Обзоры
Резервирование: технологии записи на магнитную ленту
0

Резервирование: технологии записи на магнитную ленту

Вместе с ростом роли и значимости компьютерных технологий в различных областях человеческой деятельности пришло понимание необходимости резервирования жизненно важной информации. Более того, задача сохранения данных в современных вычислительных системах обладает более высоким приоритетом по отношению к их сбору.

Несмотря на успехи в разработке сменных носителей вторичной памяти, использование накопителей на магнитных лентах, или стримеров, как их часто называют, и сегодня является самым оптимальным выбором с точки зрения их емкости и стоимости. Если раньше проблему резервного копирования приходилось решать только сетевым администраторам, то с увеличением мощности персональных компьютеров и объемов жестких дисков она столь же остро встала и перед пользователями ПК. В то же время спектр предлагаемых в этом секторе рынка устройств и реализуемых ими технологий настолько широк, что может поставить в затруднительное положение и довольно опытных профессионалов, не говоря уже о конечных пользователях. Выбор в каждом конкретном случае системы резервного копирования требует анализа имеющейся информационной структуры. В общем, следует учитывать объемы данных, нуждающихся в резервировании, максимальную емкость картриджа, стоимость хранения одного мегабайта и критичность ко времени как процесса резервирования, так и восстановления информации. В любом случае знакомство с технологиями записи данных на магнитную ленту и особенностями реализующих их устройств определит некоторые ориентиры и поможет выбрать направление поиска подходящей системы для резервирования данных.

В общем случае предлагаемые сегодня на рынке технологии записи (равно как и устройства) можно разделить на три класса:

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

Рассмотрим вкратце их возможности и особенности.

Спиральная запись

Устройства, реализующие технологию helical scan, характеризуются, с одной стороны, высокой емкостью, а с другой, — низкой скоростью записи. Их можно классифицировать по ширине используемой магнитной ленты — 3,81 мм или 8 мм.

Технология DAT/DDS

Для ленты шириной 3,81 мм (иногда говорят о ширине 4 мм, что не совсем корректно) существует некоторая путаница в форматах. Дело в том, что первоначально эта технология использовалась для цифровой записи звука Digital Audio Tape (DAT). В 1989 г. компаниями Hewlett-Packard и Sony был предложен формат Digital Data Storage (DDS), который позволял использовать устройства DAT для записи данных на магнитную ленту. Однако для обеспечения длительного и надежного хранения информации требования к магнитному носителю были повышены. К настоящему времени имеется 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, и емкостью).

Рис. 1

На рис. 1 схематично изображен блок записи. Магнитная лента, протягиваясь от подающей бобины к приемной, частично охватывает цилиндрический барабан, на котором смонтированы по две головки записи и чтения. Головки каждой пары расположены на концах соответствующих диаметров, пересекающихся под углом 90°. Ось цилиндра слегка наклонена по отношению к продольной оси ленты, а сам он вращается с частотой 2000 об/мин. Лента движется в противоположном направлении примерно со скоростью немногим менее одного дюйма в секунду, однако, поскольку за один раз записывается более одного трека, ее эффективная скорость может достигать 150 ips (дюймов в секунду). Короткие треки записываются по диагонали, каждый из них содержит код коррекции ошибок (ЕСС). Головки чтения выполняют верификацию, и в случае обнаружения ошибки данные перезаписываются. При успешной записи буфер контроллера освобождается для приема следующей порции.

Вторая головка формирует треки под углом 40° по отношению к первой. Поскольку данные записываются каждой головкой с разной полярностью, то даже в случае перекрытия треков они могут быть считаны соответствующей головкой. Такое перекрытие обеспечивает большую плотность данных на ленте.

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 считывается в буфер контроллера. Для проверки корректности данных контроллер использует CRC-код. Если данные считаны правильно, то содержимое буфера передается в системную память и записывается на жесткий диск.

Технология 8 мм

Технология записи на магнитную ленту шириной 8 мм пришла в компьютерный мир из видеоиндустрии. Сегодня имеется два основных стандарта — это 8 мм и Mammoth, которые поддерживаются компанией Exabyte, и Advanced Intelligent Tape (AIT), продвигаемый Seagate и Sony.

MammothTape

Рис. 2

Первые устройства цифровой записи на 8-миллиметровую ленту базировались на механизме протяжки, разработанном Sony для нужд потребительской цифровой видеотехники. Использование тон-вала и прижимного ролика приводили к повышенному износу ленты и, как следствие, к низкой надежности хранения данных. Технология MammothTape, предложенная в 1996 г. компанией Exabyte, была специально разработана для нужд компьютерной индустрии. В реализующих ее устройствах отсутствует тон-вал, что предохраняет ленту от повреждений. "Мягкий" механизм протяжки позволяет применять для записи более тонкие и чувствительные магнитные материалы, в частности ленту типа AME (Advanced Metal Evaporated). Технология нанесения магнитного слоя AME была разработана Sony специально для записи данных. Предыдущие методы нанесения магнитного слоя на ленту использовали связывающие материалы, что приводило к загрязнению головок чтения/записи. Магнитный слой в ленте типа АМЕ получается в результате оседания на основу, проходящую через вакуумную камеру, паров чистого кобальта, пленка которого затем покрывается износостойким углеродистым материалом (рис. 2). В итоге это позволяет достичь 30-летнего срока эксплуатации картриджа.

Одна из особенностей Mammoth — способность манипулировать с 64 разделами различной длины. Разделом в данном контексте является самодостаточный сегмент ленты. Данные внутри предопределенного раздела могут стираться и записываться вновь, что особенно ценно для поддержки мультимедиа- и видеоприложений. Для обеспечения целостности данных применяется двухуровневое кодирование Рида-Соломона (Reed-Solomon).

AIT

Технология AIT была разработана Sony в ответ на требование индустрии обеспечить поддержку приложений, интенсивно работающих с большими объемами данных. Устройства AIT-1 могут сохранять на одном картридже до 35 GB данных в нативном (несжатом) формате, а AIT-2 — до 50 GB. Среди других эти устройства выделяются также наличием чипа памяти EEPROM (Erasable Electrical Programmable Read-Only Memory), встроенным в картриджи, — Memory-In-Cassette (MIC). Это не только позволяет уменьшить количество ошибок, но и существенно повышает производительность системы. MIC подсоединяется к устройству с помощью специального разъема при установке картриджа, так что данные читаются прямо из чипа. В 16 Kb памяти находится информация, которая при использовании других технологий обычно хранится 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 указанного файла, отпадает необходимость считывать маркеры ID во время движения ленты. При достижении зоны расположения файла лента замедляет движение и выполняется считывание ID для установления точной позиции. В результате поиск ускоряется примерно в 150 раз по сравнению со скоростью чтения/записи. ATI использует разработанную IBM технологию сжатия данных Advanced Lossless Data Compression (ALDC), которая раньше была доступна только для мэйнфреймов. Она позволяет выполнять сжатие с коэффициентом 2,6:1 против обычного 2:1 для других технологий.

В 1996 г. компания Sony предложила формат ATI-2, который, оставаясь полностью обратно совместимым с ATI-1, удваивал емкость хранимых данных, доводя ее до 50 GB 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 позволило на 50% повысить плотность записи. Емкость MIC была увеличена до 64 Kb. Дополнительная информация позволила сократить среднее время доступа до 20 с по сравнению со 100 с для обычных технологий.

Линейная запись

QIC

В основе всех устройств линейной записи лежит стандарт QIC (Quarter-Inch-tape Cartridge — картридж с четвертьдюймовой лентой), который предложила в 1972 г. компания 3М для хранения информации в системах телекоммуникаций и сбора данных. Со временем относительно недорогие QIC-устройства были взяты на вооружение компьютерной промышленностью, особенно для автономных ПК. По своему устройству QIC-картридж очень похож на аудиокассету. Две бобины — подающая и приемная — приводятся в движение встроенными пасиками. Для протяжки ленты используются тон-вал и прижимной ролик. Данные записываются в виде параллельных треков вдоль ленты, так что их число определяет в основном емкость носителя. Кодирование выполняется либо методом MFM (Modified Frequency Modulation), либо RLL (Run Length Limited) — они аналогичны тем, которые используются при записи данных на жесткий диск.

При начале копирования информация из FAT соответствующие файлы загружаются в буфер памяти, располагающийся в системной RAM, а затем оба набора данных передаются в контроллер стримера, при этом каждый файл предваряется заголовком, содержащим необходимую информацию из каталога. Если коррекция ошибок выполняется аппаратно, то код ЕСС добавляется к данным контроллером, в противном случае это делает программа копирования перед записью данных в контроллер.

Рис. 3

Как и в бытовых магнитофонах, головки чтения/записи располагаются линейно, при этом по обе стороны головки чтения находится по одной головке записи (рис. 3). Это позволяет верифицировать данные при движении ленты в любом направлении. При обнаружении ошибки сегмент перезаписывается на следующем участке ленты. В режиме записи лента протягивается со скоростью 100—125 ips мимо неподвижных головок чтения/записи.

В стандартных устройствах за один проход обычно записывается один трек. Добавление дополнительных головок может значительно улучшить производительность. В особых случаях стек может содержать до 36 головок чтения/записи. При достижении конца ленты устройство перематывает ее на начало и запись продолжается на внешних треках. Каждый трек состоит из сегментов, содержащих по 32 блока данных объемом 512 байт или 1024 байт. В восемь из 32 блоков записываются коды коррекции ошибок, а в каждый блок — избыточный циклический код (CRC).

Существует целый набор форматов QIC, отличающихся как количеством записываемых треков, так и шириной ленты (ширина QIC-wide 0,315 дюйма). Сейчас их насчитывается около 120, и далеко не все они совместимы. Первые модели устройств могли записывать от 20 до 50 треков. С течением времени стандарт подвергся эволюции — появились технологии линейной записи с новыми именами. Так, спецификация Travan стала попыткой индустрии, в особенности конгломерата 3М, обеспечить наряду с повышенной емкостью обратную совместимость с более ранними форматами QIC. В настоящее время существуют форматы TR-1, TR-2, TR-3, TR-4 и TR-5, отличающиеся по целому ряду параметров, в частности по количеству треков (от 36 до 108), плотности записи, объему хранимой информации, скорости записи и степенью совместимости с форматами QIC. Правда, производство и продажа стримеров стандарта QIC сегодня практически прекращены, но технология линейной записи продолжает совершенствоваться.

Компания Tandberg предложила технологию Single-channel Linear Recording (SLR), представляющую собой дальнейшее развитие технологии QIC. Надо отметить, что эта компания занимается разработками в области технологии линейной записи с начала 80-х годов. Устройства SLR стали появляться на рынке с 1996 г. Основными особенностями стримеров от Tandberg являются тонкопленочные магниторезистивные многоканальные головки (Multi-channel Thin-Film Magneto Resistive head) и оригинальная система отслеживания их положения (servo tracking system). Компания одной из первых на рынке применила разработанную Overland Data усовершенствованную систему кодирования данных VR2 (Variable Rate Randomizer), базирующуюся на PRML. Это позволило увеличить как нативную емкость картриджа (до 50 GB), так и скорость обмена данными (50 GB записываются чуть больше трех часов). Точность позиционирования, обеспечиваемая системой отслеживания, существенно повышает плотность треков, количество которых может доходить до 192 (SLR100).

В целом, устройства с линейной записью считаются более надежными, чем использующие helical scan, но они и более дорогие.

Серпантинная запись

Отличие этого метода от классического линейного состоит в том, что операции чтения/записи выполняются как при прямом, так и при обратном движении ленты.

DLT

История спецификации Digital Linear Tape (DLT), или цифровой линейной записи, начинается с середины 80-х годов, когда компания Digital Equipment Corporation, более известная как DEC, разрабатывала новые технологии, основанные на стандартной полудюймовой ленте, для своих знаменитых MicroVAX. Первая коммерческая система появилась в 1989 г., а в 1994 г. права на технологию были приобретены компанией Quantum.

Рис. 4

Итак, устройства DLT используют полудюймовую магнитную ленту, самую широкую из применяемых, и записывают данные по всей ее длине параллельными треками, которые группируются в пары. Когда лента достигает конца, головки устанавливаются на новую позицию и данные записываются в противоположном направлении. Процесс продолжается до тех пор, пока лента не будет заполнена. Современные устройства могут разместить на ней 128 или 208 треков. При записи используется техника Symmetric Phase Recording (SPR), с помощью которой данные на смежных треках размещаются под альтернативными углами (рис. 4). Это позволило довести расстояние между треками до 1,75 мила (1 мил = 0,001 дюйма) по сравнению с 3 милами до использования SPR. Емкость картриджа в современных устройствах достигает 35 GB несжатых данных.

Устройства DLT имеют уникальную систему протяжки ленты, минимизирующую контакт ленты с направляющими роликами (рис. 5). В стримерах применяется двухмоторная система, управляемая компьютером, что позволяет с высокой точностью выполнять ускорения/замедления хода ленты и выдерживать необходимую скорость при операциях чтения/записи. Современные устройства могут работать одновременно с двумя каналами, что удваивает эффективную скорость обмена данными.

Рис. 5

Технология DLT предоставляет весьма надежный механизм обеспечения целостности данных. Заказная микросхема (ASIC) формирует код коррекции ошибок (ECC) по Риду-Соломону для каждых 64 KB пользовательских данных, 64-битовый избыточный циклический код (CRC) и 16-битовый код обнаружения ошибок (EDC).

В 1998 г. компания Quantum анонсировала технологию Super DLTtape, которая в будущем должна обеспечить объем от 100 GB до 1 TB несжатых данных на одном картридже и скорость записи от 10 до 100 MBps. Это станет реальным благодаря использованию целого ряда технологических новшеств, в частности:

  • управляемой лазером магнитной записи (Laser Guided Magnetic Recording — LGMR);
  • технологии Pivoting Optical Servo (POS), которая объединяет магнитную запись высокой плотности с лазерной системой позиционирования головок;
  • кластера магниторезистивных головок (Magneto Resistive Cluster heads — MRC);
  • статистического критерия "частичный ответ, максимальное правдоподобие" (Partial Response Maximum Likelihood — PRML);
  • улучшенного магнитного носителя.

Эта технология призвана удовлетворить требования систем резервирования следующего поколения.

LTO

Linear Tape Open, или открытый стандарт линейной записи, был разработан и предложен компаниями Hewlett-Packard, IBM и Seagate как альтернатива патентованной спецификации DLT. Технология LTO объединяет преимущества линейной двунаправленной многоканальной (до 16 каналов) записи с улучшенными механизмами позиционирования головок, сжатия данных и расположения треков для достижения максимальных значений емкости, производительности и надежности.

В настоящее время существуют два формата, базирующихся на технологии LTO. Формат Accellis разработан для приложений, которым требуется исключительно быстрый доступ к данным. Предполагается, что устройства, использующие этот формат, обеспечат среднее время доступа порядка 10 с и будут иметь емкость 25 GB несжатых данных. В дальнейшем емкость картриджа планируется увеличить до 200 GB, а среднюю скорость доступа довести до 7 с.

Формат Ultrium предназначен для пользователей, которым необходимо резервировать большие объемы данных. Ожидается, что устройства начального уровня будут иметь емкость 100 GB несжатых данных, а в перспективе — до 800 GB.

Такая картина наблюдается на рынке устройств резервирования на магнитной ленте. Однако мало иметь систему резервирования. Нужен план. Поэтому рассмотрим вкратце основные принципы резервного копирования.

Прежде всего необходимо соблюдать три золотых правила:

  • не используйте один картридж два дня подряд;
  • храните хотя бы одну полную копию данных вне офиса;
  • выполняйте резервирование каждый день, поскольку копия актуальна лишь короткое время.

Что касается механизма ротации копий, то наиболее надежна схема, называемая GFS (Grandfather—Father—Son), которая состоит в иерархическом разделении операций резервного копирования на три уровня:

  • ежедневное копирование (Son) — как правило, это копии наиболее важных и часто изменяемых файлов. Такие ленты перезаписываются с периодом в одну неделю;
  • еженедельное (Father) — выполняется один раз в неделю и включает полное копирование всех файлов. Периодичность перезаписи этих копий — один месяц;
  • ежемесячное (Grandfather) — полное копирование, выполняемое раз в месяц. Эти данные можно обновлять раз в год, раз в полгода или раз в три месяца.

Заметим в заключение, что к резервному копированию нельзя относиться как к надоедливой мухе. Оно является необходимым атрибутом компьютерной культуры.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: