ما وحدات التحكم في التخزين؟

كمية البيانات التي ينتجها البشر مذهلة. اعتبارًا من عام 2024، بلغ معدل حجم البيانات العالمي المقدر 149 زيتابايت، مع تضخم التوقعات إلى 181 زيتابايت من البيانات بحلول نهاية عام 2025.

لوضع ذلك في منظوره الصحيح، فإن زيتابايت واحد مفرد يعادل 1,000 إكسابايت أو 1 مليار تيرابايت أو 1 تريليون غيغابايت. وبعبارة أخرى، يعادل زيتابايت واحد 250 مليار قرص DVD.  

كل هذا يعني أن إدارة البيانات هي عنصر رئيسي لجميع أنظمة الحوسبة، بما في ذلك مراكز بيانات المؤسسات، والمنصة السحابية، وأجهزة إنترنت الأشياء (IOT) والمنصات الرقمية. ولكن لا يتم إنشاء جميع البيانات على قدم المساواة.

الكثير من البيانات التي نقوم بإنشائها هي بيانات عابرة، ومن المفترض استخدامها والتخلص منها في لحظة، في حين أن الأنواع الأخرى أكثر ديمومة. ويتم الاحتفاظ ببعض البيانات للتخزين والاسترجاع على المدى المتوسط، بينما يتم الاحتفاظ بأنواع أخرى لأغراض الأرشفة أو النسخ الاحتياطي على المدى الطويل. 

واعتمادًا على الغرض من البيانات التي تم إنشاؤها وتخزينها، فإن أنواعًا مختلفة من وسائط التخزين تكون أكثر ملاءمة من غيرها. ومن الخيارات البسيطة مثل الأقراص المرنة ومحركات أقراص فلاش USB المحمولة إلى الخيارات القوية والمعقدة مثل شبكة التخزين (SAN) وأنظمة التخزين المتصل بالشبكة (NAS)، تعتمد أجهزة الكمبيوتر على وحدات التحكم في التخزين (المعروفة أيضًا باسم وحدات التحكم في الأقراص أو معالجات التخزين) لكتابة البيانات واستردادها بين أجهزة التخزين ووحدة المعالجة المركزية الرئيسية للكمبيوتر. 

في أغلب الحالات، تكون بطاقات وحدة التحكم في التخزين عبارة عن وحدات أجهزة مادية، ويتم دمجها في بعض الأحيان بشكل مباشر في لوحة نظام الكمبيوتر. ومع ذلك، عند التعامل مع الأجهزة الافتراضية (VMs) أو البيئات الافتراضية الأخرى، يمكن استخدام وحدة تحكم التخزين الافتراضية القائمة على البرنامج لمحاكاة وظيفة وحدة التحكم المادية. في هذه الأنواع من أنظمة الكمبيوتر، تُعد وحدات التحكم في التخزين الافتراضية عناصر لبرنامج مراقب الأجهزة الافتراضية الشامل المستخدم لإدارة موارد التخزين المجمعة من أجهزة مادية متعددة.   

هذه هي العناصر الرئيسية لوحدة التحكم في التخزين:

• واجهة المضيف: الاتصال المادي الذي يمكّن وحدة تحكم التخزين من الاتصال بالنظام المضيف. وتستخدم أجهزة التخزين الداخلية معايير مثل PCI Express (PCIe) للاتصالات عالية السرعة، بينما تستخدم شبكات التخزين SAN بروتوكولات مثل FibreChannel (FC) أو NVMe عبر الأنسجة للاتصال الخارجي.
• المعالج: تحتوي وحدات التحكم في التخزين على معالج مخصص لها لإدارة عمليات الإدخال/الإخراج (I/O). 
• ذاكرة التخزين المؤقت: تتكون ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة التحكم في التخزين عادةً من ذاكرة DRAM متقلبة. ويوجد هذا التخزين المؤقت عالي السرعة على وحدة التحكم نفسها ويخزن البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر والتي يمكن الوصول إليها بسرعة أكبر من البيانات المخزنة على جهاز أو أجهزة التخزين المتصلة. 
• واجهة القرص: واجهة القرص هي الاتصال المادي بين وحدة تحكم التخزين وأجهزة التخزين. 
• وحدة النسخ الاحتياطي للبطارية أو المكثف: بالنسبة إلى وحدات التخزين التي لديها القدرة على الكتابة إلى ذاكرة التخزين المؤقت المدمجة، فإن وحدة النسخ الاحتياطي للبطارية (BBU) أو وحدة المكثف والوميض عنصرًا حساسًا. فهي تسمح لوحدة التحكم بالحفاظ على أي بيانات مكتوبة في ذاكرة الفلاش المتطايرة في حالة انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ. إنها في الواقع عبارة عن مصادر طاقة داخل الوحدة.

في ما يتعلق بتسهيل نقل البيانات، تقوم وحدات التحكم في التخزين بعدة مهام للاستفادة من أي وسائط تخزين معينة. كما أنها تخفف من العديد من التحديات والعقبات المحتملة التي قد تمنع نظام الكمبيوتر من تحسين قدرات التخزين بشكل كامل. 

لتحقيق وصول سلس وفعال إلى التخزين، تتضمن الوظائف الرئيسية لوحدة التحكم في التخزين ما يأتي:

• نقل البيانات وإدارتها: تتمثل الوظيفة الأساسية لوحدة التحكم في التخزين في العمل كجسر بين جهاز التخزين والذاكرة التشغيلية للكمبيوتر. واعتمادًا على النوع المحدد من وسائط التخزين والواجهات والبروتوكولات المرتبطة بها، ستعمل وحدات التحكم في التخزين على تحسين نقل البيانات من أجل السرعة والكفاءة، ما يعزز الأداء ويحافظ عليه مع مكافحة زمن الانتقال.
• التحقق من صحة البيانات وتحمّل الأخطاء: يمكن لوحدات التحكم في التخزين التحقق من دقة البيانات المنقولة وإجراء معالجة متسامحة مع الأخطاء للبيانات الخاطئة لضمان دقة البيانات وتقليل الانقطاعات الناجمة عن الأخطاء.
• الضغط وفك الضغط: عند الضرورة، يمكن لوحدات التحكم في التخزين ضغط البيانات وفك ضغطها لتحسين سرعات الإرسال وتقليل ضغط البيانات الناتج عن الملفات الكبيرة.
• خدمات حماية البيانات والنسخ الاحتياطي: تتضمن العديد من وحدات التحكم في التخزين ميزات مصممة لحماية البيانات والتكرار، مثل تكوينات مصفوفة الأقراص المستقلة المتكررة (RAID) وبرمجة المسح. وتساعد هذه الميزات على تأمين البيانات ونسخها احتياطيًا ويمكن أن تكون ذات قيمة كبيرة لتحسين تحمل الأخطاء وأوقات الاسترداد. 
• توافق الواجهة: عند إقران مجموعة واسعة من حلول التخزين المتنوعة مع تكوينات عديدة من أنظمة التشغيل وأجهزة الكمبيوتر، يصبح التوافق مصدر قلق كبير. وتساعد وحدات التحكم في التخزين على حل مشكلات التوافق من خلال إدارة البروتوكولات المختلفة بين واجهات أجهزة التخزين المختلفة (على سبيل المثال، ATA التسلسلي (SATA)، وSCSI المُرفق التسلسلي (SAS)، وناقل التوصيل البيني السريع للمكونات الطرفية (PCIe)) والأجهزة وأنظمة التشغيل المختلفة (على سبيل المثال، Microsoft Windows و Linux). 
• إدارة ذاكرة التخزين المؤقت: على الرغم من أنها ليست قياسية في جميع الخيارات، إلا أن ذاكرة التخزين المؤقت المدمجة هي ميزة شائعة بين وحدات التحكم في التخزين. فذاكرة التخزين المؤقت مدمجة مع إدارة مؤتمتة ديناميكية تخزن البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر للوصول السريع وتساعد الأنظمة على تحسين الأداء سريع الاستجابة.
• دعم إدارة وحدات التخزين المنطقية: تُعد إدارة وحدات التخزين المنطقية (LVM) تقنية مهمة لتقسيم سعة التخزين المتاحة للنظام وتنظيمها واستخدامها بكفاءة. وتُستخدم LVM لإنشاء مجموعات تخزين افتراضية مرنة وديناميكية، تُعرف باسم وحدات التخزين المنطقية، من خلال تجميع الأقراص الفعلية في مجموعات وحدات تخزين (VGs) من مساحة التخزين المشتركة. كما توفر وحدات التحكم في التخزين لمسؤولي النظام القدرة على إدارة وحدات التخزين وتغيير حجمها في الوقت الفعلي، وإنشاء لقطات نسخ احتياطي ودمج أقراص فعلية متعددة. ويمكن أن يصبح هذا الدمج مجموعة قابلة للمشاركة للحصول على سعة التخزين المثالية مع الحد الأدنى من فترة التعطل.
• المراقبة وإعداد التقارير: للإشراف على توافر التخزين وأدائه، تُعد وحدات التحكم في التخزين مفيدة للغاية لتوفير المراقبة واللقطات في الوقت الفعلي، ما يوفر رؤى قيّمة حول سلامة التخزين والأداء والسعة والحالة التشغيلية لأجهزة التخزين المتصلة. بفضل هذه المعلومات، يصبح مسؤولو النظام أكثر استعدادًا لإجراء الصيانة الاستباقية وتحديد أي مشكلات محتملة ومعالجتها لتجنب أي فترة تعطل أو فقدان للبيانات الحساسة في النظام. 

يمكن تقسيم وحدات التحكم في التخزين إلى مجموعتين رئيسيتين، إما بناءً على واجهتها أو وظيفتها.

في حين أن جميع وحدات التحكم في التخزين مسؤولة عن إدارة الاتصال بين وحدة المعالجة المركزية وأجهزة التخزين، إلا أن كل نوع منها متخصص لأغراض وبيئات فريدة. 

تم تصميم بعض وحدات التحكم في التخزين المستندة إلى الواجهة خصوصًا للتوافق مع الواجهة، وتتضمن ما يأتي:

• وحدات تحكم SATA (AHCI): تُستخدم وحدات التحكم SATA (AHCI) لإدارة أجهزة التخزين المستندة إلى SATA، بما في ذلك محركات الأقراص الصلبة SATA ومحركات أقراص الحالة الصلبة SSD. وتُعد واجهة SATA فعالة من حيث التكلفة ومناسبة للحوسبة للأغراض العامة، وهي واجهة شائعة الاستخدام في الأنظمة الموجهة للمستهلكين، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الألعاب والخوادم الشخصية. غالبًا ما تستخدم البيئات المنزلية وبيئات الشركات الصغيرة ذات متطلبات التخزين المنخفضة والحاجة الأقل لنقل البيانات بسرعة عالية وحدات تخزين SATA ووحدات التحكم في التخزين SATA.
• وحدات تحكم SAS: تُستخدم وحدات تحكم SAS مع محركات الأقراص الصلبة المتسلسلة المُرفقة SCSI (SAS) ومحركات أقراص الحالة الصلبة SSD. وتُستخدم في مهام الحوسبة عالية الأداء، وتدعم معدلات نقل أعلى من SATA. كما تتوافق وحدات تحكم SAS أيضًا في كثير من الأحيان مع أجهزة SATA، ما يوفر إعداد تخزين بمرونة وخيارات أكبر. وتوجد هذه الأنواع من وحدات التحكم والأجهزة بشكل شائع في البيئات على مستوى المؤسسة. وتُستخدم لقواعد البيانات واسعة النطاق ومهام المحاكاة الافتراضية المعقدة عندما يكون نقل البيانات الموثوق به وعالي السرعة مهمة حساسة.

كما أن وحدات تحكم SAS مناسبة تمامًا لتوصيل أجهزة التخزين متعددة متسلسلة بشكل سلسلة متعاقبة، ما يجعلها خيارًا جيدًا للعمليات التي تقدر الحلول القابلة للتوسع. وفي هذه الحالات، يمكن استخدام عنصر جهاز يسمى موسع SAS لزيادة عدد محركات أقراص SAS أو SATA التي يمكن أن يقبلها محول ناقل المضيف (HBA) الخاص بالنظام.

تم تصميم وحدات التحكم المستندة إلى الوظائف لاستيعاب أجهزة التخزين بناءً على بروتوكولات الواجهة والوظائف المقصودة. وهذه بعض الأمثلة على ذلك:

• وحدات تحكم RAID: تجمع تقنية التخزين RAID بين العديد من محركات أقراص التخزين في مجموعة تخزين واحدة لتحسين الأداء والتكرار. ومن خلال تقنيات مثل الشريط (الذي يقسم البيانات إلى أجزاء أصغر للكتابة المتزامنة السريعة عبر محركات أقراص متعددة) والنسخ المتطابق (الذي يكرر البيانات للتكرار)، يوفر RAID ضمانات ضد فشل محرك الأقراص ويزيد من إنتاجية البيانات. كما صُممت وحدات تحكم RAID لدعم مستويات RAID متعددة—مثل RAID 0 وRAID 1 وRAID 5 حتى RAID 60—حيث يقدم كل منها مستويات ومجموعات مختلفة من الأداء والتكرار.
• وحدات تحكم مصفوفة التخزين: تُستخدم وحدات تحكم مصفوفة التخزين لإدارة مجموعات ضخمة من أجهزة التخزين المصممة للأنظمة المتطورة التي تتطلب نقل البيانات بسرعة وتوفر كبير مع التكرار الموثوق به. وقد تحتوي مصفوفة التخزين التي تستخدم هذا النوع من وحدات التحكم على وحدات تحكم متعددة لتحسين الوظائف والموثوقية.