Лекция 12.
Накопители на магнитной ленте
Традиционно системы хранения можно разделить на следующие три класса.
1. Быстрые системы с произвольным доступом. Это жесткие диски и RAID системы. Имеют небольшое время доступа и самую высокую удельную стоимость хранения.
2. 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.
3. Системы с произвольным доступом, которые по емкости, стоимости, скорости занимают промежуточное положение. Это системы, построенные на базе магнитооптики, DVD и CD (R, RW) технологий. В настоящее время используются для организации небольших архивов и промежуточного хранения, в системах иерархического хранения данных.
В данной лекции пойдет речь технологиях и системах хранения данных на магнитных лентах. Традиционно магнитные ленты были и остаются наименее дорогим и достаточно надежным носителем информации для организации архивов и резервного копирования данных.
Эволюция устройств записи данных на магнитную ленту протекала примерно так же, как и эволюция других накопителей информации. Сначала использовались катушечные накопители, аналогичные бытовым катушечным магнитофонам. Каждая фирма-производитель применяла свою систему кодирования данных и устанавливала стандарты записи информации на магнитную ленту. Разными были не только количество дорожек и плотность записи на магнитную ленту, но и интерфейсы накопителей. Начиная с 1970-х годов некоторые фирмы – производители стали предпринимать усилия по созданию единого стандарта накопителей на магнитной ленте. С этого времени наступил новый этап в истории развития накопителей на магнитной ленте.
Итак, первые накопители на магнитной ленте (НМЛ) представляли собой бобину с намотанной на них магнитной ленте. Им на смену пришли накопители на кассетной магнитной ленте (НКМТ).
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 отечественных 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.
Лентопротяжные механизмы для кассет носят название стримеров - это инерционные механизмы, требующие после каждой остановки ленты ее небольшой перемотки назад (перепозиционирование). Такое перепозиционирование увеличивает и без того большое время доступа к информации на ленте.
В 1952 г. фирма IBM выпустила НМЛ - Model 726 емкостью всего в 1,4 Мбайт. А уже в 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см (формат DC для магнитной ленты шириной 1/4"), предназначенную
для хранения данных. Внутри кассеты находились две катушки, на которые с помощью лентопротяжного механизма наматывалась лента в процессе чтения/записи. Благодаря надежности этой кассеты интерес к магнитной ленте стал резко возрастать. Однако серьезным препятствием для распространения накопителей на магнитной ленте явилось отсутствие единого стандарта на способы записи данных.
В 1983 г. под руководством координирующей организации Quarter-Inch Cartridge Drive Standards Inc - QIC (которую назвали «четвертьдюймовым комитетом») был выпущен первый стандартный QIC-накопитель на магнитной ленте, емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на 9 дорожках, а магнитная лента имела длину около 90 м.
В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, составляют 8,25 х 6,35 х 1,5 см.
Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа, а запись данных осуществляется с использованием кодирования по методу MFM или RLL.
Наибольшее распространение получили накопители на магнитной ленте QIC-40 и QIC-80 формата МС. Запись информации на кассету QIC-40 производится на 20 дорожек, плотность записи данных составляетбит/дюйм. Магнитное покрытие ленты обладает коэрцитивной силой 550 Э. Длина ленты в кассете равна 100 м. Причиной успеха этих накопителей стало то, что удельная стоимость хранения данных на ленте (в пересчете на 1 Мбайт) значительно ниже, чем при использовании накопителей на гибких магнитных дисках, и, кроме того, ленточные накопители просты в использовании и надежны. К недостаткам накопителей на кассетах QIC-40 и QIC-80 относится их низкое быстродействие, так как они подключаются к интерфейсу, предназначенному для накопителей на гибких дисках. Запись данных при этом производится со скоростью Кбит/с. Форматирование кассеты перед записью данных также требует много времени, например, для форматирования кассеты емкостью 60 Мбайт стандарта OIC-40 необходимо около полутора часов.
Развитие технологии изготовления накопителей на магнитной ленте пошло по пути увеличения емкости кассет и повышения плотности записи данных. Комитетом QIC были разработаны стандарты систем резервного копирования с емкостью кассет от 86 Мбайт до 13 Гбайт.
Стандарты записи данных на магнитные ленты
Фирмой Sony освоен выпуск устройств, в которых используются магнитные ленты шириной 4 мм для цифровой звукозаписи DAT (Digital Audio Tape) и ленты шириной 8 мм для видеозаписи. На основе магнитных лент DAT фирма Sony создано два формата записи данных: DDS и DataDAT.
Существуют три типа формата DDS: DDS-1, -2 и -3. Стандарт DDS (Digital Data Storage) разработан как стандарт для хранения данных в цифровом виде (рис. 1). При записи данных на магнитную ленту используется наклонно-строчная технология. Эта технология давно используется в видеомагнитофонах и заключается в том, что магнитная лента проходит через блок головок, установленных на вращающемся барабане, причем ось вращения барабана наклонена под небольшим (около 7°) углом к направлению движения ленты (рис. 2). Во время движения лента охватывает вращающийся блок головок, в результате записывается столько наклонных дорожек, сколько магнитных головок в блоке. При таком способе записи используется практически вся поверхность ленты (в отличие от других методов, при использовании которых дорожки оказываются разделенными промежутками).
Рис. 1. Внешний вид кассеты стандарта DDS
Рис. 2. Принцип наклонно-строчной записи: 1 - наклонная дорожка записи на ленте, 2 и 3 - верхняя и нижняя половины барабана, 4 - вращающийся диск с магнитными головками, 5 – головка.
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.
В середине 1990-х годов появилась новая технология, позволяющая обеспечить более высокую емкость, скорость передачи данных и надежность резервного копирования - технология DLT (Digital Linear Таре), которая считается одной из самых популярных. Накопители DLT могут хранитьГбайт данных и обеспечивают скорость передачи данных 1,5-3,0 Мбайт/с.
В накопителях стандарта DLT во время чтения/записи магнитная лента, разделенная на параллельные горизонтальные дорожки, проходит через неподвижную магниторезистивную головку со скоростью 2,5 - 3,7 м/с. Этим повышается надежность работы головки и обеспечивается малый износ магнитного слоя ленты. Расчетный срок службы ленты соответствует перемоток. 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.
Рис. 3. Накопитель на технологии DLT.
Совершенно новый стандарт кассет, основанный на стандарте QIC, разработала фирма ЗМ. Этот стандарт получил название TRAVAN. Они могут работать как с оригинальными мини-кассетами стандарта TRAVAN, так и с кассетами стандарта QIC. Кассета (или картридж) TRAVAN содержит 225-
метровую магнитную ленту шириной 8 мм. При производстве кассет TRAVAN применяются запатентованные технологии. Технология Black Watch уменьшает проскальзывание ленты за счет однородного специального покрытия, накопления статического электричества и препятствует осаждению пыли. Технология Blash Gard («стенка внутри стенки») - устраняет мельчайшие технологические отходы в кассете, возникающие при ее сборке, и, тем самым, предохраняет ленту от механических повреждений. На сегодняшний день имеется четыре типа кассет и накопителей TRAVAN (TR-1, -2, -3, -4). Емкости мини-кассет TRAVAN (в соответствии с типом 1, 2, 3 или 4) составляют 400, 800, 1000 и 4000 Мбайт соответственно (рис. 4).
Американская компания ADIC заявила о выпуске накопителей для резервного копирования данных на магнитных лентах стандарта DLT и объемом от 11 до 55 Гбайт. Гарантийный срок хранения информации — 30 лет. Для обеспечения гарантированного хранения особо важных данных фирмой Tandberg Data в оригинальных накопителях применяется новая магнитная головка и технология записи MLR— RWR (Multi-channel Linear Recording — Read While Write), заключающаяся в том, что одновременно с записью информации по нескольким каналам производится ее считывание и сравнение с исходной, а в случае необходимости - коррекция.
Рис. 4. Конструкция кассеты TRAVAN
Приводы магнитных лент SLR производятся Tandberg Data ASA и имеют следующие особенности.
1. Используется лента шириной четверть дюйма. Полностью закрытый картридж с массивным металлическим основанием имеет двухкатушечную конструкцию (приемный и подающий барабаны находятся 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.
2. Многоканальная головка закреплена не жестко, а подвешена при помощи магнитной катушки наподобие диффузора громкоговорителя. На ленте при изготовлении нанесены специальные синхро-дорожки, которые всегда считываются при движении ленты (как при чтении, так и при записи), а сервосистема на основе считанного синхросигнала постоянно корректирует положение магнитной головки по высоте. Кроме того, головка чтения-записи имеет дополнительный рабочий зазор, который позволяет считывать только что сделанную запись. Применительно к аналоговой записи это называют сквозным каналом записи - воспроизведения. Использование такой сервосистемы позволяет существенно увеличить количество дорожек на ленте, не прибегая ни к каким другим приемам. Приводы SLR имеют несколько меньшую стоимость, чем DLT и младшие модели могут быть использованы в системах начального уровня, где традиционно господствуют устройства DDS.
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.
1. 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.
2.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 емкость порядка 800 GB.
Рис. 5. Ленточный накопитель стандарта Ultrium.
В настоящее время на рынке представлено 2 основных класса устройств, где реализована технология наклонно-строчной записи. Это устройства, использующие картриджи с лентой шириной 4 мм и устройства, работающие с лентой 8мм. Есть еще класс устройств на базе механизма Betacam фирмы Sony (дальнейшее развитие формата Betamax, также предложенного фирмой Sony) и использующие кассеты типа Betacam. Это библиотеки для хранения видеоархивов, емкость которых измеряется десятками терабайт.
4-х миллиметровые устройства
Это технология DAT предложенная в свое время фирмой Sony для цифровой записи звука. Приводы магнитных 4-мм лент подразделяются на поколения: DDS-1, DDS-2, DDS-4 и DDS-4. Основной поставщик 4-мм устройств - это фирма Sony.
8-и миллиметровые устройства
Технология аналоговой наклонно-строчной, а впоследствии и цифровой записи на магнитную ленту шириной 8 мм была предложена в 80-х годах, опять же, фирмой Sony. Однако, впервые эта технология была адаптирована и оптимизирована для записи цифровых данных фирмой Exabyte. На рынке представлены 8-мм устройства Exabyte (Eliant, Mammoth, Mammoth-2), Ecrix (VXA) и Sony (AIT, AIT-2). Технические данные всех упомянутых устройств указаны в сводной таблице. Упомянутые 8-мм устройства имеют достаточно много общих черт, но есть и некоторые отличия.
Теперь, собственно сравнение существующих технологий. Разнообразие представленных на рынке устройств говорит о том, что идеального привода, подходящего для всех случаев, в природе не существует. Для оценки различных технологий используются определенные критерии. Это линейная плотность записи, эффективность формата, плотность расположения дорожек. Линейная плотность записи - количество информации, записываемой на единице длины магнитной дорожки, измеряется Кб/дюйм
Привод магнитных лент | Линейная плотность записи |
DLT7000 | 86 |
Super DLT 1* | 133 |
TR-5 | 106 |
Mammoth | 78 |
DDS-3 | 122 |
Максимальную линейную плотность записи имеют устройства Super DLT, DDS и Travan. У DLT и Mammoth есть некоторый запас для дальнейшего развития.
Плотность расположения дорожек была рассмотрена несколько ранее. Самая высокая и практически предельная для нынешних носителей и магнитных головок плотность расположения дорожек у устройств DDS. Для устройств с линейной записью есть некоторый запас для дальнейшего увеличения емкости.
Видно, что каждая технология имеет свои достоинства и недостатки. К достоинствам DLT технологии, безусловно, можно отнести огромный парк работающих устройств и библиотек, а также совместимость между разными моделями DLT. Это делает возможным свободный обмен носителями между многими пользователями. Но, с другой стороны, необходимость поддерживать совместимость с более ранними моделями сдерживает развитие формата DLT в сторону увеличения емкости и скорости.
Наклонно-строчная запись появилась позже, чем линейная. Поэтому с самого начала в основе были заложены более прогрессивные технологические решения. В результате те же объемы записываются на гораздо меньшей площади поверхности ленты. Преимущества устройств, построенных на базе наклонно-строчной записи в том, что сами устройства компактнее, картриджи меньше, используется более совершенная магнитная лента, позволяющая хранить больше данных более длительное время.
Подводя итог, можно сказать следующее. Технология DDS (4мм) хороша там, где не требуется высоких скоростей, и не предполагается интенсивное (длительное непрерывное) использование устройства. Привод DDS очень компактен, занимает мало места и без проблем встраивается в любой компьютер. С точки зрения цены стоимость приводов DDS минимальна. Технология DLT и SLR рассчитана на тяжелые условия работы (длительное, практически круглосуточное использование). Устройства SLR имеют высокую скорость и емкость, высокую надежность, а невысокая стоимость позволяет использование в традиционно занимаемых DDS рыночных нишах. Учитывая гораздо лучшую (чем у DDS) переносимость носителей младшие устройства SLR могут быть использованы вместо DDS, а старшие - могут стать разумной альтернативой технологиям Mammoth и DLT, так как практически не уступают по техническим данным, а цена на них несколько ниже. Технология DLT обладает высокой емкостью, скоростью, используется в системах среднего уровня как в автоматизированных библиотеках, так и в виде автономных устройств. Если уже есть парк катриджей и важна переносимость носителей - DLT будет лучшим выбором. Устройства DLT1 совместимы по чтению только с DLT4000, но цена соизмерима со старшими DDS, а емкость - соответствует DLT8000. SDLT, поставки которых начались с апреля 2001 года, в нынешнем своем виде не обладают совместимостью с DLT7000, 8000 и др., что практически ставит их в один ряд с LTO Ultrium. Преимущества SDLT перед Ultium незначительные: несколько больше емкость и чуть-чуть меньше цена.
По спецификациям скорость LTO Ultrium несколько больше, но опыта работы этих устройств в реальных условиях пока недостаточно, чтобы сделать вывод о их преимуществах или недостатках.
8-мм устройства (AIT, а особенно Mammoth) обладают наивысшей скоростью и емкостью (исключая Super DLT и Ultrium, реального опыта работы которых пока еще слишком мало). Если важна скорость, нет "наследственного" парка картриджей и непринципиальна переносимость носителей (с AIT на Mammoth, например) - оптимальным решением будет AIT -2 или Mammoth-2. Эти два устройства не сильно различаются по характеристикам, а стоимость AIT несколько меньше.
Сравнительные тесты работы устройств Mammoth-2, AIT-2, DLT в реальных условиях с разными прикладными программами под разными операционными системами проводились не раз и неизменно лучшие результаты показывал привод Mammoth-2. Технологии AIT-2 и Mammoth-2 обеспечивает несколько меньшую, чем DLT или LTO удельную стоимость хранения данных. Кроме того, Mammoth-2 от Exabyte - единственный на рынке привод магнитных лент, который может иметь интерфейс Fibre Channel (оптический или "медный", в зависимости от установленного модуля GBIC). Это особенно важно при построении сетей хранения данных (SAN), где используется, в основном, интерфейс FC. В данном случае привод Mammoth-2 подключается к коммутатору или концентратору FC напрямую, без использования не прибавляющих надежности и производительности "мостов" FC - SCSI. Поставки этих приводов уже начались.
И в заключении - сводная таблица технических характеристик различных приводов магнитных лент
Модель | Емкоcть | Cкорость | Буфер Мб | надежность MTBF | ||
нормаль- ная | со сжатием | нормаль- ная | со сжатием | |||
Наклонно-строчная запись | ||||||
SONY | ||||||
DDS-2 (4mm) | 4GB | 8GB | 0.78 MB/s | 1.56 MB/s | 1MB | 200000 h |
DDS-3 (4mm) | 12GB | 24GB | 1.2 MB/s | 2.4 MB/s | 2 MB | 200000 h |
DDS-4 (4mm) | 20 GB | 40 GB | 2.4 MB/s | 4.8 MB/s | 8 MB | 250000 h |
AIT-1 (8mm) | 35 GB | 70 GB | 3 MB/s | 6 MB/s | 4 MB | 300000 h |
AIT-2 (8mm) | 50 GB | 100 GB | 6 MB/s | 12 MB/s | 10 MB | 300000 h |
AIT 130 (AIT-2) | 50 GB | 130GB | 6 MB/s | 15.6 MB/s | 10 MB | 300000 h |
Ecrix | ||||||
VXA-1 (8mm) | 33 GB | 66 GB | 3 MB/s | 6 MB/s | 4 MB | 300000 h |
Exabyte | ||||||
Eliant 820 (8mm) | 7 GB | 14 GB | 1 MB/s | 2 MB/s | 1 MB | 200000 h |
Mammoth (8mm) | 20 GB | 40 GB | 3 MB/s | 6 MB/s | 4 MB | 250000 h |
Mammoth LT (8mm) | 14 GB | 28 GB | 2 MB/s | 4 MB/s | 4 MB | 250000 h |
Mammoth-2 (8mm) | 60 GB | 150 GB | 12 MB/s | 30 MB/s | 32 MB | 300000 h |
Линейная запись | ||||||
Quantum/ Tandberg | ||||||
DLT4000 | 20 GB | 40 GB | 1.5 MB/s | 3 MB/s | 2 MB | 200000 h |
DLT7000 | 35 GB | 70 GB | 5 MB/s | 10 MB/s | 8 MB | 200000 h |
DLT8000 | 40 GB | 80 GB | 6 MB/s | 12 MB/s | 8 MB | 250000 h |
Super DLT | 110 GB | 220 GB | 11 MB/s | 22 MB/s | Нет даных | 250000 h |
IBM | ||||||
LTO Ultrium | 100 GB | 200 GB | 15 MB/s | 30 MB/s | Нет данных | Нет данных |
HP | ||||||
Ultrium 215 | 100 GB | 200 GB | 7.5 MB/s | 15 MB/s | Нет данных | Нет данных |
Ultrium 230 | 100 GB | 200 GB | 15 MB/s | 30 MB/s | Нет данных | Нет данных |
Tandberg | ||||||
DLT1 | 40GB | 80 GB | 3 MB/s | 6 MB/s | нет данных | 200000 h |
SLR40 (QIC) | 20 GB | 40 GB | 3 MB/s | 6 MB/s | 8 MB | 300000 h |
SLR50 (QIC) | 25 GB | 50 GB | 2 MB/s | 4 MB/s | 2 MB | 300000 h |
SLR60 (QIC) | 30 GB | 60 GB | 4 MB/s | 8 MB/s | 8 MB | 300000 h |
SLR100 (QIC) | 50 GB | 100 GB | 5 MB/s | 10 MB/s | 8 MB | 300000 h |
Fujitsu (8" ) | ||||||
M2/36 track) | 1.2 GB | 2.4 GB | 3 MB/s | 2 MB | 50000 h | |
M8tracks) | 10 GB | 13 MB/s | 16 MB | 100000 h |
Наконец, следует отметить, что в мае 2002 г. фирма IBM анонсировала картриджи емкостью уже 1 Тбайт.
