Для хранения данных больших объемов по-прежнему огромной популярностью пользуются накопители на магнитных лентах. Их высокая емкость и сравнительная дешевизна играют при этом далеко не последнюю роль.

В иерархии массовой памяти — оперативной (on-line), почти оперативной (near on-line), автономной (off-line), удаленной (off-line) — практически везде можно найти магнитные ленты, и только оперативный режим работы оставлен за жесткими дисками. Для хранения информации диски вполне пригодны лишь в некоторых случаях кратковременных отказов, но абсолютно не приспособлены для восстановления данных при катастрофах: крайне неэкономично и непрактично сберегать в сейфе несколько поколений копий на жестких дисках. Напротив, с помощью давно проверенных методов данные можно эффективно и недорого хранить на магнитной ленте. Во-первых, сменные ленты занимают мало места и очень просто перезаписываются. Во-вторых, они обеспечивают достаточно высокую скорость передачи при создании резервных копий и восстановлении утерянных данных. В последнее же время благодаря технологическим достижениям отмечается значительный рост емкостей и скоростей. Уже сейчас имеются ленточные кассеты, способные вместить от 100 до 300 Гбайт, тем временем ведется разработка кассет еще большей емкости. А эффективные программные инструменты позволяют оптимизировать хранение данных.

В прошлом пользовался спросом практически любой технически возможный вариант накопителей на магнитных лентах. Между тем область применения подобной техники сокращается: для небольших объемов данных идеально подходят такие варианты, как однократно записываемые (CD-R), перезаписываемые (CD-RW) или цифровые оптические диски (DVD). В результате так и не получившая широкого распространения технология цифрового хранения данных (Digital Data Storage, DDS) постепенно отмирает: лента DDS слишком узкая, размеры кассет также очень невелики. Несмотря на то что плотность записи столь же высока, как и у больших по размеру форматов, такой метод хранения не обеспечивает в настоящее время требуемой вместимости.

Тенденция развития идет в направлении больших централизованных ленточных библиотек с автоматической загрузкой кассет. Поэтому администраторы теперь не используют носители с маленькой емкостью локально на каждом отдельном сервере. Количество необходимых для работы накопителей непрерывно падает. Однако объем подлежащих хранению данных растет параллельно с сохраняемым на дисках. Рынку требуется меньше накопителей, но при этом они должны быть рассчитаны на длительное применение и обладать большей емкостью. Это видно и по техническим характеристикам. Для небольших индивидуальных накопителей производители указывают среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF) с учетом того, что период их активного использования составляет 20% от общего срока службы. В реальных условиях эксплуатации эта цифра может быть заметно ниже: нередко предприятия сохраняют необходимые данные только в ночное время или несколько часов в выходные дни. Однако ленточные библиотеки и используемые в них накопители, напротив, задействованы почти всегда — и днем, и ночью. Поэтому производители устанавливают значения показателя MTBF исходя из 100-процентной загрузки.

Последующая информация действительна для приложений среднего и старшего класса в открытом гетерогенном системном мире. В статье не рассматриваются продукты для мэйнфреймов и практически снятое с производства оборудование DDS.

ЛИНЕЙНЫЙ И НАКЛОННЫЙ СПОСОБЫ ЗАПИСИ

Запись информации на ленту производится двумя основными способами: линейно-серпантинным (далее для краткости линейным) и наклонно-строчным (далее наклонным). К первому методу относят DLT и Super-DLT (SDLT) от Quantum, а также Ultrium и Accellis от консорциума LTO. Наклонная запись используется в AIT и S-AIT от Sony, а также в Mammoth от Exabyte. Помимо этого, свои производные от DLT предлагают такие производители, как Benchmark и Tandberg. Accellis вместе с вариантом Ultrium был специфицирован группой LTO, куда входят такие компании, как Hewlett-Packard, IBM и Seagate. До сих пор, однако, никакой продукции для Accellis не производится, и планы ее выпуска не представлены ни одним производителем. Accellis в виде кассеты с двумя катушками в корпусе оптимизирована для обеспечения небольшого времени доступа. Но поскольку ленточная техника существенно медленнее дисковой, незначительное уменьшение времени доступа едва ли даст реальное преимущество. Вместительная емкость, выгодная цена и высочайшая надежность являются сегодня гораздо более важными критериями.

При линейном методе устройство записывает одну или несколько дорожек по всей длине ленты, потом записывающая головка смещается на ширину дорожки, и лента заполняется в обратном направлении (серпантинная запись). Для полного прочтения или записи этот процесс должен повториться около 50 раз. При наклонной записи устройство записывает короткие дорожки под углом к направлению движения ленты или, соответственно, к ее продольному направлению. Запись или чтение в этом случае выполняется за один проход.

Эти принципиальные различия играют существенную роль при оценке числа свободных от ошибок циклов перемотки ленты или ее срока службы. В устройствах с линейной записью лента движется мимо стационарной головки с очень высокой скоростью, что требует применения исключительной лентопротяжной автоматики и соответствующей комбинации материалов для минимизации ущерба от ее нагрева и износа. При наклонной записи применяется поставленный под углом вращающийся барабан, и лента перематывается гораздо медленнее. Современные барабаны оснащены аэродинамическими канавками, благодаря которым лента «парит» на очень тонкой воздушной подушке так, что ее касается только головка. Из-за наклонного положения барабана приходится использовать несколько больше направляющих роликов, чем при линейной записи. Кроме того, для этого способа записи разработаны специальные методы упорядочения дорожек, поэтому они располагаются гораздо плотнее, чем при параллельном размещении.

ШИРИНА ЛЕНТЫ

Для рассматриваемых ленточных технологий применяются два типа лент: 8 мм и полудюймовые — 12,65 мм, а также кассеты с одной или двумя катушками в корпусе. Если в корпус заключена только одна катушка, то под пленку отводится максимальный объем. Во время работы лента движется между этой катушкой и второй, зафиксированной в накопителе. Когда в корпусе размещены две катушки, на одну из них намотана лента, вторая же остается пустой. Пленка в этом случае движется между ними. Таким образом, подобные кассеты используют лишь половину объема корпуса. Восьмимиллиметровые ленты устанавливаются только в кассетах с двумя катушками и наклонной записью. Это справедливо также для всех четырехмиллиметровых вариантов DDS. Для полудюймовых лент применимы все варианты кассет (с одной и двумя катушками) и методы записи (линейная и наклонная). Кассеты с одной катушкой требуют наличия на накопителе механической автоматики для фиксации свободного конца ленты в локальной катушке (в случае двухкатушечных кассет этого не требуется). Комбинация крючков и петель однокатушечной кассеты всегда представляла проблему обеспечения точности и нагрузки с точки зрения механики. Все перечисленные факторы влияют на качество кассет различных модификаций.

СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ

Ленточные накопители принято оснащать сжимающей электроникой. Методы сжатия очень похожи. Обычно реализуется двукратное сжатие. При этом в документации часто указывается только удвоенное значение емкости. Однако фактическая степень сжатия в значительной мере зависит от типа данных и их первичной обработки. Так, файлы форматов zip, jpg или gif практически не сжимаются, так как уже сжаты. Поэтому лучше всего рассчитывать на реальную емкость носителя, как это обычно делается в случае с жесткими дисками. Производители лент в сопроводительной документации иногда указывают реальный объем с добавлением native («собственный»). Для сжатия применяются различные оптимизированные варианты алгоритма Лемпеля-Зива.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИНДЕКСЫ

Кассеты с лентами обычно снабжаются наклейками со штрих-кодом, поэтому каждая кассета имеет свой собственный идентификатор (серийный номер). Корпуса кассет для новых типов лент имеют встроенную электронно-перепрограммируемую постоянную память (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM) или флэш-память. Она полностью заменяет или дополняет штрих-код. Здесь содержатся данные о производителе, количестве использований в накопителе и, иногда, перечень содержимого кассеты. Последнее позволяет производить быстрый поиск необходимой информации на кассете без считывания содержимого непосредственно с ленты. Информацию из памяти можно прочитать с помощью электрических контактов, выведенных наружу корпуса, либо посредством беспроводной связи. Однако далеко не все программы хранения данных действительно предоставляют такую возможность.

ИСПРАВЛЕНИЕ ОШИБОК

При современной плотности записи ошибок не избежать. Поэтому все ленточные накопители применяют многоступенчатые методы коррекции ошибок. Как правило, устройства прочитывают данные уже при записи (Read While-Write, RWW) и записывают их снова в случае, если возникшую проблему нельзя решить с помощью встроенных алгоритмов исправления ошибок.

Обычная для жестких дисков кодировка для достижения максимального правдоподобия при частичной реакции (Partial Response, Maximal Likelihood, PRML) была приспособлена к использованию на лентах. Метод позволяет восстановить значение недостающих битов на основании известной позиции на правильном месте. Коды PRML достаточно ресурсоемки, однако очень эффективны (на уровне 90—97%). Кодирование с ограничением длины поля записи (Run-Length Limited, RLL) сокращает число идущих друг за другом одинаковых бит. Если в сравнительно длинном потоке данных не будет распознана смена сигнала, то битовая синхронизация может быть утеряна, и линия, по которой проходит сигнал, начнет электрически заряжаться с одной стороны. Поэтому последующая смена сигнала окажется слишком слабой для того, чтобы «перевести» значение бита в желаемое. Коды RLL достаточно просты, но их эффективность невысока (приблизительно 60—70%).

Магнитно-резистивная технология (Magnito-Resistive, MR) также давно применяется при производстве жестких дисков. Индуктивная головка записывает последовательность битов на дорожке, немного более узкая головка MR считывает их. Информация воспроизводится даже при небольших отклонениях читаемой дорожки. Головка MR не нуждается в наличии катушки: ей необходим только полупроводниковый элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от значения считываемых магнитных битов.

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОДУКЦИЯ

Реально достижимые характеристики, например скорость передачи данных, вовсе не обязательно можно вывести из технических данных: слишком много факторов приходится учитывать при различных применениях. Если рассматривать скорость передачи, то большое значение имеют, к примеру, величина блока в потоке данных, степень сжатия и версии операционной системы и программ безопасности. Поэтому один параметр еще ничего не говорит. В случае ленточного оборудования на первый план выходят долговечность и расширяемость в будущем.

Перечисленная ниже продукция является примером наиболее перспективных моделей. Ленточные накопители могут выпускаться с различными интерфейсами (SCSI, Fibre Channel), в отдельном корпусе или для монтажа в стойке, равно как и уже встроенными в корпуса автоматических загрузочных устройств или ленточных роботов. Роботы часто допускают использование разнообразных типов лент или ленточных накопителей. Кассеты отличаются и по объему имеющейся в них ленты. Дополнительно продаются кассеты для удаления пыли, встраиваемые механизмы для очистки или, соответственно, ленты с чистящей насадкой на одном конце.

ОБЗОР ПРОДУКТОВ

Вся информация о продуктах основана на сведениях, представленных производителями, и дается для несжатых данных (native) для наиболее производительного на сегодняшний день варианта. Характеристики продукции (см. Таблицу) довольно часто изменяются очень неожиданно. Следовательно, заинтересованное лицо всегда должно наводить справки о наиболее удачных моделях.

AIT. Семейство продуктов AIT от Sony использует наклонную запись на восьмимиллиметровую ленту в кассете с двумя катушками. Актуальными на сегодняшний день являются варианты AIT-1, AIT-2 и AIT-3. Первые два компания позиционирует в качестве замены для устаревших четырехмиллиметровых ленточных технологий собственного производства.

Индексная информация о пленке AIT-3 содержится на микросхеме емкостью 64 Кбайт (R-MIC) и может быть считана с выведенных наружу корпуса контактов или посредством радиосвязи. Запись производится при помощи решетчатого кодирования с частичной реакцией (Trellis Coded Partial Response, TCPR). В 2007 г. в модели шестого поколения планируется достичь емкость в 800 Гбайт при скорости передачи данных 96 Мбайт/с.

DLT. Вершиной DLT пока остается ленточный накопитель DLT-8000 с емкостью хранения 40 Гбайт. За все время было продано около 2,2 млн устройств и около 70 млн кассет. Таким образом, DLT можно назвать самой распространенной ленточной технологией в области открытых систем среднего уровня. Новые усовершенствованные лентопротяжные механизмы относятся к семейству SDLT (Super-DLT), о котором рассказано ниже.

Mammoth-2. В своем оборудовании Mammoth-2 компания Exabyte опирается на усовершенствованную восьмимиллиметровую технологию, разработанную ею же еще в 1987 г. В нем используются кассеты с двумя катушками и наклонной записью. На конце ленты каждой кассеты имеется участок с чистящим составом. Таким образом, электроника при перемотке кассеты подвергается чистке.

S-AIT. В противоположность AIT для ленточных накопителей S-AIT Sony использует полудюймовые кассеты с одной катушкой и наклонную запись. Первые партии продукции должны были появиться на рынке в конце 2002 г. Магнитный слой на ленте с улучшенным металлическим напылением (Advanced Metal Evaporation, АМЕ) состоит из чистого кобальта без связующих материалов (во избежание засорения головки) с твердым поверхностным напылением (алмазоподобный углерод); запись данных происходит при помощи TPCR. В будущем ожидается увеличение объема памяти до 4 Тбайт, а скорости передачи данных до 240 Мбайт/с.

SDLT. SDLT — значительное усовершенствование технологии DLT с серпантинной записью и однокатушечной кассетой. На данный момент наиболее показательна модель SDLT320 с лентой SuperDLT Tape 1. Материал, из которого изготовлена лента SuperDLT Tape 1, уже давно применяется в ленточных накопителях SDLT220. Направляющими для дорожек служат непрерывные оптические серводорожки, нанесенные на тыльную сторону ленты (см. Рисунок 1).

Вращающийся оптический сервопривод

  • Проверенная оптическая технология, поддерживающая плотность записи 20 тыс. дорожек на дюйм
  • Накопители SD2T 220 используют 896 TPI, чем достигается значительный рост на верхней стороне дорожки
  • Устранение ошибок в позиционировании
Рисунок 1. Процесс записи/считывания информации на лентах POS.

1 - Лазеры/оптика;

2 - Оптические направляющие дорожки;

3 - Магнитные дорожки с данными;

4 - Улучшенная магнитно-резистивная дорожка;

5 - Вращающийся оптический сервопривод

С отклонениями быстро и точно справляется рычажная механика в виде вращающегося оптического сервопривода (Pivoting Optical Servo, POS). Таким образом, вся лицевая сторона пленки предназначена для записи данных. Благодаря оптическому форматированию в процессе производства повторное форматирование при эксплуатации не нужно. В случае высоких требований к безопасности пользователь может удалить всю информацию с ленты в специально созданной для этого магнитной камере так, что ни одну магнитную серводорожку невозможно будет проследить.

SDLT320 совместим на операциях чтения с DLT4000, DLT7000, а также DLT8000, а на записи — с ленточными накопителями SDLT220. Благодаря PRML, эффективность кода этой группы продуктов достигает 97%. За чтение отвечают магнитно-резистивные головки. С выпуском каждого нового продукта предусматривается удвоение производительности; план расписан на четыре поколения до 2007 г. К этому времени SDLT2400 должен будет иметь емкость хранения 1,2 Тбайт, а также записывать и считывать данные со скоростью до 100 Мбайт/с.

Ultrium (LTO). Часто, когда речь идет об LTO, имеется в виду Ultrium. LTO — это объединение нескольких производителей, которое в 1997 г. специфицировало два формата: собственно Ultrium и еще один Accellis, для которого до сих пор не существует продукции или планов ее выпуска. Ultrium несовместим с более ранними форматами лент, однако в большинстве роботов уже установлены различные ленточные накопители, способные читать все известные типы лент. Продукты Ultrium появились на рынке в конце 2000 г. Серводорожки расположены в четырех областях, в каждой по 96 дорожек. Они записываются еще на заводе. Со временем емкость памяти планируется довести до 800 Гбайт с применением кода PRLM на тонкопленочной ленте (в четвертом поколении) со скоростью записи/чтения около 160 Мбайт/с.

O-Mass. Объявленная компанией Tandberg Data технология O-Mass предусматривает протяжку в стандартной кассете (LTO или DLT) широкой ленты между двумя валиками. Параллельная запись будет производиться 32 магнитными головками, а считывание с поверхности — оптическим способом. Поэтому в точном направлении дорожек необходимости нет. Короткая широкая лента очень легко позиционируется на желаемом блоке данных, ее не надо никуда «вдевать». Кассета подходит для стандартных роботизированных механизмов. Устройства первого поколения позволяют хранить до 600 Гбайт данных на одной кассете при скорости передачи до 64 Мбайт/с.

По заявлению Tandberg, технологию можно усовершенствовать и добиться емкости приблизительно в 10 Тбайт на кассете при скорости передачи данных 1 Гбайт/с. Первая продукция должна появиться в конце 2003 г.

VS. В то время пока Quantum занималась совершенствованием SDLT, недавно образованная компания Benchmark купила лицензию на простейшие варианты DLT. Но, создавая компактные ленточные накопители, она выбрала собственный путь. Производитель хотел воспользоваться тем, что оборудование с четырехмиллиметровыми лентами снимается с производства. Недавно был представлен лентопротяжный механизм VS160. Существенную роль в повышении емкости играет особый ленточный материал от Sony. Компания обещает к 2004 г. выпустить продукт с емкостью хранения 160 Гбайт и скоростью передачи данных 16 Мбайт/с.

Герман Штрасс — независимый автор.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями