Ленточные накопители не сдают позиций


История накопителей на магнитной ленте насчитывает уже почти полвека, но и сегодня, когда речь идет о дешевом (в пересчете на один мегабайт) и надежном резервировании и безопасном хранении больших объемов данных, современным ленточным накопителям, или стримерам, никакие другие устройства не могут составить конкуренцию.


Устройства хранения на магнит ных лентах все еще остаются лучшим решением для
резервирования корпоративных данных. Однако потребность в резервировании становится
насущной уже и в среднем и малом бизнесе, и даже в SOHO. Как это ни парадоксально,
но снижение стоимости жестких дисков ее лишь усилило, поскольку стимулировало
накопление и работу с большими объемами данных.

Наш еженедельник уже освещал технологии записи на магнитную ленту ("Компьютерное
Обозрение", # 8, 2000
). Прошедшие с того времени полтора года — срок
небольшой в сравнительно медленнотекущей жизни ленточных накопителей. Тем не менее
в этом секторе рынка заметны определенные перемены. Некоторые устройства сходят
с рынка, и их место занимают более совершенные, укрепляют свои позиции молодые
технологии. Сохранив структуру предыдущего обзора, мы несколько сдвинем акценты
в настоящем.

В общем случае по способу формирования треков существующие технологии записи можно
разделить на три класса:

  •  спиральная запись, или запись по диагональным дорожкам (helical scan);
  •  линейная запись (linear);
  •  серпантинная запись (linear serpentine).

В свою очередь, каждый класс можно разбить на ряд подклассов в соответствии с
реализующими эти технологии устройствами, которые не совместимы друг с другом.

Спиральная запись

50-е годы в Соединенных Штатах характеризовались резким подъемом телевизионной промышленности. Ежегодно фиксировалось десятикратное увеличение числа телевизоров. Существовавшие в то время линейные технологии хорошо подходили для записи звука, но совершенно не удовлетворяли нужды видеоиндустрии. В 1956 г. компания Ampex предложила устройства, записывающие треки под углом к продольной оси магнитной ленты, — так родилась технология helical scan.

Технология helical scan обеспечивает, с одной стороны, высокую емкость, а с другой — низкую скорость записи. Все устройства, реализующие эту технологию, используют одинаковый механизм записи на магнитную ленту. Однако они могут отличаться по типу и ширине магнитного носителя, количеству и плотности треков, особенностям механизма протяжки ленты, а также по ряду других характеристик.



Рис. 1

На рис. 1 схематично изображен типичный блок записи устройства helical scan. Магнитная
лента, протягиваясь от подающей бобины к приемной, частично охватывает (обычно
угол охвата составляет 90°) цилиндрический барабан — сканер, на котором смонтированы
по две головки записи и чтения. Головки каждой пары располагаются на концах соответствующих
диаметров, пересекающихся под углом 90°. Ось цилиндра слегка наклонена по отношению
к продольной оси ленты. Сам цилиндр в зависимости от типа устройства может вращаться
с частотой от 2000 об/мин до 11500 (значения приблизительные). Лента движется
со скоростью 1—2 ips (дюйм в секунду), однако поскольку одновременно записывается
множество треков, эффективная скорость достигает более 100 дюймов в секунду.

Технология DAT/DDS

С первых дней создания этой технологии существует некоторая путаница в терминологии. Аббревиатура DAT обозначает Digital Audio Tape, и, как следует из названия, устройства DAT использовались для цифровой записи звука. В 1989 г. компаниями Hewlett-Packard и Sony был разработан стандарт DDS (Digital Data Storage), который позволял применять DAT для записи данных на магнитную ленту. В картриджах DDS используется магнитная лента той же ширины — 0,15″ (3,81 мм), однако для обеспечения длительного и надежного хранения требования к магнитному носителю были повышены.

Короткие треки (их длина обычно в 8 раз превышает ширину ленты) записываются по диагонали, каждый из них содержит код коррекции ошибок (ECC). Вторая головка формирует треки под углом 40° по отношению к первой. Данные на соседних треках записываются с разной полярностью, поэтому даже в случае их перекрытия они могут быть корректно считаны. Головки чтения выполняют верификацию, и в случае обнаружения ошибки производится перезапись.

Каталог файлов хранится в начале ленты или в специальном файле на жестком диске. При восстановлении данных программа сначала полностью считывает каталог, затем лента перематывается к нужному участку, и содержимое поступает в буфер контроллера. Для проверки целостности данных контроллер использует CRC-код. Если данные считаны правильно, то содержимое буфера передается в системную память и записывается на жесткий диск.

Сегодня на рынке можно встретить четыре модификации этого формата — DDS-1, DDS-2, DDS-3 и DDS-4, отличающиеся качеством магнитного покрытия ленты, ее длиной, скоростью протяжки и плотностью записи данных.

Форматы DDS-3 и DDS-4 используют для записи метод "частичный ответ — максимальное правдоподобие" (Partial Response Maximum Likelihood — PRML), широко применяемый для жестких дисков. Он фильтрует сигнал от шумов, что позволяет повысить плотность записи. Дополнительных по отношению к DDS-3 16 GB сжатых данных в формате DDS-4 удалось добиться за счет увеличения длины ленты и уменьшения шага дорожки с 9,1 до 6,8 мкм. Однако развитие этого стандарта уже прекратилось. Так, компании Hewlett-Packard и Seagate отказались от разработки следующей версии — DDS-5.

MammothTape

Технология записи на магнитную ленту шириной 8 мм пришла в компьютерный мир из видеоиндустрии. В середине 80-х годов группа инженеров из Storage Technology Corporation (STC) обратила внимание на возможности домашних видеосистем и поняла, что эти технологии готовы к адаптации для хранения данных. В 1985 г. они покидают STC и основывают компанию Exabyte с целью разработки ленточных накопителей высокой емкости. Работая совместно с Sony, производящей механические компоненты, Exabyte выпускает в 1987 г. первое устройство helical scan для Unix-систем на 8-миллиметровой ленте. Однако использование тон-вала и прижимного ролика приводили к повышенному износу ленты.



Рис. 2

В 1994 г. компания анонсирует новую технологию спиральной записи MammothTape,
разработанную специально для нужд компьютерной индустрии. Она отличалась от других
данного класса целым рядом улучшений. В частности, в устройствах отсутствовал
тон-вал и реализован более щадящий механизм протяжки (схематическое изображение
лентопротяжного тракта представлено на рис. 2). Это, в свою очередь, позволило
применять для записи более тонкие и чувствительные магнитные материалы, а именно,
ленту типа AME (Advanced Metal Evaporated), разработанную Sony специально для
записи данных. В итоге удалось достичь 30-летнего срока эксплуатации картриджа.
Динамически очищаемые головки увеличили период чистки с 30 до 72 часов.



Рис. 3


Рис. 4

Устройства Mammoth-1 имеют по две головки чтения и записи на концах одного диаметра
(рис. 3), вмещают 20 GB несжатых (нативных) данных и обеспечивают скорость записи
на ленту 3 MBps. Следующая генерация — Mammoth-2 — отличалась улучшенной
конструкцией сканера. На нем монтировались по две головки чтения и записи, располагавшиеся
на концах взаимно перпендикулярных диаметров (рис. 4). При этом операции записи
и чтения (верификации данных) осуществлялись одновременно. При обнаружении
ошибки перезапись выполняется "на лету" второй парой головок. Это позволило
достичь суммарной скорости передачи 12 MBps. Картридж вмещал 60 GB несжатых данных.
Техника записи также использовала одну из модификаций метода PRML. Устройства
Mammoth-3, которые компания обещает выпустить к концу этого года, будут способны
записывать 120 GB несжатых данных при скорости 18 MBps.

AIT

Технология Advanced Intelligent Tape была разработана в 1996 г. компанией Sony в ответ на требование индустрии обеспечить поддержку приложений, интенсивно оперирующих с большими объемами данных. Ряд нововведений, таких, как более прочная и тонкая лента, улучшенное покрытие, новая технология головок и чип памяти, встроенный в картридж (Memory-In-Cassette — MIC), позволили получить высокопроизводительное устройство большой емкости и с очень низкой частотой ошибок, хорошо подходящее для ленточных библиотек и роботизированных приложений, выполняющих резервирование.

Для сжатия данных AIT использует разработанную IBM технологию Advanced Lossless Data Compression (ALDC), доступную раньше только для мэйнфреймов. Она обеспечивает выполнение сжатия с коэффициентом 2,6:1 против типичного 2:1 для других технологий. В чипе MIC хранится служебная информация, которая обычно размещается в первых сегментах ленты. Она включает индексы, указывающие расположение файла на ленте, и поля данных, позволяющие приложениям записывать некоторую дополнительную информацию. Поскольку электроника устройства способна самостоятельно оценить месторасположение искомого файла, отпадает необходимость считывать маркеры ID во время движения ленты. В результате поиск ускоряется примерно в 150 раз по сравнению со скоростью чтения/записи. Еще одна особенность описываемых устройств заключается во встроенном механизме для очистки головок накопителя Active Head Cleaner, который активизировался только при появлении большого количества ошибок. Таким образом, необходимость данной операции определялась самим устройством, а не регламентом.

Объявленная Sony программа развития устройств семейства AIT предусматривала удвоение скорости передачи данных и емкости каждые два года. Первые устройства AIT-1 появились на рынке в 1996 г. Они позволяли сохранять в одном картридже 25 GB несжатых данных и обеспечивали скорость записи 3 MBps. Второе поколение стримеров — AIT-2 — немного запоздало и вышло только через три года. Как и было обещано, емкость картриджа и скорость записи удвоились. Это стало возможным благодаря усовершенствованиям технологии записи, схемы кодирования, конструкции лентопротяжного механизма и ряду других новинок. Патентованная технология изготовления головок записи HyperMetal laminate обеспечила более высокий уровень сигнала, что позволило на 50% повысить плотность записи. Емкость MIC была увеличена вдвое (64 KB), и c помощью дополнительной информации среднее время доступа сократилось до 20 с по сравнению со 100 с для других технологий.



Рис. 5

В апреле Sony объявила, что устройства третьего поколения — AIT-3 — будут
доступны в третьем календарном квартале этого года (рис. 5). Емкость картриджа
составит 100 GB несжатых (260 GB сжатых) данных, а скорость записи — 12 MBps
(31 MBps). Удвоение скорости передачи достигается за счет увеличения числа каналов
до четырех. Устройство поддерживает интерфейс Ultra SCSI 160. В соответствии с
планами, стример AIT-4 должен появиться на рынке в конце 2003 г. И объем, и скорость
записи будут увеличены на 100%. Это станет возможным, в частности, благодаря использованию
магниторезистивных головок, которые позволят довести толщину трека до 2,75 мкм.

VXA

Технология Variable-Speed Architecture хотя и относится к классу спиральных, но механизм протяжки в VXA-стримерах несколько отличается от классического. Она была предложена в 1999 г. компанией Ecrix и решала ряд проблем, присущих потоковой технике, которая используется традиционными технологиями.

Потоковая техника, применяемая при спиральной и линейной записи, за одну операцию чтения/записи оперирует целым треком, содержащим тысячи байтов данных. Для достижения максимальной производительности хост должен успевать поставлять и принимать информацию от стримера. Если хост недостаточно быстрый или шина занята, то устройство вынуждено приостанавливать протяжку ленты, выполнять позиционирование головок и только затем (при условии готовности хоста) продолжать операцию. Технология VXA включает три нововведения: Discrete Packet Format (DPF), Variable Speed Operation (VSO) и OverScan Operation (OSO).

DPF. Устройства VXA записывают и считывают данные в форме пакетов. Перед тем как выполнять операцию записи, поток данных от хоста разбивается на пакеты. Каждый пакет включает 64 байта пользовательских данных, маркер синхронизации, адресную информацию, избыточный циклический код (CRC) и код коррекции ошибок (ECC). Один диагональный трек VXAtape содержит 367 пакетов. Чтение осуществляется четырьмя головками одновременно в специальный сегментный буфер. Вследствие того что каждый пакет снабжен уникальной адресной информацией, пакеты реассемблируются в буфере в правильном порядке независимо от того, каким образом они были считаны. Пакеты, потерянные в первом проходе, считываются в следующем и добавляются в буфер, пока там не будет сформирована полная строка. Лишь после этого они передаются в компьютер.

VSO. Изменяемая скорость протяжки ленты позволяет согласовать операции обмена данными между устройством и хостом. Таким образом можно избежать остановки ленты и позиционирования головок, что уменьшает износ ленты и оптимизирует операции чтения/записи.

OSO. В традиционных ленточных накопителях важным элементом технологии является соблюдение точного позиционирования головок и треков. Поскольку в VXA-устройствах чтение выполняется сразу четырьмя головками, то в случае, если участок трека сместился с пути первой головки, он будет прочитан второй, а пакеты затем упорядочатся в сегментном буфере.

Устройства VXA-1, которыми, кстати, заинтересовалась и Compaq, обеспечивают емкость 33 GB несжатых данных на одном картридже и скорость чтения/записи 3 MBps.

Линейная запись
Стандарт QIC/Travan

Кассетные ленточные устройства стандарта QIC (Quarter-Inch-tape Cartridge — картридж с четвертьдюймовой лентой) были предложены компанией 3M в "далеком" 1972 г. для нужд телекоммуникационной промышленности. Вскоре эти недорогие накопители были взяты на вооружение компьютерной промышленностью, в частности для автономных ПК. Со временем стандарт подвергся эволюции — появились технологии линейной записи с новыми именами. Так, спецификация Travan стала попыткой индустрии обеспечить наряду с повышенной емкостью обратную совместимость с более ранними форматами QIC. Хотя устройства QIC и Travan уходят с рынка, технологии линейной записи продолжают совершенствоваться.

SLR

В 1996 г. компания Tandberg Data предложила технологию Scalable Linear Recording (SLR), основными особенностями которой являлись многоканальные тонкопленочные магниторезистивные головки и оригинальная система их позиционирования. В результате удалось существенно повысить плотность треков — их количество может доходить до 192. Начиная с модели SLR100 для записи используется метод Variable Rate Randomizer — один из вариантов PRML, разработанный компанией Overland Data специально для устройств линейной записи. Все эти усовершенствования способствовали увеличению как объема несжатых данных (50 GB), так и скорости записи (10 MBps). Нужно отметить, что Tandberg весьма высоко оценивает потенциал своей технологии, обещая предоставить емкость до 800 GB на картридж и скорость записи до 13 MBps.

ADR

С появлением в 80-х годах CD-ROM многие предрекали закат ленточных накопителей.
Однако новые исследования и разработки позволили стримерам спокойно выдержать
натиск оптических технологий. Тем не менее выход в 1999 г. на рынок молодой компании
OnStream с новой технологией Advanced Digital Recording линейной записи на 8-миллиметровую
ленту был до некоторой степени неожиданным. Столь "рискованный" шаг
можно объяснить тем, что компания OnStream была выделена из электронного гиганта
Philips специально для разработки технологии ADR. Не страдая от скромности, OnStream
провозгласила революцию в системах хранения данных. Не нам об этом судить, но
ряд весьма интересных инноваций технология содержит. К ним в первую очередь относятся:

  •  встроенные в ленту средства сигнализации о положении головки — сервосигнализация
    (buried servo signaling);

  •  многоканальная запись;
  •  переменная скорость обмена данными;
  •  повышенная надежность записи.

Кардинальной инновацией считается сервосигнализация. Она позволяет головке точно
отслеживать движение ленты, что дает возможность значительно повысить плотность
треков. Вдобавок сервосигнализация используется для обеспечения целостности данных.
Рассмотрим некоторые детали.



Рис. 6

Обычно данные записываются не на полную глубину магнитного покрытия, а в тонком
поверхностном слое, который для типичных устройств составляет около 10% толщины.
Если на ту же ленту записывается сигнал более низкой частоты, то он проникает
на большую глубину, и поверх него могут быть помещены данные, т. е. в этом случае
на ленте сосуществуют два сигнала, располагающиеся в разных слоях. Сервосигнал
представляет собой ряд синусоидальных волн, записанных поперек ленты (рис.
6). Фазы четных и нечетных волн сдвинуты на 180°. Треки пересекают синусоиды в
точках, находящихся в противофазе, так что суммарный сигнал равняется нулю. При
смещении головки считываемая разность сигналов пропорциональна смещению, а ее
направление определяется фазой сигнала.

Вторым нововведением является тонкопленочная магниторезистивная восьмиканальная головка. Запись и считывание восьми треков одновременно позволяют снизить скорость протяжки ленты, сохранив производительность. В свою очередь, низкая скорость протяжки уменьшает трение и генерируемое тепло, потребление энергии, уровень шума и износ ленты.

Посмотрим теперь, какие преимущества дает переменная скорость обмена данными. Наилучшая производительность стримеров достигается в том случае, если поток информации не прерывается. Это условие выполняется при низких скоростях обмена, когда компьютер всегда успевает считать и доставить данные стримеру. В типичных ленточных накопителях скорость протяжки ленты постоянна, и в случае десинхронизации обмена ленту приходится останавливать. Технология ADR позволяет непрерывно изменять скорость ленты и пропускную способность от 0,5 до 2 MBps (для несжатых данных), согласуя ее со скоростью обмена данными компьютера.

Что касается обеспечения целостности данных, то большинство ленточных накопителей используют механизм "чтение в процессе записи" (Read-While-Write — RWW). Это реализуется с помощью соответствующих головок чтения. Сервосигнализация позволяет устройствам ADR на лету определять дефектные участки ленты. Когда устройство обнаруживает пропадание сервосигнала, оно метит данный участок как дефектный и возобновляет запись только при восстановлении сервосигнала. Кроме этого, устройство формирует код коррекции ошибок как для горизонтальных треков, так и для вертикальных. В результате описанные механизмы обеспечивают очень высокий уровень надежности — один нечитаемый бит на 1019 записанных.

В конце августа компания начала поставку стримеров следующего поколения — ADR2.60IDE. Количество треков на ленте было увеличено со 192 до 384, соответственно, емкость картриджа достигла 60 GB сжатых данных и скорость записи — 5 MBps. Считается, что устройства ADR и по цене, и по возможностям являются оптимальным решением для серверов начального уровня.

Серпантинная запись

Этот метод отличается от классического линейного тем, что операции чтения/записи выполняются как при прямом, так и при обратном движении ленты.

DLT

Технология Digital Linear Tape родилась в середине 80-х в компании Digital Equipment Corporation (DEC), когда та разрабатывала новые технологии записи на стандартную полудюймовую ленту для своих знаменитых MicroVAX. Первые коммерческие системы появились в 1989 г., а в 1994 г. права на технологию были приобретены компанией Quantum.



Рис. 7


Рис. 8

Устройства DLTtape имеют уникальную систему протяжки, минимизирующую контакт ленты
с направляющими роликами и головкой (рис. 7). В стримерах применяется двухмоторная
система, управляемая компьютером, что позволяет с высокой точностью регулировать
скорость протяжки для оптимизации операций чтения/записи. Данные записываются
по всей длине ленты параллельными треками, группирующимися в пары. При достижении
конца ленты головки устанавливаются на новую позицию, и выполняется запись в противоположном
направлении. На ленте могут разместиться 128 или 208 треков. При записи используется
техника Symmetric Phase Recording (SPR), с помощью которой данные на смежных треках
размещаются под разными углами (рис. 8). Четырехканальная система чтения/записи
позволяет получить скорость передачи 5 MBps для несжатых данных. Целостность информации
обеспечивает заказная микросхема (ASIC), формирующая код коррекции ошибок (ECC)
по Риду—Соломону для каждых 64 КВ пользовательских данных, 64-битовый избыточный
циклический код (CRC) и 16-битовый код обнаружения ошибок (EDC).

В 1998 г. компания анонсировала технологию Super DLTtape (SDLT), которая включила
в себя целый ряд новшеств, в частности:

  •  управляемую лазером магнитную запись (Laser Guided Magnetic Recording
    — LGMR);

  •  технологию Pivoting Optical Servo (POS), объединяющую магнитную запись
    высокой плотности с лазерной системой позиционирования головок;

  •  кластер магниторезистивных головок (Magneto Resistive Cluster heads
    — MRC);

  •  использование при записи критерия PRML.

Сегодня Quantum поставляет на рынок устройство SDLT 220 с нативной емкостью 110
GB и скоростью обмена 11 MBps.

LTO

Если вы читаете эти строки, то уже не только смогли оценить имеющееся на рынке разнообразие технологий и устройств, но и позабыть те, о которых говорилось вначале. Возможность выбора хороша, когда тот очевиден, в противном же случае ничего, кроме неразберихи и сумятицы в умах, она не вызывает. К тому же все описанные технологии являются патентованными, а это препятствует здоровой конкуренции. Гордиев узел в сложившейся ситуации решили разрубить компании Hewlett-Packard, IBM и Seagate, разработав открытый стандарт линейной (серпантинной) записи — Linear Tape Open. Новый стандарт позволит создавать устройства с различными функциональными особенностями и характеристиками, работающими как на отдельном сервере, так и в сложных сетевых средах, как с приложениями, где требуется быстрый доступ к данным, так и с теми, для которых более важным является их объем. Исходя из этих соображений были предложены две реализации стандарта LTO: формат Accelis, предназначенный для приложений, требующих быстрого доступа к данным, и Ultrium — для резервирования больших объемов информации.

Несмотря на различия этих двух форматов, каждый из них содержит все ключевые особенности стандарта LTO. Что же касается самих особенностей, то, по словам разработчиков, стандарт реализует лучшее из того, что наработано для устройств линейной серпантинной записи.

Прежде всего увеличено число каналов записи/чтения. Первая генерация LTO предусматривает 8 каналов, а в дальнейшем их число достигнет 16. Заметим, что в типичных стримерах этого типа насчитывается максимум 4 канала. Улучшены также сервосистемы и конструкции головок, что обеспечивает точное их позиционирование и высокую плотность записи. Целостность данных поддерживается надежным логическим форматом, который включает новые алгоритм сжатия и код RLL (Run Length Limited). Реализована динамическая перезапись информации, записанной на дефектных дорожках. Картридж содержит встроенную память LTO Cartridge Memory (LTO-CM). Наконец, записываемые блоки данных точно индексируются с помощью кодирования продольного положения на серводорожках. Это позволяет выполнять быстрый поиск новых блоков и упрощает обнаружение ошибок и восстановление данных.

С целью максимального использования магнитной поверхности формат LTO предусматривает разбиение ленты на узкие зоны (полоски) для записи. Число этих зон зависит от реализации формата: для Ultrium оно равно четырем, тогда как для Accelis — двум. Головка покрывает одну полоску и заполняет их последовательно. Сверху и снизу каждой полоски находятся сервополосы, информация в которых используется сервосистемой для управления положением головки. Рассмотрим теперь особенности реализации каждого формата.

Ultrium — решение проблемы больших объемов. Данный формат предоставляет большую емкость и высокую скорость обмена. Первая генерация устройств позволяет записать 100 GB несжатых данных на одном картридже, при этом пропускная способность составляет 20 MBps. Сам картридж содержит 600 м полудюймовой ленты. Элементы чтения/записи на головке группируются парами таким образом, чтобы записываемые данные сразу же верифицировались. При заполнении одной полоски головка перемещается, и запись производится на следующую полоску.



Рис. 9

Устройства Ultrium поставляются сегодня на рынок, в частности, такими компаниями,
как Hewlett-Packard, IBM и Seagate (рис. 9). Предполагается, что в будущем объем
несжатых данных достигнет 800 GB.

Accelis — быстрота доступа. Конструкция устройства направлена на обеспечение минимального времени доступа к данным, жертвуя при этом их объемом. Лента сужена до 8 мм, соответственно количество треков уменьшено до 256, ее длина равна 216 м. Это позволяет разместить 25 GB несжатых данных, скорость же обмена составляет 10 MBps.

Картридж содержит две бобины (Ultrium — одну). Поскольку тракт магнитной ленты полностью находится внутри картриджа, он может вставляться в стример без предварительной перемотки в начало. Как следствие — среднее время поиска составляет менее 10 с.

Нам не известна информация о наличии устройств Accelis на рынке.

В этой публикации была сделана попытка представить, хотя и в общих чертах, ситуацию
в секторе ленточных накопителей. Остается добавить, что если у вас есть данные,
потеря которых может принести ущерб больший, чем стоимость стримера, не откладывайте
его приобретение, поскольку неписаный закон гласит: крах системы неизбежен.