Технологии магнитной записи
Беспрецедентный информационный рост продолжается: в 2006 г. объем созданной и скопированной цифровой информации достиг 161 экзабайт. Это приблизительно в 3 млн раз больше объема информации, содержащейся во всех когда-либо написанных книгах. Если созданную человечеством за год информацию перевести в формат книг, то получится 12 стопок, каждая из которых по высоте превышает расстояние от Земли до Солнца (150 млн км). По данным IDC, объем информации, созданной в течение 2010 г., возрастет более чем в шесть раз и составит 988 экзабайт при общем ежегодном росте 57%. Аналитики IDC говорят о невероятных темпах роста общего объема информации различных типов, создаваемой в различных источниках, — по сути, речь идет о всемирном информационном взрыве. Во многом это связано с переходом информации из аналоговой, конечной, формы в цифровую. С технической точки зрения организациям придется использовать все более сложные технологии для передачи, хранения, обеспечения безопасности и копирования той информации, которая создается каждый день. Немаловажно также, что более 95% цифровой среды состоит из неструктурированных данных, а в организациях неструктурированные данные составляют свыше 80% всей информации.
Эксперты не без оснований полагают, что постоянно растущая масса информации подвергает существующие ИТ-инфраструктуры значительной нагрузке. В ближайшее время этот бурный рост полностью изменит работу организаций и специалистов в сфере ИТ и использование информации потребителями. Учитывая, что за безопасность 85% созданной и скопированной информации будут отвечать организации и компании, необходимо активизировать создание и совершенствование информационных инфраструктур, которые помогут справиться с потоком информации. Заметим, что сегодня только на 20% цифровой среды существуют правила и стандарты и примерно для 30% можно ввести требования безопасности. По оценкам IDC, менее 10% информации в организациях сегодня оценивается как конфиденциальная или классифицируется в зависимости от ее ценности. Прогнозируемый рост объема конфиденциальной информации составит более 50% ежегодно.
На период до 2011 г. аналитики прогнозируют небольшой рост продаж в секторе автоматических систем ленточного хранения. Дело в том, что заказчики помещают на хранение все больше данных, что связано с усложнением задач управления предприятием и необходимостью соблюдения нормативных требований. Рост плотности данных и увеличение емкости картриджа позволяет размещать больше данных в хранилище меньших размеров, укрепляя позиции магнитной ленты в качестве самого экономичного средства хранения. Как известно, магнитную ленту обычно применяют для хранения больших объемов ответственных данных, которые используются достаточно редко или не требуют времени доступа на уровне долей секунды. К ним относятся информационные архивы, резервные файлы, копии для восстановления в аварийных ситуациях и архивные данные, хранимые в соответствии с требованиями нормативных актов. Стоит отметить, что ленточные библиотеки высшего класса способны хранить петабайты (миллионы гигабайт) информации, а стоимость хранения информации у них в 5—10 раз меньше, чем в современных системах на основе жестких дисков. Более того, ленточный картридж не потребляет энергии до момента доступа к нему (в отличие от непрерывно вращающихся дисков, для поддержания которых в рабочем состоянии необходимо к ним периодически обращаться), что составляет еще одну статью потенциальной экономии.
Магнитная лента
В настоящее время магнитные ленты формируют основу стратегии хранения информации, используемой в профессиональных целях. Без этих лент большие компьютерные центры финансовых и страховых компаний, научно-исследовательских организаций, метеорологических и геофизических центров, авиакомпаний и туроператоров, а также правительственных и общественных институтов не смогут управлять огромными объемами информации, хранить их и архивировать и быстро извлекать нужную информацию в случае необходимости. Всего несколько лет назад архив на магнитной ленте в несколько гигабайт рассматривался как большой, и многие люди не могли представить себе объем информации больше мегабайта, а через несколько лет гигабайт стал основной единицей измерения объема информации. Сегодня терабайты (1000 Гбайт) и петабайты (1 000 000 Гбайт) — это повседневные термины, используемые, когда речь идет об архивах данных.
В декабре 1952 г. корпорация IBM (http://www.ibm.com) выпустила совершенно новое поколение офисных устройств — приводы на магнитной ленте. В новых устройствах с цифровым хранением информации на носителе, который ранее применялся только для записи аудиосигналов, использовалась первая коммерческая компьютерная лента, разработанная компанией 3М, известной во всем мире как производитель лент для аудиокассет (теперь этот бизнес частично принадлежит корпорации Imation).
Цель 3М заключалась в разработке магнитной ленты с плотностью записи около 100 бит на дюйм (bpi), что в то время казалось совершенно недостижимым. Бобина компьютерной ленты длиной несколько сотен футов должна была обеспечивать хранение до 2 Мбайт информации, а устройства для чтения и записи на такую ленту были очень громоздкими. Ролики с лентой вращались медленно, и магнитная лента протягивалась через длинные вертикальные оси, предназначенные для защиты от повреждений, вызванных избыточным натяжением. В 1957 г. в качестве нового материала для записи информации 3M представила подложку, выполненную из тонкой полиэфирной пленки, предварительно вытянутой. Кроме того, компания разработала чрезвычайно тонкий слой пластика, который помещался поверх реального магнитного покрытия. Этот полимерный слой обеспечивал гладкость поверхности, которая защищала чувствительные головки записи/чтения и делала ее менее подверженной воздействию влажности — что составляло одну из главных проблем для предыдущих магнитных покрытий. После модернизации на магнитных лентах можно было сохранять до нескольких сотен мегабайт данных с плотностью хранения до 1600 bpi.
Конструкции магнитной ленты, бобины которой заключены в корпуса, получили название картриджей. Такая конструкция уменьшала чувствительность ленты к условиям окружающей среды и механическим воздействиям, а также сделала этот носитель информации более подходящим для использования в автоматическом режиме, облегчая поиск и управление информацией. Картриджи теперь можно было группировать в библиотеки, где каждая магнитная лента автоматически извлекалась из отсека хранения и устанавливалась в привод с помощью робота или механической системы управления.
Эволюция ленточных устройств IBMКорпорация IBM на протяжении многих лет создает инновационные технологии для ленточных систем хранения. Первый коммерческий продукт IBM в этом классе — устройство ленточного хранения 726 Magnetic Tape Unit — был представлен полвека назад. В этом устройстве использовались бобины с магнитной лентой шириной полдюйма, каждая из которых имела емкость около 2 Мбайт. В 2002 году IBM продемонстрировала картридж емкостью 1 Тбайт, т. е. в 500 раз больше, чем у первого устройства. |
Магнитные покрытия непрерывно совершенствуются. Ранее в качестве покрытий использовались оксиды железа, ферроксиды, бариевые ферриты, диоксиды хрома и прочие материалы такого рода, а сейчас наиболее распространено металлизированное покрытие (МР).
Если первые магнитные ленты содержали от 7 до 9 дорожек, то у современных лент в картриджах плотность записи достигает 488 дорожек на дюйм. Плотность битов увеличилась до 150 тыс. бит на дюйм — в 1500 раз больше, чем у первых компьютерных лент. Эти разработки сказались и на объемах сохраняемой информации: если в начале 1950-х гг. он составлял всего 1,4 Мбайт на одной ленте, то в последние годы этот показатель достиг нескольких сотен гигабайт.
В исследовательском центре Almaden компании IBM в Сан-Хосе (шт. Калифорния) смогли записать данные на опытный образец ленты с плотностью 6,67 млрд бит на кв. дюйм — это более чем в 15 раз превосходит характеристики самых популярных сегодня стандартных устройств хранения на магнитной ленте. Сотрудники центра разработали несколько новых технологий записи данных и в сотрудничестве со специалистами компании Fuji Photo Film создали магнитную ленту с двойным покрытием, обеспечивающим хранение данных с высокой плотностью. Это следующее поколение ленты Nanocubic, в котором используется новый барий-ферритовый магнитный слой, обеспечивающий высокую плотность записи данных без дорогостоящих методов напыления металлического покрытия.
Таким образом, исследователи продемонстрировали, что магнитная лента способна и далее сохранять преимущество по экономической эффективности относительно других технологий хранения данных. Когда новые технологии и носители найдут применение в коммерческих продуктах (ожидается, что это произойдет в ближайшие пять лет), картридж Linear Tape Open (LTO) стандартных габаритов будет вмещать до 8 Тбайт информации без сжатия. Это в 20 раз превышает емкость сегодняшних картриджей LTO третьего поколения, физические размеры которых примерно в два раза меньше, чем у видеокассеты формата VHS. В таком объеме хранилища может уместиться текст, для публикации которого потребовалось бы 8 млн книг, а для их размещения в библиотеке нужны книжные полки общей длиной свыше 90 км. В ходе проведенной специалистами IBM демонстрации на один картридж форм-фактора 3592 было помещено 2002 блока данных размером 1 Тбайт, при этом плотность записи составила 1 млрд бит на кв. дюйм.
В течение двух последних лет исследователи центра Almaden тесно сотрудничали с инженерами компании Fuji Photo Film с целью создания новой магнитной ленты с двухсторонним покрытием, поддерживающей высокую плотность записи информации. Кроме того, сотрудники центра создали технологии, радикально улучшающие возможности головок чтения/записи, и методы позиционирования головок и перемещения ленты, поддерживающие информационные дорожки с шириной в десять раз меньшей, чем у существующих продуктов. Впервые в истории устройств на основе магнитной ленты для головок чтения/записи применялись высокочувствительные материалы и структуры на базе технологии GMR, до того использовавшейся для регистрации очень слабых магнитных полей в жестких дисках. Новые сервоэлементы чтения на основе технологии GMR, новое ПО и механизмы позиционирования обеспечивают беспрецедентную точность (0,35 мкм) активной обратной связи при мониторинге и позиционировании головки чтения/записи на дорожке данных шириной 1,5 мкм. Кроме того, бесфланцевые рифленые ролики обеспечивают плавное перемещение ленты с высокой скоростью, что также улучшает возможности головки при записи и чтении данных с высокой плотностью.
Ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе разработали новый метод кодирования, который повышает точность распознавания информации в слабых магнитных полях. Благодаря этому в усовершенствованном канале чтения данных используется новое ПО NPML, которое существенно повышает скорость и точность обработки считанных данных по сравнению с существующими методами.
Линейная и наклонно-строчная запись
Технологии, используемые при создании ленточных накопителей, зависят от нескольких обстоятельств. Дело в том, что создателям новых устройств приходится решать целый ряд специфических конструкторских проблем. В частности, им нужно выбрать оптимальную ширину ленты и метод размещения записи на ленте, обеспечить максимальную скорость движения и минимальное число перегибов при перематывании, найти способ снизить трение ленты с головками чтения/записи (от этого зависят ключевые параметры — долговечность головки и срок жизни кассеты) и т. д. Другой комплекс проблем связан с выбором способа записи на ленту и определением метода считывания информации, в том числе и компрессии данных. Но самое главное — найти оптимальное сочетание, обеспечивающее наиболее быстрый доступ к данным, высокую пропускную способность канала передачи и надежность хранения. В поисках оптимального решения многие из фирм-производителей разрабатывают собственные системы. Разнообразию решений на рынке способствует и то, что магнитные ленты как таковые перестали быть средством для обмена данными.
Тем не менее, несмотря на конструктивные различия, во всех ленточных устройствах используются всего два базовых метода записи: линейная магнитная запись (DLT/SDLT, SLR, LTO) и наклонно-строчная магнитная запись (DAT/DDS, AIT, S-AIT, VXA). Линейная технология подразумевает движение магнитной ленты вдоль неподвижных записывающей и считывающей головок (часто говорят о так называемой серпантинной записи). Отличие этого метода от классического линейного состоит в том, что операции чтения/записи выполняются как при прямом, так и при обратном движении ленты. Таким образом, информация записывается дорожками, расположенными вдоль магнитной ленты. При записи/чтении лента движется в обоих направлениях вдоль неподвижной головки; 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. Изначально эта технология применялась для аналоговой записи звука на магнитную ленту.
К недостаткам линейной записи следует отнести относительно низкую плотность записи информации, а также непосредственную зависимость скорости записи/чтения от скорости движения магнитной ленты. К несомненным достоинствам — возможность создания простого и надежного лентопротяжного механизма, незначительный износ магнитной ленты, высокую надежность хранения записанных данных.
Наклонно-строчная технология изначально разрабатывалась для записи видеосигнала на магнитную ленту. В системах с наклонно-строчной записью (ее часто называют еще спиральной — helical scan) несколько считывающих/записывающих головок размещают на вращающемся барабане, установленном под углом к вертикальной оси. Лента при записи/чтении движется в одном направлении. Так как абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и остановки занимают меньше времени и создают меньше механической нагрузки на ленту. Следовательно, можно использовать более тонкие ленты (например, с напыленным металлическим покрытием типа AME). Помимо этого при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек (измеряемая числом дорожек на 1 дюйм) в несколько раз выше, чем при линейной. Это обеспечивается за счет специального механизма подстройки положения вращающегося барабана с магнитными головками и использования более совершенных носителей, а также за счет того, что длина одной магнитной дорожки невелика. Очевидные недостатки метода — очень сложная (а следовательно, ненадежная) конструкция лентопротяжного механизма и обычно сильный износ магнитной ленты при эксплуатации (следовательно, быстрый выход ее из строя).
Технология SLR
Метод масштабируемой линейной записи, SLR (Scalable Linear Recording) — собственная разработка компании Tandberg Data (http://www.tandbergdata.com). Он предназначался специально для применений в сфере ИТ. Картридж особой конструкции включает в себя подающую и приемную бобины с магнитной лентой, прижимной ролик и приводной ремень, что позволило создать простой и мало подверженный износу, а в конечном счете очень надежный лентопротяжный механизм (замена картриджа означает замену 80% подверженных износу частей механизма). Магнитная лента во всех режимах работы механизма находится внутри картриджа, что гарантирует быстрое извлечение последнего (в том числе аварийное), а также хорошую приспособленность для роботизированных систем. Постоянное оптимальное натяжение магнитной ленты в картридже, обеспечиваемое встроенным приводным ремнем, гарантирует наилучшие условия для длительного хранения магнитной ленты с записанной информацией. Алюминиевое основание картриджа придает ему высокую механическую прочность и поддерживает эффективное рассеивание тепла, что позволяет эксплуатировать устройства стандарта SLR в тяжелых условиях.
На ленту нанесены специальные синхродорожки, которые считываются при движении ленты, а сервосистема на основе считанного синхросигнала корректирует положение магнитной головки по высоте. Наличие сервосистемы позволяет увеличить количество дорожек на ленте, не прибегая к другим техническим приемам. Головка чтения/записи имеет дополнительный рабочий зазор, позволяющий считывать только что сделанную запись. В устройствах применяется лента шириной четверть дюйма.
Линейка накопителей SLR представлена на рынке несколькими поколениями устройств: SLR7, SLR75, SLR100, SLR140. Максимальная емкость устройства составляет 140 Гбайт при скорости передачи данных до 12 Мбайт/с. Использование в Tandberg SLR140 современных технологий, таких, как Auto Sense (оптимизация скорости движения магнитной ленты), TapeAlert (контроль процесса записи/считывания информации), аппаратная компрессия данных в реальном времени и других, значительно увеличивает производительность устройств.
[Фото]Устройство SLR140 от компании Tandberg Data.
Накопители выпускаются во внешнем и внутреннем исполнениях. Комплект поставки Server Solution обычно бывает дополнен ПО BrightStor ARCserve (полная версия для Windows и NetWare). Кроме того, все стримеры SLR могут поставляться как OEM-оборудование (bare drive — только накопитель) с черной или серой лицевой панелями. Существует также специальный комплект поставки для стримеров, предназначенных для установки в серверы IBM.
Технология DLT
В 1995 г. была анонсирована система резервного копирования, сменным носителем в которой служил небольшой картридж, где размещалась только одна катушка с лентой. Роль приемной катушки исполнял механизм самого привода. Это позволило сэкономить место в картридже и значительно увеличить длину ленты. Устройство получило название ТК50, на одном его носителе могло храниться 94 Мбайт информации. В 1989 г. инженеры компании Digital Equipment создали накопитель TF85, который и стал прародителем стандарта DLT (Digital Linear Type). Данное устройство, впоследствии названное DLT260, обеспечивало запись 2,6 Гбайт на ленте длиной 1200 футов в картридже CompactTape III (ныне известном как DLTtape III). В 1994 г. права на эту технологию были приобретены корпорацией Quantum (http://www.quantum.com).
Отметим, что по ширине полудюймовая лента на 60% больше, чем восьмимиллиметровая, следовательно, при прочих равных условиях на ней можно хранить и больше информации. Как уже отмечалось, DLT-привод записывает данные последовательно (линейно). Каждая дорожка занимает всю длину ленты.
Основной особенностью нового привода стал запатентованный шестироликовый ведущий механизм с блоком головок HGA (Head Guide Assembly). Он обеспечивал мягкий и плавный ход ленты с минимальным трением. Путь ленты был значительно меньше, чем в приводах с 8-мм лентой, что снижало ее износ и повреждения. Благодаря HGA увеличилась и плотность записи на полудюймовой ленте. Если в устройствах DLT 2000/4000 использовался метод записи LSR (Linear Serpentine Recording), то в накопителях DLT7000 начали применять уже несколько иной способ — SPR (Symmetric Phase Recording). За счет разного угла наклона магнитного зазора головки при записи соседних треков существенно уменьшились взаимные магнитные помехи между соседними дорожками, и таким образом удалось сократить зазор между ними.
В DLT-устройствах применяется специальная многоуровневая схема обнаружения и коррекции ошибок. Каждые 64 Кбайт данных на ленте сопровождаются 16-Кбайт ЕСС-кодом Рида — Соломона. В свою очередь для каждых 4 Кбайт данных применяются 16-разрядный избыточный циклический код (CRC) и 16-разрядный код обнаружения ошибок (EDC). Кроме того, каждая логическая запись сопровождается 16-разрядным кодом CRC. Для обеспечения целостности информации записываемые данные сразу же считываются головкой чтения и сравниваются с данными, поступившими от компьютера. При обнаружении несоответствий фрагмент немедленно перезаписывается на следующем участке ленты.
Устройства DLT имеют особую систему протяжки ленты, в которой минимизирован контакт ленты с направляющими роликами. В приводах применяется двухмоторная система, управляемая компьютером, что позволяет с высокой точностью выполнять ускорение/замедление хода ленты и выдерживать необходимую скорость при операциях чтения/записи. Современные устройства могут работать одновременно с двумя каналами, что удваивает эффективную скорость обмена данными. Стандарт DLT в настоящий момент представлен двумя независимыми линейками устройств — Value Smart DLT (DLT VS) и Super DLT (SDLT).
Современный накопитель DLT-V4 обеспечивает хранение 320 Гбайт данных (с компрессией) при скорости передачи до 72 Мбайт/с и в своем классе оборудования значительно превосходит конкурентов. Он оснащен функциями DLTSage и DLTIce для защиты системы и данных. В задачи диагностического программного средства DLTSage входит установление источника аппаратных сбоев и их предупреждение. Взаимодействуя с накопителями, DLTSage определяет состояние ленты, информацию на ней, степень износа носителя и то, насколько интенсивно используется лента. Благодаря этому администратор может вовремя обнаружить изношенную ленту и заменить ее, заблаговременно избавившись от источника возможного сбоя. В свою очередь, DLTIce представляет собой расширение DLTSage, обеспечивающее долговременное хранение информации и защиту ее от неавторизованного доступа. Система DLTIce предусматривает несколько уровней защиты. На уровне самого носителя устанавливается электронный ключ, обеспечивающий целостность сделанной записи. Создаваемый системой уникальный для каждой ленты идентификатор защищает данную версию записи от вмешательства в нее.
[Фото]Накопитель DLT-V4.
В приводе DLT-V4 реализован интерфейс SATA, поддерживающий быстрое подключение к серверам начального уровня. Кроме того, у него есть еще одно важное преимущество — низкая стоимость хранения информации. В комплект поставки включено ПО Veritas Backup Exec Quickstart Edition. Подобные DLT-накопители предназначены для интенсивного использования в сетях среднего размера. Долговечность носителя довольно высока — более миллиона проходов ленты.
Технология Super DLT
Новая технология Super DLT была впервые реализована корпорацией Quantum в накопителе DLTtape 220N. Незадолго до того корпорация Maxell (http://www.maxell.com) анонсировала новый картридж — Super DLTtape I. Главная особенность Super DLT — технология Laser Guided Magnetic Recording (LGMR). Данные в Super DLT записываются на одной стороне магнитной ленты, а информация о положении головок чтения-записи — на обратной. Благодаря использованию лазера удается очень точно позиционировать головки, соответственно, дорожки на ленте могут располагаться очень близко. Еще одна инновация в Super DLT — новая система синхронизации POS (Pivoting Optical Servo), которая работает со встроенной серводорожкой, нанесенной на ленту еще в процессе производства, что исключает необходимость переформатирования ленты. Помимо этого к базовым технологиям Super DLT можно отнести AMP (Advanced Metal Powder) — технологию использования металлического порошка, обеспечивающую запоминание больших объемов данных; MRC (Magneto Resistive Cluster) — кластер магниторезистивных головок и ERP (Enhanced Partial Responce) — усовершенствованный вариант метода PRML (Partial Response Maximum Likelihood), разработанного Quantum совместно с Lucent/Bell Labs.
Отметим, что магниторезистивная головка считывания представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от напряжения магнитного поля, причем амплитуда сигнала практически не зависит от скорости изменения поля. Это позволяет намного надежнее считывать информацию с ленты, тем самым значительно повысив предельную плотность записи. Основной недостаток индуктивных головок — сильная зависимость амплитуды сигнала от скорости перемещения магнитного покрытия и высокий уровень шумов, затрудняющий обнаружение слабых сигналов. В свою очередь, метод PRML (максимальное правдоподобие при неполном отклике) обеспечивает считывание информации, основанное на ряде положений теории распознавания образов. При традиционном декодировании, когда отслеживается амплитуда, частота или фаза считываемого сигнала, для обеспечения надежности эти параметры должны были значительно меняться. В частности, при записи подряд двух или более совпадающих разрядов их приходилось специальным образом кодировать, что снижало плотность записи. В методе PRML для декодирования применяются шаблоны, с которыми сравнивается считанный сигнал. Это повышает плотность записи данных на 30—40%.
Благодаря тому, что магнитное кодирование данных выполняется на одной стороне ленты, а лазерное кодирование служебной информации — на другой (для позиционирования ленты и контроля скорости), не требуется отдельной магнитной головки для управления перемещением ленты. Головки объединяются в группы (кластеры), что резко увеличивает возможную емкость ленты. Особый фактор — это встроенное микропрограммное обеспечение. Оно управляет такими важными функциями и параметрами, как коммуникации по шине SCSI, обнаружение и коррекция ошибок, сжатие данных, скорость ленты, форматирование данных. Кроме того, микропрограммное обеспечение реализует функции протокола SCSI (включая сообщения, команды и параметры).
Накопитель SDLT 600 позволяет сохранять до 600 Гбайт данных при скорости передачи до 72 Мбайт/с. Он рассчитан на ежедневную интенсивную эксплуатацию и поэтому обладает повышенным ресурсом. Основное отличие устройств нового поколения от предшествующих — наличие систем DLTSage и DLTIce.
А вот накопитель четвертого поколения DLT-S4 позволяет сохранять на одном картридже до 1,6 Тбайт. Скорость передачи данных составляет 60 Мбайт/с (120 Мбайт/с со сжатием). В комплект поставки включено ПО для защиты данных DLTSage WORM и DLTSage Tape Security. В новом приводе используются картриджи DLTtape S4 емкостью 800 Гбайт (1,6 Тбайт со сжатием). Стример обратно совместим по чтению с предыдущими поколениями накопителей — SDLT 600 и SDLT 320.
Согласно планам Quantum, в новых поколениях технологий Super DLT и Value Smart DLT главное внимание будет уделено повышению емкости. Системы следующего поколения смогут считывать данные с картриджей старого формата. Новая линейка ленточных накопителей DLT-S (ранее SDLT) нацелена на высокую емкость в сочетании с высокой производительностью, а линейка DLT-V (ранее DLT VS) — на высокую емкость в сочетании с приемлемой стоимостью накопителя.
Технология DAT/DDS
Первоначально технология записи на ленту шириной 3,81 мм использовалась для цифровой записи звука — Digital Audio Tape (DAT). В 1989 г. корпорации HP (http://www.hp.com) и Sony (http://www.sony.net) предложили формат Digital Data Storage (DDS), который позволял применять устройства DAT для записи данных на магнитную ленту. Однако ради длительного и надежного хранения информации требования к магнитному носителю были повышены. К настоящему времени существует еще четыре модификации этого формата — DDS-1, DDS-2, DDS-3 и DDS-4, отличающиеся качеством магнитного покрытия ленты, ее длиной, скоростью, а также плотностью записи данных (а следовательно, емкостью).
В данном случае обязательный атрибут лентопротяжного механизма — это блок вращающихся головок, выполненный в виде цилиндра (барабана). В зависимости от формата записи лента обернута вокруг этого блока под некоторым углом, причем ось самого цилиндра также расположена под небольшим углом к ленте. Разрядам данных присваиваются числовые значения, после чего эти цифры транслируются в поток электронных импульсов, которые и помещаются на ленте. Технология DDS, вообще говоря, использует лентопротяжный механизм DAT с четырьмя головками на блоке головок: две головки записи и две чтения после записи. Дорожки записываются парами (так называемыми фреймами), причем записи на дорожках частично перекрываются. Головки расположены под различными азимутальными углами относительно ленты, поэтому каждая из них легко различает свою дорожку. Кроме того, для этого задействована система автоматического поиска дорожки ATF (Automatic Track Finding).
В последние годы технология DDS, казалось бы, исчерпала свои возможности, однако после долгого перерыва появились картриджи и использующие их накопители нового поколения DAT72, емкостью 72 Гбайт в сжатом виде. Несомненные достоинства нового формата заключаются в почти вдвое большей вместимости по сравнению с его предшественником DDS-4 (40 Гбайт), а также в совместимости по чтению/записи с системами DDS-3 и DDS-4, ну и, разумеется, в относительно низкой цене. К недостаткам следует отнести невысокую скорость — 6 Мбайт/c со сжатием, а также меньшую надежность (из-за того, что лента изгибается вокруг вращающейся головки) и меньшую наработку на отказ. Тем не менее до сих пор технология DDS занимает самую большую часть рынка установленных систем начального уровня. В ближайшее время ситуация вряд ли изменится, так как стоимость хранения у нее остается минимальной, а емкость картриджа будет увеличиваться. Между тем перспективный формат DAT160 по своей емкости и скорости превосходит DAT72 как минимум вдвое.
[Фото]Накопители нового поколения DAT72.
Технология AIT
Корпорация Sony, сотрудничая с компанией Exabyte (сегодня входит в состав Tandberg Data), разработала собственную технологию AIT (Advanced Intelligent Type). Она построена на использовании 8-мм лент, однако в отличие, например, от DAT в ней используются барабаны большего диаметра с меньшей скоростью вращения. В картриджах AIT находится высокотехнологичная лента AME (Advanced Metal Evaporated), обеспечивающая повышенную плотность и скорость записи по сравнению с обычной. Хотя ширина носителя в AIT также составляет 8 мм, накопители стандарта AIT полностью несовместимы с классическими 8-мм устройствами. Характерная черта картриджей AIT — наличие в них встроенной памяти MIC (Memory-In-Cassette), где хранится информация о расположении пользовательских файлов на ленте, а также другая, в том числе системная, информация. Это сокращает среднее время доступа к файлу. Поскольку электроника устройства способна самостоятельно оценить местонахождение указанного файла, отпадает необходимость считывать ID-маркеры во время движения ленты. При достижении зоны расположения файла лента замедляет движение, и считывается ID для установления точной позиции. В результате поиск ускоряется примерно в 150 раз по сравнению со скоростью чтения/записи.
В AIT используется разработанная IBM технология сжатия данных — Advanced Lossless Data Compression (ALDC), которая раньше была доступна только для мэйнфреймов. Она выполняет сжатие с коэффициентом 2,6:1 против 2:1, обычного для других технологий компрессии. Первая версия AIT-1 позволяла хранить на одной кассете 25 Гбайт несжатой информации при скорости обмена 3 Мбайт/с. В 1996 г. Sony предложила формат AIT-2, который, оставаясь полностью обратно совместимым с ATI-1, удваивал емкость хранимых данных, доводя ее до 50 Гбайт в несжатом виде. Это было достигнуто благодаря усовершенствованиям технологии записи, схемы кодирования, конструкции лентопротяжного механизма и ряду других новинок. Патентованная технология изготовления головок записи Hyper Metal Laminate обеспечила более высокий уровень сигнала, что на 50% увеличило плотность записи.
В 2005 г. Sony, продолжая развитие своего формата AIT, выпустила накопитель четвертого поколения AIT-4. Картриджи этого формата способны вместить 200 Гбайт информации, что вдвое превышает емкость AIT-3. В новом картридже увеличена длина ленты и применяется технология более плотной записи данных: у AIT-3 плотность записи составляла 720 Мбит/кв. дюйм, у AIT-4 — 1170 Мбит/кв. дюйм. Благодаря алгоритму сжатия ALDC картридж AIT-4 вмещает до 520 Гбайт сжатых данных при скорости записи 62,4 Мбайт/с, что вдвое превышает аналогичный показатель у AIT-3. Такое значительное увеличение емкости и скорости было достигнуто за счет большей скорости вращения барабана с головками чтения/записи и усовершенствованной конструкции самих головок. AIT-4 полностью совместим со всеми тремя поколениями накопителей, что обеспечивает безболезненный переход на новый формат записи при модернизации аппаратного комплекса.
Несмотря на принимаемые Sony меры, заказчикам периодически приходится сталкиваться со случаями несовместимости. В частности, данная проблема затрагивает носители AIT ранних поколений (от AIT-E-Turbo до AIT-3) и ленточные накопители четвертого поколения (AIT-4). Ситуация усугубляется в случае применения технологии AIT-Turbo — такие носители лишь частично совместимы с не поддерживающими турборежим накопителями (к примеру, AIT-1-Turbo ограниченно совместим с приводами AIT-2). В марте 2006 г. был предложен переходный формат AIT-3Ex: этот привод отличается от предыдущих моделей линейки AIT-3 не только объемом (150 Гбайт и 390 Гбайт с компрессией), но и повышенной на 50% скоростью записи данных — до 18 Мбайт/с, что позволило Sony назвать его самым быстрым устройством в своем классе. AIT-3Ex оснащен интерфейсом Ultra160 SCSI LVD/SE и имеет буфер объемом 96 Мбайт. Ориентация на корпоративного пользователя, предъявляющего повышенные требования к надежности накопителей, обуславливает высокие показатели отказоустойчивости. Показатель наработки на отказ (Mean Time Between Failure, MTBF) у AIT-3Ex составляет не менее 400 тыс. ч при 100%-ной загрузке (для записывающей головки — около 50 тыс. ч.).
В конце прошлого года начались поставки накопителей, поддерживающих технологию AIT-5 (Sony AIT-5 SDX-1100). Емкость одного картриджа достигает 400 Гбайт (1,04 Тбайт с компрессией). Производитель также заявляет об обратной совместимости с AIT-3, AIT-3Ex и AIT-4. Кроме того, сохраняется поддержка WORM.
Технология Super AIT
Эта технология развивает фирменную технологию Sony AIT. Накопители Super AIT выполнены с учетом форм-фактора 5,25 дюйма, а приемная катушка размещена в самом приводе. Собственно картридж однокатушечный, а лента имеет ширину 0,5 дюйма. Увеличение ширины ленты с 8 до 12,7 мм (0,5 дюйма) позволило довести емкость картриджа до 500 Гбайт несжатых данных (1,3 Тбайт с компрессией). Привод Super-AIT оснащен системой, которая отслеживает состояние магнитных головок и при необходимости активирует функцию их очистки.
Существенным отличием можно считать и то, что привод Super AIT имеет две скорости поиска. На обычной скорости поиск происходит так же, как в любом другом подобном устройстве. Если же необходимо пропустить большую часть ленты, то петля, охватывающая блок вращающихся головок, сматывается, и лента перематывается на большой скорости, по прямой линии проходя весь тракт. Эта функция значительно снижает время доступа к файлам и увеличивает срок службы головок. Во всех накопителях Super AIT реализована технология WORM.
На очереди технология Super AIT-2, в которой емкость картриджа вырастет в два раза — до 1 Тбайт (2,6 Тбайт с компрессией) при скорости обмена 60 Мбайт/с.
Технология VXA
Технологию VXA разработали в компании Ecrix, которую позже купила Exabyte, вошедшая затем в состав Tandberg Data. В технологии VXA впервые объединены такие три инновации, как дискретный пакетный формат DPF (Discrete Packet Format), работа на разных скоростях VSO (Variable Speed Operation) и многократное сканирование OSO (OverScan Operation).
Итак, VXA предполагает, что данные считываются и записываются пакетами. Перед записью на носитель длинные строки данных разбиваются на небольшие части, или пакеты данных. Кроме того, применяются сложные методики считывания после записи, чтобы удостовериться, что данные действительно записаны. VXA предусматривает также многократное сканирование записанных данных в процессе их чтения — все четыре головки сканируют ленту и считывают пакеты данных в буферный сегмент. У каждого пакета есть уникальный адрес, на основании которого буфер VXA восстанавливает правильную последовательность пакетов, независимо от порядка, в котором они считаны. В данной технологии применяется выполняемая в два этапа четырехуровневая процедура исправления ошибок. Во-первых, каждый пакет содержит ECC-код исправления ошибок по методу Рида — Соломона, который позволяет устранять мелкие ошибки, обычно вызываемые шумом или фазовыми сдвигами. Во-вторых, при сборке пакетов в буферном сегменте они размещаются в узлах матрицы, в которой для исправления ошибок применяется трехмерный ECC-код Рида — Соломона.
Накопитель с поддержкой VXA способен подстраиваться под реальную скорость передачи данных, что устраняет операции обратного захвата. Таким образом, исключаются причины, приводящие к задержкам записи/чтения, преждевременному износу носителя и механизмов накопителя. Предложенная конструкция довольно проста, по крайней мере, она значительно дешевле аналогичных потоковых ленточных устройств.
Две пары головок на барабане записывают на ленту два перекрывающихся набора дорожек. Первая головка в каждой паре записывает данные, а вторая проверяет их целостность, выполняя «чтение после записи» RAW (Read-After-Write). При вращении барабана магнитные головки описывают одну и ту же траекторию. Первая головка записывает дорожку на пустой ленте, а вторая — считывает только что записанные данные. Кроме того, выполняется процедура так называемой записи с нулевым допуском ZTW (Zero Tolerance Write), которая гарантирует надежное сохранение данных на ленте. При чтении данных по методу VXA используются все четыре головки. В этом случае пакеты считываются путем многократного сканирования, и гарантируется, что каждый из них считывается по крайней мере однажды. Геометрия дорожек и их наклон несущественны, ведь процедура чтения пакетов от этих параметров не зависит. Такой подход исключительно эффективен при чтении ленты, записанной на другом VXA-накопителе.
Емкость картриджа для устройств третьего поколения VXA-3 составляет 320 Гбайт (при аппаратном сжатии данных), а скорость чтения/записи достигает 24 Мбайт/с. Новый накопитель более чем в 4 раза превосходит устройство DAT72 по емкости и скорости передачи данных. При этом они находятся в одной ценовой категории устройств, позиционируемых на малый и средний бизнес. Накопители VXA-3 совместимы с предыдущим поколением VXA, что позволяет легко переходить на новые устройства тем, кто уже применяет оборудование с технологией VXA. В новом устройстве можно использовать те же картриджи VXA-2, но при этом емкость и скорость удваиваются. На рынке предлагается три вида картриджей, различающихся по емкости: 80, 160 и 320 Гбайт.
[Фото]Накопитель VXA-320 ориентирован на малый и средний бизнес.
Технология LTO
В ноябре 1997 г. три крупнейшие компании, производящие накопители на магнитной ленте, — IBM, HP и Seagate Technology (http://www.seagate.com) объявили о соглашении, результатом которого стало создание новой технологии для стримеров, используемых в больших компьютерных системах. Новая технология, получившая название LTO (Linear Tape Open), объединила преимущества линейных многоканальных двунаправленных форматов записи с улучшенными сервосистемой, компрессией данных, размещением дорожек, коррекцией ошибок, производительностью и надежностью. Ее особенность — многоканальная серпантинная запись c высокой плотностью. На базе технологии LTO существует два формата: Ultrium (интенсивная запись) и Accelis (интенсивное чтение). При использовании LTO полная ширина ленты делится на несколько более узких областей, количество которых зависит от типа формата. Блок головок охватывает только одну из имеющихся областей и заполняет их последовательно. На верхней и нижней границах каждой области данных записывается служебная информация.
Высокая целостность данных при записи достигается благодаря двухуровневой коррекции ошибок. Алгоритм контроля и коррекции ошибок обеспечивает надежное восстановление информации даже при потере данных одной из восьми дорожек. Кроме того, существует возможность чтения во время записи RWW (Read While Write), что позволяет выполнять верификацию данных в реальном масштабе времени. Динамическая перезапись сбойных блоков обеспечивает качественное копирование информации даже при выходе из строя одной или нескольких головок. Сдвоенная сервосистема гарантирует (за счет избыточности) нормальное функционирование накопителя в случаях выхода из строя одной из головок или повреждения части служебной информации, записанной на магнитной ленте. В картриджи встраивается специальный модуль LTO-CM (LTO Cartridge Memory), содержащий энергонезависимую память.
Устройства третьего поколения — LTO-3 (Ultrium 960) способны сохранять на картридже до 800 Гбайт сжатых данных, при этом скорость передачи достигает 160 Мбайт/с. Благодаря поддержке интерфейса Ultra320 SCSI эти накопители стали одними из самых быстрых среди аналогичных устройств. По сравнению с LTO-2 емкость и скорость у них выросли вдвое. В этом поколении накопителей применяется технология WORM, что повышает безопасность и гарантирует сохранность данных. В частности, в Ultrium 960 упрощена процедура восстановления данных с резервных копий благодаря разработанной HP новой системе — One Button Disaster Recovery (OBDR). Эта утилита сделала возможным полное восстановление системы, включая ОС, все файлы данных, конфигурацию и драйверы.
Еще одна новинка, появившаяся только в этом поколении приводов Ultrium, — Adaptive Tape Speed (ATS), функция контроля скорости передачи данных. ATS управляет скоростью записи накопителя, подстраивая ее под скорость системы, и оптимизирует работу накопителя, ведя запись в потоковом режиме и сокращая до минимума перемотку ленты вперед-назад в периоды ожидания данных от системы, что значительно сокращает износ накопителя и увеличивает срок его службы.
В начале этого года отраслевая организация LTO Program (http://www.ultrium.com), возглавляемая HP, IBM и Quantum, выпустила спецификацию LTO четвертого поколения. Напомним, что LTO-4 — спецификация магнитных лент, которая позволяет, например, читать ленты, записанные на устройствах HP, на ленточных накопителях IBM. Кроме того, новые устройства могут читать данные с носителей LTO-2 и LTO-3 и записывать их на носитель LTO-3. В спецификацию LTO-4 добавлено шифрование AES 256 на уровне накопителя. Вдвое выше стала производительность — 160 Мбайт/с вместо 80. Емкость картриджа LTO-4 (800 Гбайт без компрессии) также удвоена по сравнению с LTO-3. Сохранилась и поддержка WORM.
[Фото]Ленточный накопитель по новой спецификации LTO-4.
По данным IDC, на LTO сегодня приходится более 80% ленточных накопителей среднего класса. В настоящее время картриджи LTO выпускают компании Maxell, Imation, TDK, Sony и Fujifilm.