Ленточные накопители данных. Ленточный накопитель: обзор, виды, характеристики и принцип действия
Системы хранения данных на магнитных лентах
Введение
На сегодняшний день существует огромное количество технологий и форматов записи, бесчисленное количество устройств – от бюджетных накопителей небольшой емкости, способных удовлетворить потребности маленьких фирм, до библиотек фантастической емкости, способных хранить несколько десятков и сотен ТБ информации.
Построение любой системы хранения данных начинается с постановки перечня задач, которые необходимо решать, т.е. какой объем информации будет сохраняться, какой тип информации будет преобладать (массивы данных, видео, изображения и т.п.), как часто будет происходить резервирование данных и т.д. Именно на этом этапе и необходимо решить, какой тип накопителя выбрать, какое решение окажется оптимальным.
Предлагаемая статья призвана помочь разобраться в этом многообразии и определить, какое решение наилучшим сохранит столь бесценную для вас информацию
Основные технологии
Во всех ленточных устройствах, несмотря на конструктивные отличия, используются всего два базовых метода записи:
Данные на ленте записываются в виде множества параллельных дорожек. Движение ленты при записи/чтении идет в обоих направлениях. Считывающая/записывающая головка во время движения ленты неподвижна. По достижении конца ленты головка сдвигается на другую дорожку, а лента движется в противоположном направлении. Для увеличения скорости записи/чтения устанавливается несколько головок, которые работают с несколькими дорожками одновременно.
В системах наклонно-строчной несколько считывающих записывающих головок размещают на вращающемся барабане, установленном под углом к вертикальной оси. Лента при записи чтении движется в одном направлении.
Оба метода имеют как достоинства, так и недостатки.
Линейная магнитная запись
DLT (Digital Linear Tape)
Используется картридж 10×10 см, лента шириной 0.5 дюйма. За счет того, что в картридже находится только подающий барабан, а приемный барабан находится в приводе, более эффективно используется объем картриджа. Сам привод получается несколько больших размеров. Технология DLT разрабатывалась компанией Quantum , и к настоящему моменту разделилась на два независимых проекта — Value DLT и Super DLT.
Технология Super DLT (SDLT) является наследницей DLT, разработчик — Quantum. В ней используется другая, более совершенная лента, другие магнитные головки (CMR, кластер магниторезистивных головок), оптическая система позиционирования дорожек и др. При этом сохраняется совместимость со старыми картриджами DLT. Первые устройства SDLT-220 (11/22 MB/s, 110/220 Gb), появились в начале 2001 года, а сейчас поставляется уже второе поколение SDLT 320 (16/32 MB/s, 160/320 Gb). Носитель — картридж SDLT 106х105х25 мм, можно читать и писать картриджи DLT IV, записанные на DLT80. Недавно начались поставки стримеров третьего поколения, SDLT 600 (36/72 MB/s, 300/600 Gb).
Технология Value DLT (DLT VS) является боковым ответвлением DLT, разработчик — Quantum. Стандарт создавался с целью составить конкуренцию DAT и захватить часть соответствующего рынка, первые устройства DLT VS80 (3/6 Mb/s, 40/80 GB), появились в начале 2000 года. Носитель — картридж DLT IV, однако формат чтения/записи не совместим с DLT80 и SDLT. Quantum уже выпустил стримеры второго поколения DLT VS160 (8/16 Mb/s, 80/160 GB).
Новый перспективный план развития DLTtape предусматривает расширение двух линеек ленточных накопителей Quantum. В двух новых поколениях, оснащенных функцией чтения в обратном направлении, главное внимание будет уделено повышению емкости. Новая линейка ленточных накопителей DLT-S™ (ранее SDLT™) предлагает высокую емкость в сочетании с высокой производительностью, а новая линейка DLT-V™ (ранее DLT VS™) — высокую емкость в сочетании с разумной стоимостью накопителя. Системы следующего поколения смогут считывать данные с картриджей старого формата. Компания также предложит на базе своих устройств два поколения технологии WORM (Write Once, Read Many), предотвращающей несанкционированное удаление или перезапись данных.
В ближайшее десятилетие системы DLT-S достигнут емкости картриджей более 10 Tb и выйдут на уровень быстродействия аппаратуры NAS. А в линейке DLT-V со временем появятся многотерабайтные устройства стоимостью ниже $1000.
SLR (Single-Channel Linear Recording)
Используется лета шириной четверть дюйма. Полностью закрытый картридж с массивным металлическим основанием имеет двух катушечную конструкцию. Катушки приводятся в движение ремнем, размещенным внутри картриджа. Картридж имеет лишь небольшое окошко для контакта головки чтения/записи с лентой и ролик, который сообщается с приводным ремнем внутри картриджа и с тон валом привода. Таким образом, лентопротяжный механизм имеет минимальное количество движущихся частей (головка и тон-вал), а, следовательно, надежность такой конструкции – максимальна. Кроме того, отмечена высокая устойчивость этого решения при работе в условиях колебаний температур и влажности окружающей среды.
Многоканальная головка подвешена при помощи магнитной катушки. На ленте при изготовлении нанесены специальные синхро-дорожки, которые считываются при движении ленты, а сервосистема на основе считанного синхросигнала постоянно корректирует положение магнитной головки по высоте. Использование сервосистемы позволяет увеличить количество дорожек на ленте, не прибегая к другим техническим приемам.
Головка чтения/записи имеет дополнительный рабочий зазор, который позволяет считывать только что сделанную запись.
Формат LTO (Linear Tape Open)
Технология LTO (Linear Tape – Open Technology) разработана компаниями IBM, HP и Seagate и определяет две спецификации формата носителей Accelis и Ultrium.
1. Устройства Accelis, ориентированные на минимальное время доступа и максимальную скорость. Причем, для получения минимального времени доступа исходное положение ленты в картридже – не начало, а середина ленты. В настоящее время данная спецификация не используется.
2. Устройства Ultrium, ориентированные на максимальную емкость. Конструкция картриджа и привода напоминает DLT.
Особенности технологии LTO:
Стримеры первого поколения, Ultrium 215 (7,5/15 МБ/сек, 100/200 ГБ), появились в конце 2000 года. Сейчас выпускается уже второе поколение Ultrium 230 (15/30 МБ/сек, 100/200 ГБ) и Ultrium 460 (30/60 МБ/сек, 200/400 ГБ), Ultrium 448 (24/48 МБ/сек, 200/400 ГБ), а также стримеры третьего поколения Ultrium 960 (80/160 МБ/сек, 400/800 ГБ).
Носитель — картридж Ultrium 105x102x22 мм, старшие модели могут читать и писать картриджи младших форматов. В планах разработчиков — выпуск стримеров Ultrium Generation 4 (160/320 МБ/сек, 800/1600 ГБ).
В настоящее время начались поставки накопителей половинной высоты LTO2HH для предприятий малого и среднего бизнеса. Эти устройства сочетают в себе преимущества открытого формата LTO Ultrium при доступной цене.
Наклонно-строчная магнитная запись
Скорость движения ленты невелика и процессы старта/останова занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту, что дает возможность использовать более совершенные ленты (AME) .
За счет довольно высокой скорости вращения головок при наклонно-строчной записи, между лентой и головкой создается воздушная прослойка, которая существенно снижает трение. Кроме того, современные металлонапыленные ленты (AME) имеют специальное углеродное защитное покрытие (DLC, diamond-like coating) и слой сухой поверхностной смазки, что еще значительнее снижает абразивность ленты.
Наклонно-строчная технология предполагает наличие коротких дорожек на поверхности ленты, поэтому можно получить значительно более высокую плотность расположения дорожек (количество на 1 дюйм ширины). А за счет применения более совершенных лент AME плотность записи на самих дорожках тоже выше, чем при линейной записи.
Ленточный накопитель: обзор, виды, характеристики и принцип действия
Ленточные накопители данных имеют свою уникальную историю совершенствования на техническом поприще. Впервые этот вид хранения данных появился в середине XX века и зарекомендовал себя в качестве неизменного устройства для записи, чтения и хранения данных.
Описание и принцип действия
Ленточный накопитель или стример является запоминающим устройством, которое работает по принципу магнитного фиксирования данных на носителе ленточного формата. После записи данных можно их использовать в различных целях, а принцип действия ничем не отличается от бытового магнитофона.
На сегодняшний день в некоторых областях до сих пор ленточные накопители находят широкое применение. Основное предназначение – это запись и чтение данных, а также их копирование и архивация. Запись происходит посредством запоминания информации, фиксируя ее на накопителе параллельно по всем дорожкам. При работе магнитно-ленточного накопителя сама лента может совершать движения в обоих направлениях. По сути, рабочий процесс напоминает использование магнитофона, так как в конце записи, когда кончается лента, аппарат двигает ее в обратном направлении.
Количество запоминающей информации зависит только от метража самой магнитной ленты. Именно длина ленты определяет размер записи данных.
История появления
В середине XX века компания Eckert-Mauchly Computer Corporation в первый раз сделала запись на ленточный накопитель компьютерных данных, а участвовал в этом аппарат ЭВМ UNIVAC I.
Носителем информации стал Vicalloy, который был выполнен из тонкой полоски металла шириной 12,65 мм, состоящей из никелированной бронзы.
До того как появились жесткие диски, ленточные накопители прочно засели в ЭВМ, выполняя функцию основного и долговременного носителя информации. Позже такого рода хранилища стали использоваться только в тех случаях, когда данными редко пользовались. Затем ленточные накопители стали портативным хранилищем для огромного объема данных.
Самая первая машина, появившаяся в 1951 году, называлась UNISERVO и могла хранить в себе объем данных, равный 224 килобайтам. Этот накопитель использовал в качестве материалов для ленты никель-фосфорную бронзу.
В следующем году IBM выпустила модель с семью дорожками на ленте, состав которой стал пластиковым. Такая лента хранила шесть битных байтов и один бит четности.
В 1958 году появляется более усовершенствованная модель с отдельными головками для записи и чтения. Улучшение заключалось в том, что ЭВМ могла считывать данные после их записи. Есть информация, что музей в Калифорнии как раз хранит информацию на таком накопителе.
Лента с девятью дорожками появилась в 1964 году. Принцип работы такой же, как и у модели 1952 года – 8 битных байтов и бит четности.
За десять лет, в период с 1970 по 1980 год, появилось множество моделей со следующими нововведениями:
- Автоматическая загрузка барабанов.
- Возможность восстанавливать данные и исправлять их.
- Использование накопителей в качестве библиотеки.
- В эксплуатацию введены аудиокассеты.
- Использование буфера оперативной памяти для того, чтобы минимизировать задержку между операцией старт/стоп.
- Объем хранимой информации вырастает до 20 мегабайт.
На 2014 год существует уже модель, которая поддерживает работу с технологией LTFS, функционирующая по файловой схеме. То есть аппарат напрямую открывает доступ к нужной информации, избегая полной прокрутки ленты. Объем данных увеличился до 10 терабайт. На сегодняшний день существуют накопители и с большим объемом памяти, которые используются в промышленных масштабах.
Лента на девять дорожек
Так как в прошлом веке промышленные компьютеры могли занимать целую комнату средних размеров, то и применение НМЛ (накопителя на магнитной ленте) было широко распространено.
Наибольшей популярностью такой ленточный накопитель пользовался в СССР в 70-80-е годы прошлого века.
Использование аудиокассеты
Кассета для магнитофона имеет тот же принцип работы. Ее тоже можно назвать ленточным накопителем данных. Имея в доме примитивный магнитофон, любой мог записывать песни и слушать музыку.
До середины 90-х некоторые виды ЭВМ могли работать с такими накопителями, как аудиокассета.
Современные представители
Нынешние стримеры имеют возможность подключаться с помощью высокопроизводительного интерфейса SAS, который способен обеспечить скорость передачи данных от трех до шести гигабит в секунду. Более старые представители моделей IBM подключались через разъем FICON.
Описание технологии LTO
Современные представители магнитных накопителей придерживаются стандартов, именуемых LTO. Компания IBM представила ленточный накопитель (стример) LTO-5 TS2350, который имеет два разъема подключения SAS и один порт для выхода в интернет.
Применяемые операционные системы
Работа с многозадачными и многопользовательскими операционными системами представляется простейшим способом, то есть используются такие команды, как tar и mt. Однако с операционной системой Мас первая команда не способна работать со стримерами, а вторая команда попросту отсутствует. Основной операционной системой, предназначенной для работы с магнитными лентами, является Linux и Mac OS X.
Для широкого круга операционных систем существуют специальные программы для обслуживания современных стримеров. С 2010 года компания IBM работает над реализацией ленточных накопителей в Windows.
Описание ленточной библиотеки
Принцип работы такой библиотеки заключается в том, что она функционирует одновременно с несколькими ленточными накопителями. Библиотеки такого масштаба являются абсолютно роботизированными. Такие хранилища работают с маркированными штрих-кодом кассетами, которые достает робот согласно заданной программе.
По сравнению с дисковыми носителями, такой вид хранения данных значительно выгоднее, так как для содержания ленточной библиотеки требуется меньшее количество затрачиваемого энергопотребления, а также общая стоимость оборудования гораздо меньше дисковых аналогов.
Положительные стороны и недостатки
Среди достоинств, как было указано выше, отмечается низкая себестоимость и содержание такого вида хранилища. Положительным моментом является и возможность бесконечной записи данных, то есть объем памяти практически безграничен. За счет монотонных операций и механического строения ленточные накопители способны прослужить достаточно длительное время, а именно – десятилетия.
К сожалению, есть и недостатки эксплуатации ленточной библиотеки – это малая скорость доступа к данным. Дело в том, что для чтения определенной информации ленте нужно время, чтобы прокрутиться к заданному месту. То же самое происходит, если активировать несколько запросов одновременно.
Несмотря на низкое потребление ресурсов, сама стоимость стримера очень высокая, поэтому цена устройства записи – это один из недостатков.
Современные стримеры: выбираем ленточный накопитель
Ложное чувство защищённости
Похоже, самые плохие предсказания сегодня становятся реальностью: для многих пользователей резервирование данных уже играет не столь важную роль. С одной стороны, присутствующие на рынке решения часто бывают слишком дороги – по крайней мере, на первый взгляд. С другой стороны, повсеместное распространение массивов RAID на серверах даёт обманчивое чувство безопасности. Итог бывает плачевен: череда ошибок – и данные потеряны.
Цель резервирования заключается в защите данных и системы от целого ряда потенциальных бедствий. Среди них отметим программные ошибки, атаки хакеров, вирусы, аппаратные сбои или многие другие сценарии страшного сна.
Иногда банальное выключение энергии или перепад напряжения в цепи способны мгновенно уничтожить самый мощный массив RAID.
Однако не следует забывать, что наиболее частая причина потери данных кроется в неправильных действиях самого пользователя. К примеру, случайное удаление ненужных, на первый взгляд, данных может быть замечено только через несколько дней или недель – и тогда бывает уже слишком поздно пытаться что-либо восстанавливать.
Для эффективного противостояния всем этим рискам пользователям (и администраторам) следует серьёзно подходить к резервированию данных. Жизненно важную информацию следует хранить на нескольких системах и лучше – в разных зданиях. Такой подход позволяет предусмотреть даже стихийные бедствия вроде пожара или наводнения.
Разные подходы
Если массивы данных у вас не превышают 4,7 Гбайт, то вы можете использовать перезаписываемые DVD+RW или защищённые DVD-RAM. Если же нужны носители больших объёмов, то единственным выбором остаются жёсткие диски и стримеры, которые способны справиться с объёмами в сотни гигабайт. Однако жёсткие диски слишком тяжелы для частого использования и слишком чувствительны к физическим воздействиям (к падению на землю, ударам и т.д.). С другой стороны, жёсткие диски обладают высокой скоростью передачи.
Собственно, поэтому продуманная стратегия резервирования данных по-прежнему опирается на ленточные приводы. По крайней мере, один раз в неделю необходимо делать резервирование на ленту и хранить её в домашнем сейфе или даже в банковской ячейке. Также не следует использовать ленты чаще, чем рекомендует производитель.
Цель подобного подхода заключается не только в резервировании существующих данных, но и в создании слепка рабочей системы. В результате, пользователь всегда сможет откатиться назад или использовать слепок как эталон, если данные были модифицированы.
На рынке присутствует множество стандартов систем хранения, от “крохотных” до “просто огромных” – всё зависит от ваших потребностей. Посмотрите на разнообразие форматов и технологий: QIC, Travan, 8 mm, Mammoth, AIT, DLT, SDLT, ADR, LTO и VXA. Но не переживайте. Мы обсудим все форматы и поможем найти подходящее решение для вашего случая.
Работает ли аварийное восстановление данных на самом деле?
Какой смысл в ежедневном резервировании данных на протяжении нескольких месяцев, если вы их не сможете полностью восстановить в случае аварии? Правило любой системы безопасности гласит: всегда проводите учебные тревоги, чтобы “пожар” не застал вас врасплох. Будет ли работать массив RAID 5 так, как должен? Уберите жёсткий диск из массива и проверьте сохранность данных после процесса реконструкции. То же самое относится и к решениям на стримерах: проведите тест и полностью восстановите данные – получите ли вы желаемый результат?
Учитывая современные сложные программы резервирования, необходимо проверить полное восстановление компьютера, включая операционную систему. Помните, что резервирование только тогда имеет смысл, когда оно позволяет надёжно выполнить восстановление данных.
Форматы стримеров: обзор
Вчера и сегодня: кассета SLR75 по сравнению с Mini-QIC80. Подобный размер кассеты SLR обусловлен, по большей части, длиной плёнки, которая может изменяться от 94 до 351 метра.
Линейный способ или спиральная развёртка.
Спиральная развёртка позволяет наиболее оптимально использовать имеющееся “пространство”, однако она медленнее работает и больше подвержена дефектам, чем линейные варианты. Источник: Exabyte.
В целом, существует два способа записи на магнитную ленту: линейный, при котором данные записываются от начала плёнки до её конца, или диагональный способ – так называемая “спиральная развёртка”. В любом случае на ленту записываются несколько параллельных дорожек, чтобы наиболее полно использовать имеющуюся пропускную способность.
Спиральная развёртка пришла в стримеры из мира видеомагнитофонов и используется, чаще всего, в системах DAT, AIT и VXA. Поскольку постоянную скорость чтения или записи обеспечить практически невозможно, устройства со спиральной развёрткой намного медленнее своих линейных собратьев (из-за непрерывной синхронизации с меняющимися потоками данных). Но зато они могут более эффективно использовать доступное пространство ленты, что приводит к большей ёмкости данных у устройств со спиральной развёрткой.
Наподобие систем VHS, лента выходит из кассеты и натягивается вокруг шпинделя, на котором размещаются головки чтения и записи. Вполне естественно, что эта процедура оказывает механическое воздействие на ленту – причём большее, чем в устройствах линейной записи, где лента намертво “сидит” в кассете.
Сжатие данных: ну и оптимисты!
Программа Retrospect от Dantz даёт слишком оптимистичные показатели.
При выборе стримера следует очень и очень внимательно присмотреться к ёмкости кассет, поскольку производители часто оценивают свои решения с учётом сжатия 2:1. Иногда они могут завысить коэффициент сжатия даже до 2,5:1. Однако следует помнить, что подобную степень сжатия можно получить только на хорошо пакуемых данных: офисных документах, базах данных или исходных текстов программы. Чем больше мультимедийных файлов вы будете резервировать, тем меньше будет общий коэффициент сжатия.
Уже запакованные файлы JPG или MPEG вряд ли можно сжать ещё сильнее, в отличие от картинок TIF или файлов WAV. Если вы сомневаетесь, всегда следует учитывать меньшую физическую ёмкость.
Стримеры Mini-QIC/ флоппи
Формат QIC появился ещё в далёком 1972 году, когда производителю 3M понадобилось решение для хранения больших массивов данных. В то время людей ещё не особо волновали проблемы резервирования – первоочередной потребностью были именно накопители с большими объёмами. Напомним, что жёсткие диски тогда были невероятно дороги, и их коммерческого использования ещё не было. Например, проект IBM Winchester Project (“Винчестер”), начатый в 1973 году, привёл к появлению жёсткого диска на 5 Мбайт только в 1979 году. По причине относительно низкой в то время цены устройств, стандарт QIC получил широкое признание.
Вообще, аббревиатура QIC расшифровывается как Quarter Inch Cartridge (картридж в четверть дюйма), что обозначает ширину магнитной ленты. Наиболее распространились в те годы компакт-кассеты DC2080 и DC2120. Кроме того, тогда существовало много стандартов плёнки, которая содержала от 20 до 50 дорожек. В начале 1990-х стали популярны стримеры QIC с интерфейсом для контроллера дисковода, хотя они и не слишком радовали потребителей своей производительностью (около 35 кбайт/с). Отметим, что сегодня любое DSL-подключение к Интернету работает и то быстрее.
К сожалению, проблемы совместимости между разными устройствами привели к тому, что флоппи-стримеры подходили только для полупрофессионального применения.
Travan
Стандарт Travan также базируется на QIC и представляет собой попытку внести ясность в хаос из более 120 стандартов QIC. Технически ленты Travan намного превосходят варианты QIC, поскольку они были специально разработаны для долговременного хранения и высокой надёжности. Но по этой же причине кассеты Travan стоят дороже.
История науки и техники Com New
Ленточные накопители информации
Ленточные накопители информации (стримеры) относятся к внешним ЗУ и предназначены для долговременного хранения больших объемов информации (десятки гигабайт). Данные накопители относятся к ЗУ с последовательным доступом к данным. В ЗУ с последовательным доступом (SequentialAccess) каждый блок записанной информации имеет свой адрес. Для обращения к нему накопитель должен сначала найти маркер начала блока, а затем последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места на носителе и только тогда производить операции считывания или записи. При этом для обращения к следующему блоку каждый раз возвращаться на начало необязательно, поскольку эти данные сохраняются в виде служебной информации в памяти компьютера, но необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) является неотъемлемым свойством накопителей с последовательным доступом.
Стримеры уступают по ряду характеристик (времени доступа, скорости передачи данных) дисковым накопителям информации. По этой причине стримеры в ПК не нашли широкого применения, в основном они применяются в качестве вторичных накопителей информации, используемых для резервного хранения информации (для создания архивов данных). Стримеры подразделяются на внутренние, устанавливаемые в системный блок компьютера, и внешние (переносные) по отношению к системному блоку. Различаются они между собой по конструктивному исполнению. Подключаются ленточные накопители информации к системной шине компьютера через соответствующий интерфейс.
Конструктивно стример состоит из устройства записи и считывания информации и носителя информации (магнитной ленты). Стримеры называют также цифровыми магнитофонами для хранения данных.
В стримерах для записи и считывания информации используется электромагнитный способ. В основе данного способа лежит взаимодействие магнитного носителя информации (ленты) и магнитных головок – миниатюрных электромагнитов, располагаемых у поверхности движущегося магнитного носителя. Принцип записи и считывания аналогичен принципу, используемому в НГМД и НЖМД.
В настоящее время производителями ленточных накопителей и их компонентов являются фирмы Hewlett Packard, Sony, Seagate, Iomega, Imation и т. д.
Устройство записи и считывания в ленточных накопителях состоит из лентопротяжного механизма, электромагнитных головок записи и считывания, электронных блоков управления и передачи данных и т. д. Все эти компоненты накопителя размещаются в едином корпусе, который вставляется в соответствующий отсек системного блока компьютера. Внешние накопители выполнены в виде функционально законченного отдельного устройства.
В стримерах используется лентопротяжный механизм, аналогичный лентопротяжному механизму, применяемому в магнитофоне. Лентопротяжный механизм в основном работает в двух режимах: старт-стопном и инерционном. В настоящее время применяется инерционный режим, при котором длина отрезка магнитной ленты, проходящей мимо электромагнитной головки при остановке или перезапуске, превышает длину промежутка между блоками информации, записанными на ней. По этой причине после остановки лентопротяжного механизма ленту необходимо перемотать назад, и только выполнив эту операцию, можно перейти к следующему этапу работы с лентой. Данный режим обладает значительными преимуществами перед старт-стопным режимом при передаче больших объемов данных, поскольку магнитные ленты могут обрабатываться на значительно более высокой скорости. Кроме того, при инерционном режиме промежутки между блоками информации могут быть очень короткими, поэтому плотность данных, записываемых на ленту фиксированной длины, может быть значительно больше по сравнению со старт-стопным режимом. Однако у этого режима имеется существенный недостаток, который состоит в сравнительно большом времени повторного позиционирования электромагнитных головок. Это время может составлять от 0,1 до 2 с. Время доступа варьируется в пределах от 10 до 70 с. Поэтому стримеры, у которых лентопротяжный механизм использует инерционный режим, применяются в основном для резервного копирования и архивирования данных с НЖМД.
Скорость передачи данных зависит от модели стримера и составляет от единиц до десятков мегабайт в секунду. Конкретные технические характеристики стримеров определяются моделью дисковода и приводятся в соответствующей технической документации на данную модель.
Обмен информацией между устройством записи и считывания стримера и МП компьютера осуществляется через контроллер накопителя, который входит в состав электронного блока накопителя. В качестве интерфейсов в стримерах в настоящее время используются интерфейсы IDE/ATAPI (Integrated Disk Electronic/Attachment Packet Interface) и SCSI (Small Computer System Interface).
В качестве носителей информации в стримерах используются магнитные ленты, которые являются аналогом обычных музыкальных магнитных лент. Информация на лентах записывается последовательно на соответствующие дорожки. Современные ленточные накопители используют не отдельные бобины с лентой, а специальные кассеты – картриджи. Они различаются по внутреннему устройству и по ширине самой ленты. Параметры картриджей стандартизированы. При записи информации на ленту контроллер стримера с помощью соответствующего программного обеспечения сжимает записываемую информацию.
Существуют следующие стандарты на картриджи: четвертьдюймовые картриджи QIC (Quarter Inch Cartridge), Travan, 4– и 8-милиметровые картриджи DAT (Digital Audio Tape), DSS (Digital Data Storage) и 8-милиметровые картриджи DLT (DigitalLinear Tape).
Этими стандартами определяются правила взаимодействия (интерфейс) между компьютером и стримером, формат магнитной ленты, необходимое количество магнитных головок, методы кодирования данных на ленте, коды и алгоритмы коррекции данных и т. д.
Стандарт QIC предписывает использование линейной записи данных на магнитную ленту и в качестве интерфейса для обмена данными стримера с МП предполагает использование интерфейса, который применяется для накопителей на гибких дисках. По этой причине такое соединение имеет низкое быстродействие. Картриджи данного стандарта могут записывать информацию объемом до нескольких десятков гигабайт.
В настоящее время усилия компаний, продвигающих на рынке стандарт QIC, направлены на то, чтобы запись на ленте стримера одного производителя могла читаться на стримере другого производителя.
Стандарт Travan разработан на основе стандарта QIC. В качестве интерфейса используется интерфейс SCSI-2. Картриджи данного стандарта могут записывать информацию объемом до нескольких десятков гигабайт. Этот стандарт, разработанный компанией Imation, поддерживается большинством ведущих компаний, работающих в области производства стримеров (Hewlett Packard, Seagate, Sony, Iomega и т. д.). Внутри картриджа находится магнитная лента длиной 228 м и шириной 0,315″, изготовленная из феррооксидного материала.
Стандарт DAT разработан фирмой Sony для цифровой аудио– и видеозаписи. В отличие от линейной записи, применяемой в стримерах на основе стандарта QIC, в устройствах на основе стандарта DAT используется технология спирального сканирования. Такая технология используется в видеомагнитофонах. В стримерах стандарта DAT применяется магнитная лента шириной 4 и 8 мм. При спиральной записи головка вращается относительно облегающей ее при движении ленты с большой линейной скоростью, что повышает плотность записи данных на магнитную ленту. Информационный объем картриджей на основе стандарта DAT достигает нескольких гигабайт, средняя скорость обмена несжатыми данными не превышает 1,5 Мбайт/с.
В технологии, базирующейся на стандарте DLT, используется запатентованная головка считывания/записи с шестью направляющими роликами. Информационный объем картриджей на основе стандарта DLT достигает нескольких сотен гигабайт, скорость обмена несжатыми данными находится в пределах от 10 до 40 Мбайт/с.
Запись информации на магнитную ленту и считывание информации с нее должны производится на предварительно отформатированную магнитную ленту, т. е. на ней должна быть создана физическая и логическая структура. В ленточных накопителях информации формирование физической и логической структуры магнитной ленты реализуется в процессе записи на нее данных. Эти структуры создаются с помощью программ, которые входят в комплект поставки конкретного типа стримера. Эти программы реализуют процедуры записи, считывания и удаления информации с магнитного носителя стримера.
Предыдущая глава 
Оглавление Следующая глава
Почему магнитная лента остаётся лучшим носителям для хранения данных
Неудивительно, что недавние успехи в области анализа больших данных и искусственного интеллекта создали сильные стимулы для компаний собирать информацию обо всех измеримых аспектах своего бизнеса. А финансовые положения теперь требуют от организаций вести учет в течение гораздо более длительных периодов, чем они должны были в прошлом.
Исследования показывают, что количество записываемых данных увеличивается на 30-40 процентов в год. В то же время емкость современных жестких дисков, которые используются для хранения большей части этого, увеличивается менее чем вдвое. К счастью, большая часть этой информации не требует немедленного доступа. И для таких вещей магнитная лента является идеальным решением.
Серьёзно? Запись на ленту? Сама идея может вызвать образ барабанов, вращающихся в громоздких мэйнфреймах как в старом фильме, например Desk Set или Dr. Strangelove. Но быстрая проверка реальности одназно подтверждает: лента никогда не уходила!
Действительно, большая часть мировых данных всё ещё хранится на ленте, включая данные по фундаментальной науке, такие как физика элементарных частиц и радиоастрономия, наследие цивилизации и национальные архивы, большинство кинофильмов, банковское дело, страхование, данные по разведки нефти и многое другое. Есть даже группа людей, чья работа заключается в том, чтобы постоянно улучшать хранение данных на ленте.
Да, лента существует уже давно, но технология не была заморожена во времени. Наоборот. Как жесткие диски и транзисторы, магнитная лента значительно продвинулась за десятилетия.
Первая коммерческая система хранения данных на цифровых лентах – модель IBM 726 – могла хранить около 1,1 мегабайта на одной катушке ленты. Сегодня современный ленточный картридж может вместить 15 терабайт. А одна роботизированная ленточная библиотека может содержать до 278 петабайт данных. Хранение такого большого количества данных на компакт-дисках потребовало бы более 397 миллионов пластинок, если их сложить в стопу, образовалась бы башня высотой более 476 километров.
Это правда, что лента не обеспечивает такую высокую скорость доступа, как жесткие диск или полупроводниковая память. Тем не менее, преимуществ у неё много. Начнём с того, что накопитель на магнитной ленте более энергоэффективен: после того, как все данные записаны, кассета с магнитной лентой просто тихо сидит в слоте в роботизированной библиотеке и совсем не потребляет энергии. Лента также чрезвычайно надежна, её частота ошибок на четыре-пять порядков ниже, чем у жестких дисков. Кроме того, лента очень безопасна со встроенным шифрованием «на лету» и дополнительной защитой, предоставляемой самой средой. В конце концов, если картридж не установлен в накопителе, данные не могут быть доступны или изменены. Этот «воздушный зазор» особенно привлекателен в свете растущей скорости кражи данных в результате кибератак.
Автономная природа ленты также обеспечивает дополнительную линию защиты от ошибочного программного обеспечения. Например, в 2011 году из-за ошибки в обновлении программного обеспечения Google случайно удалил сохраненные сообщения электронной почты в 40000 учетных записей Gmail. Эта потеря произошла, несмотря на наличие нескольких копий данных, хранящихся на жестких дисках в нескольких центрах обработки данных. К счастью, данные были также записаны на ленту, и Google смог, в конечном итоге, восстановить все потерянные данные из этой резервной копии.
Инцидент Gmail 2011 года был одним из первых раскрытий того, что поставщик облачных услуг использовал ленту для своих операций. Совсем недавно Microsoft сообщила, что в её хранилище архивов Azure использует оборудование для хранения данных на магнитной ленте IBM.
Несмотря на все эти плюсы, главная причина, по которой компании используют магнитные ленты, – это, как правило, экономия. Хранение на магнитной ленте стоит одну шестую суммы, которую вы должны заплатить, чтобы сохранить тот же объём данных на дисках, поэтому ленточные системы можно найти практически везде, где хранятся огромные объемы данных. Но поскольку лента полностью исчезла из продуктов потребительского уровня, большинство людей не знает о её существовании, не говоря уже об огромных успехах, достигнутых в технологиях записи на магнитной ленте в последние годы, и она будет продолжать развиваться в обозримом будущем.
Всё это говорит о том, что магнитная лента была с нами на протяжении десятилетий и будет ещё очень долго.
Лента просуществовала так долго по одной фундаментальной причине: она дешевая. И становится всё дешевле. Но будет ли так всегда?
Вы можете ожидать, что если способность записывать все больше данных на магнитные диски снизиться, то же самое должно произойти и с магнитной лентой, которая использует ту же базовую технологию. Но, удивительная реальность состоит в том, что для ленты это увеличение емкости не показывает никаких признаков замедления. На самом деле, это будет продолжаться ещё много лет с историческим показателем около 33 процентов в год, а это означает, что вы можете ожидать удвоения мощности примерно каждые два-три года. Думайте об этом как о законе Мура для магнитной ленты.
Чтобы понять, почему лента по-прежнему обладает таким большим потенциалом по сравнению с жесткими дисками, рассмотрим, как развивались ленты и жесткие диски.
Оба используют одни и те же базовые физические механизмы для хранения цифровых данных. Они делают это в виде узких дорожек в тонкой пленке магнитного материала, в которой магнетизм переключается между двумя состояниями полярности. Информация кодируется как последовательность битов, представленных наличием или отсутствием перехода магнитной полярности в определенных точках вдоль дорожки. С момента появления ленточных и жестких дисков в 1950-х годах производители обоих устройств руководствовались мантрой «плотнее, быстрее, дешевле». В результате стоимость обеих систем, выраженная в долларах на гигабайт емкости, упала на много порядков.
Эти сокращения затрат являются результатом экспоненциального увеличения плотности информации, которая может быть записана на каждом квадратном миллиметре магнитной подложки. Эта плотность записи является произведением плотности записи вдоль дорожек данных и плотности этих дорожек в перпендикулярном направлении.
Вначале плотность записи магнитных лент и жестких дисков была одинаковой. Но гораздо больший размер рынка и выручка от продажи жестких дисков обеспечили финансирование для более масштабных исследований и разработок, что позволило их производителям более агрессивно расширяться. В результате текущая плотность записи на жестких дисках большой емкости примерно в 100 раз выше, чем у самых последних ленточных накопителей.
Тем не менее, поскольку они имеют гораздо большую площадь поверхности, доступную для записи, современные ленточные системы обеспечивают емкость оригинального картриджа до 15 ТБ – больше, чем жесткие диски с самой большой емкостью на рынке. Хотя оба типа устройств занимают примерно одинаковое количество места.
За исключением емкости, характеристики производительности ленточных и жестких дисков, конечно, очень разные. Большая длина ленты, хранящейся в картридже, обычно сотни метров, приводит к тому, что среднее время доступа к данным составляет от 50 до 60 секунд по сравнению с 5-10 миллисекундами для жестких дисков. Но удивительно, что скорость записи данных на ленту более чем вдвое превышает скорость записи на диск.
За последние несколько лет увеличение плотности записи данных на жестких дисках замедлилось со своего исторического среднего уровня, составляющего около 40 процентов в год, до 10-15 процентов. Причина заключается в фундаментальной физике: чтобы записать больше данных в заданной области, вам нужно выделить меньшую область для каждого бита. Это, в свою очередь, уменьшает сигнал, который вы можете получить, когда читаете его. И если вы слишком сильно уменьшите сигнал, он потеряется в шуме, который возникает из-за зернистости магнитных зерен, покрывающих диск.
Можно уменьшить фоновый шум, сделав эти зерна меньше. Но трудно уменьшить магнитные зерна ниже определенного размера, не ставя под угрозу их способность стабильно поддерживать магнитное состояние. Наименьший размер, который практично использовать для магнитной записи, известен как суперпарамагнитный предел. И производители жесткий дисков его уже достигли.
До недавнего времени это замедление не было очевидным для потребителей, поскольку производители дисководов могли компенсировать это, добавляя больше головок и пластин к каждому устройству, что позволяет увеличить емкость в пакете того же размера. Но теперь и доступное пространство, и стоимость добавления дополнительных головок и пластин ограничивают выгоды, которые могут получить производители дисков, и проблема начинает становиться очевидной.
Разрабатывается несколько технологий, которые могут обеспечить масштабирование жесткого диска сверх сегодняшнего суперпарамагнитного предела. К ним относятся магнитная запись при помощи тепла (HAMR) и магнитная запись при помощи микроволнового излучения (MAMR), – методы, которые позволяют использовать более мелкие зерна и, следовательно, позволяют намагничивать меньшие области диска. Но эти подходы увеличивают стоимость и создают неприятные инженерные проблемы. И даже если они будут решены, возможности масштабирования, вероятно, останутся ограниченными. Например, Western Digital Corp, которая недавно объявила о начале поставок жестких дисков MAMR в 2019 году, ожидает, что эта технология позволит масштабировать плотность записи всего лишь на 15 процентов в год.
Напротив, оборудование для хранения данных на магнитной ленте в настоящее время работает при площадных плотностях, которые значительно ниже суперпарамагнитного предела. Таким образом, закон Мура на магнитной ленте может сохранять действие в течение десятилетия или больше, не сталкиваясь с такими препятствиями фундаментальной физики.
В 2015 году промышленный консорциум по хранению информации, – организация, которая включает в себя HP Enterprise, IBM, Oracle и Quantum, – выпустил то, что называется «дорожной картой». Прогноз предсказывает, что к 2025 году плотность записи на ленту может достичь 91 Гб на квадратный дюйм. Экстраполируя эту тенденцию, можно предположить, что к 2028 году она превысит 200 Гб на квадратный дюйм.
Авторы этой дорожной карты заинтересовались будущим хранения на магнитной ленте. Но вам не нужно беспокоиться, что они слишком оптимистичны. Лабораторные эксперименты показывают, что 200 Гб на квадратный дюйм вполне достижимы. Так что возможность удержания ленты на пути роста, который у неё был, вполне гарантирована.
Действительно, лента может быть одной из последних информационных технологий, которые следуют закону Мура. Даже если вы редко можете видеть её за пределами кадров фильмов прошлого века, магнитная лента, какой бы она ни была старой, будет с нами долгие годы.
Обзор устройств и технологий хранения данных на магнитной ленте. Что лучше?
Бурный рост критически важных и ответственных приложений с одной стороны и увеличение объемов данных в сегодняшних условиях требуют особого, более внимательного отношения к системам хранения данных, так как информация имеет свою (и порой достаточно высокую) цену и любая потеря данных может обернуться ощутимыми финансовыми потерями. Вот почему подсистемы хранения данных приобретают все большее и большее значение.
Традиционно системы хранения можно разделить на следующие три класса.
- Быстрые системы с произвольным доступом. Это «жесткие диски» и RAID системы. Имеют небольшое время доступа и самую высокую удельную стоимость хранения.
Относительно медленные системы с последовательным доступом. Это отдельно стоящие приводы магнитных лент, библиотеки магнитных лент и достаточно редко используемые RAIT системы. Обладают наибольшим временем доступа, наибольшей емкостью и наименьшей удельной стоимостью хранения данных. Используются также в системах иерархического хранения данных.
Существует еще один класс устройств — это твердотельные диски. Используются для организации буферов данных. Но из-за высокой стоимости их применение ограничено.
В данной статье пойдет речь технологиях и системах хранения данных на магнитных лентах. Традиционно магнитные ленты были и остаются наименее дорогим и достаточно надежным (сохранность записи более 30 лет) носителем для организации архивов и резервного копирования данных.
Чтобы проще было разобраться в разнообразии представленных на рынке устройств — сначала немного теории. Несмотря на то, что приводов магнитных лент и картриджей разной конструкции достаточно много, базовых технологий, используемых во всех устройствах, всего две. Это линейная запись (запись с неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчная запись. Оба метода пришли из аналоговой магнитной записи.
Итак, начнем с линейной магнитной записи, так как появилась она раньше. Аналоговые магнитофоны появились достаточно давно, а для записи данных эта технология использовалась уже в ЭВМ ЕС и СМ.
Суть состоит в том, что используется достаточно широкая лента с большим числом расположенных по всей длине ленты параллельных дорожек и многоканальная магнитная головка. Лента протягивается лентопротяжным механизмом мимо головки. При этом считывается часть (группа) дорожек. При достижении окончания ленты головка перепозиционируется на следующую группу дорожек, лентопротяжный механизм реверсирует движение ленты (лента движется обратно и записываются/считываются другие дорожки). Этот процесс повторяется, пока не будут считаны или записаны все дорожки. Такой метод записи называют серпантиновым.
Линейная система записи имеет свои характерные особенности. Чтобы обеспечить необходимую плотность записи лента должна двигаться мимо магнитной головки со скоростью порядка 160 дюймов/с (порядка 70 см/с). Чем быстрее достигается рабочая скорость движения ленты , тем меньше задержек при неизбежном старт-стопном движении ленты. Поэтому, чем более быстродействующий лентопротяжный механизм , тем больше механическая нагрузка на ленту и применение современных тонких лент AME в этом случае недопустимо.
Еще одна особенность — это обеспечение оптимального взаимного положения магнитной дорожки и рабочего зазора магнитной головки. Дело в том, что при движении ленты неизбежна некоторая девиация положения магнитной дорожки по высоте. Причина в неизбежном перемещении ленты в вертикальной плоскости при движении из-за некоторого люфта направляющих стоек или роликов и не абсолютная параллельность краев самой ленты. Это не критично при невысоких плотностях цифровой записи и для традиционной аналоговой записи, где ширина дорожки несколько больше ширины магнитного зазора и разница эта не меньше возможной девиации положения ленты по вертикали при движении по лентопротяжному тракту. Однако для удовлетворения современных потребностей требуется дальнейшее увеличение емкости картриджа. Так как нельзя просто намотать больше ленты (объем картриджа ограничен) и нельзя бесконечно уменьшать толщину ленты — остается только увеличение количества дорожек (плотность расположения) и использование более прогрессивных методов магнитной записи (RLL, PRML). Поэтому очевидно, что для увеличения количества дорожек на ленте требуется специальная система слежения и коррекция положения головки.
Основные изготовители устройств с линейной записью — это Quantum Corp. и Tandberg Data ASA. Оба имени достаточно известны, Quantum занимается производством жестких дисков и приводов магнитных лент DLT. Tandberg Data ASA выпускает устройства DLT, а также имеет фирменную технологию SLR на базе четвертьдюймовых лент (QIC). Технические характеристики приводов DLT и SLR перечислены в сводной таблице.
Особенности DLT
Используется лента шириной 0,5 дюйма и однокатушечный картридж (приемный барабан несъемный и находится в самом устройстве). Лента закреплена одним концом в подающем барабане в картридже, а на другом конце находится специальная петля, лидер, за которую ЛПМ (лентопротяжный механизм) вытаскивает ленту из картриджа и заправляет в приемный барабан. Таким образом, более полно используется объем картриджа (весь объем заполнен лентой), но сам привод магнитных лент получается несколько больших размеров. Технология DLT в настоящее время наиболее широко используется в системах среднего и более высокого уровня. На рынке представлены DLT4000, 7000, 8000. Поставки SuperDLT компанией Tandberg Data по дистрибьюторским каналам начались с апреля 2001.
Представленные на рынке устройства DLT4000, 7000, 8000 принципиальных отличий друг от друга не имеют, все отличия, скорее, количественные. Устройства же SuperDLT принадлежат уже к новому поколению, где используется другая, более совершенная лента, другие магнитные гоовки (CMR, кластер магниторезистивных головок), оптическая система позиционирования дорожек и др. Правда, в устройствах SDLT не удалось получить совместимость со старыми картриджами DLT. Объясняется это тем, что новые головки не могут работать со старыми плотностями записи и старыми плотностями расположения дорожек. Поэтому для обеспечения совместимости требуется установка дополнительного блока магнитных головок, что приведет к существенному изменению и усложнению конструкции лентопротяжного механизма.
Еще следует упомянуть о поставляемом Tandberg Data приводе DLT1. Это устройство по емкости соответствует DLT8000, но производительность в два раза меньше и совместимо оно по чтению только с DLT4000. Однако, это компенсируется чрезвычайно низкой ценой, соизмеримой с устройствами более низкого класса (DDS-4).
Особенности SLR
Приводы магнитных лент SLR производятся Tandberg Data ASA и имеют следующие особенности.
- Используется лета шириной четверть дюйма. Полностью закрытый картридж с массивным металлическим основанием имеет двухкатушечную конструкцию (приемный и подающий барабаны находятся в внутри картриджа). Оба барабана приводятся в движение специальным ремнем, размещенным внутри картриджа. Картридж имеет лишь небольшое окошко для контакта головки чтения/записи с лентой и ролик, который сообщается с приводным ремнем внутри картриджа и с тонвалом привода. Таким образом, лентопротяжный механизм имеет минимальное количество движущихся частей (головка и тонвал), а, следовательно надежность такой конструкции максимальна.
Особенно в этом отношении интересно новое устройство SLR7 от Tandberg Data. Техические данные приведены в общей таблице, а стоимость этого устройства ниже, чем DDS4.
Следует остановиться еще на одном формате. Это открытый формат LTO (Linear Tape Open format), результат объединения усилий IBM, HP и Seagate, лицензии на который уже получены многими изготовителями как магнитных лент, так и устройств. Технология: серпантиновая запись на ленту шириной 0,5 дюйма. Предполагается два типа устройств. 
- Ориентированнные на минимальное время доступа и максимальную скорость Accelis с двухкатушечным катриджем. Причем для получения минимального времени доступа исходное положение ленты в катридже — не начало (как у других устройств) , а середина ленты.
- Ориентированные на максимальную емкость устройства Ultrium. Конструкция картриджа и привода напоминает DLT. Емкость картриджа для устройств первого поколения составляет 100 Гбайт, а для устройств третьего поколения через 2-3 года предполагается кмкость порядка 800 GB.
Поставки Ultrium первого поколения начались в 2001 году. Это устройство доступно в настоящее время по крайней мере от IBM и HP, автоматизированные библиотеки доступны от Exabute, HP и др. Картриджи Ultrium доступны также от HP и Exabyte.
Опыт пользования устройствами Ultrium пока еще не накоплен, отзывы пользователей в Европе пока еще противоречивы.
Другой метод магнитной записи — это наклонно-строчная магнитная запись. В середине 50-х годов фирмой Ampex был начат выпуск первых (естественно, аналоговых) видеомагитофонов с наклонно-сторочной записью. Суть метода состоит в том, что лента протягивается с небольшой скоростью (несколько сантиметров в секунду) мимо вращающегося в высокой скоростью цилиндра, на котором закреплены головки чтения-записи. За счет вращения блока головок получается высокая относительная скорость между лентой и головкой. Преимущества этого метода следующие. Так как абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и останова занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту. Следовательно, можно использовать более тонкие ленты (например, новые более тонкие металлонапыленные ленты AME). Кроме того, при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек (измеряется в количестве дорожек на 1 дюйм) в несколько раз выше, чем при линейной записи. Это является результатом того, что длина одной магнитной дорожки сравнительно невелика, с одной стороны, и применения специального механизма подстройки положения вращающегося барабана с магнитными головками с другой стороны, а также использованием более совершенных носителей.
