، اما با استفاده از سخت‌افزارهای بهینه و شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری می‌توان چنین مشکلی را کاهش داد و کارایی سیستم را حفظ کرد.
3- در چه نوع سیستم‌هایی استفاده از EC در استوریج بیشتر توصیه می‌شود؟
Erasure Coding بیشتر در سیستم‌های ذخیره‌سازی توزیع‌شده، سرویس‌های ابری، آرشیوهای داده و محیط‌هایی که نیاز به تحمل خطای بالا و کاهش هزینه‌های ذخیره‌سازی دارند، توصیه می‌شود. این روش برای حفظ یکپارچگی و بازیابی داده‌ها در محیط‌هایی که خرابی سخت‌افزار یا مشکلات شبکه‌ای شایع است، بسیار مناسب است.
