Обзор устройств и технологий хранения данных на магнитной ленте

Бурный рост критически важных и ответственных приложений с одной стороны и увеличение объемов данных в сегодняшних условиях требуют особого, более внимательного отношения к системам хранения данных, так как информация имеет свою (и порой достаточно высокую) цену и любая потеря данных может обернуться ощутимыми финансовыми потерями. Вот почему подсистемы хранения данных приобретают все большее и большее значение.

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.

Существует еще один класс устройств - это твердотельные диски. Используются для организации буферов данных. Но из-за высокой стоимости их применение ограничено.

В данной статье пойдет речь технологиях и системах хранения данных на магнитных лентах. Традиционно магнитные ленты были и остаются наименее дорогим и достаточно надежным (сохранность записи более 30 лет) носителем для организации архивов и резервного копирования данных.

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 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.

Основные изготовители устройств с линейной записью - это Quantum Corp. и Tandberg Data ASA. Оба имени достаточно известны, Quantum занимается производством жестких дисков и приводов магнитных лент DLT. Tandberg Data ASA выпускает устройства DLT, а также имеет фирменную технологию SLR на базе четвертьдюймовых лент (QIC). Технические характеристики приводов DLT и SLR перечислены в сводной таблице.

Особенности DLT

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.

Представленные на рынке устройства DLT4000, 7000, 8000 принципиальных отличий друг от друга не имеют, все отличия, скорее, количественные. Устройства же SuperDLT принадлежат уже к новому поколению, где используется другая, более совершенная лента, другие магнитные гоовки (CMR, кластер магниторезистивных головок), оптическая система позиционирования дорожек и др. Правда, в устройствах SDLT не удалось получить совместимость со старыми картриджами DLT. Объясняется это тем, что новые головки не могут работать со старыми плотностями записи и старыми плотностями расположения дорожек. Поэтому для обеспечения совместимости требуется установка дополнительного блока магнитных головок, что приведет к существенному изменению и усложнению конструкции лентопротяжного механизма.

Еще следует упомянуть о поставляемом Tandberg Data приводе DLT1. Это устройство по емкости соответствует DLT8000, но производительность в два раза меньше и совместимо оно по чтению только с DLT4000. Однако, это компенсируется чрезвычайно низкой ценой, соизмеримой с устройствами более низкого класса (DDS-4).

Особенности SLR

Приводы магнитных лент SLR производятся Tandberg Data ASA и имеют следующие особенности.

1. Используется лета шириной четверть дюйма. Полностью закрытый картридж с массивным металлическим основанием имеет двухкатушечную конструкцию (приемный и подающий барабаны находятся в 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. Головка. 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, там где традиционно господствуют устройства DDS.

Особенно в этом отношении интересно новое устройство SLR7 от Tandberg Data. Техические данные приведены в общей таблице, а стоимость этого устройства ниже, чем DDS4.

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 дюцма. 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 кмкость порядка 800 GB.

Поставки Ultrium первого поколения начались в 2001 году. Это устройство доступно в настоящее время по крайней мере от IBM и HP, автоматизированные библиотеки доступны от Exabute, HP и др. Картриджи Ultrium доступны также от HP и Exabyte.

Опыт пользования устройствами Ultrium пока еще не накоплен, отзывы пользователей в Европе пока еще противоречивы.

Другой метод магнитной записи - это наклонно-строчная магнитная запись. В середине 50-х годов фирмой Ampex был начат выпуск первых (естественно, аналоговых) видеомагитофонов с наклонно-сторочной записью. Суть метода состоит в том, что лента протягивается с небольшой скоростью (несколько сантиметров в секунду) мимо вращающегося в высокой скоростью цилиндра, на котором закреплены головки чтения-записи. За счет вращения блока головок получается высокая относительная скорость между лентой и головкой. 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.

Конечно, помимо преимуществ у наклонно-строчной записи есть и недостатки. Это, прежде всего, ожидаемый более быстрый износ как ленты, так и головок. На самом деле, этого не происходит, так как при вращении барабана между рабочей поверхностью ленты и головкой создается некоторая воздушная прослойка, существенно снижающая трение ленты о головку чтения/записи. С другой стороны, современные магнитные ленты с металлонапылением имеют специальное углеродное покрытие, обладающее высокой прочностью и практически нулевым коэффициентом трения. Кроме того, на лентах AME есть еще поверхностный слой сухой смазки. Поэтому, к примеру, механизмы Mammoth, Mammoth-2 не уступают и даже несколько превосходят по долговечности механизмы DLT.

В настоящее время на рынке представлено 2 основных класса устройств, где реализована технология наклонно-строчной записи. Это устройства, использующие картриджи с лентой шириной 4мм 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 петабайт.

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.^*

Лентопротяжный механизм. У Sony в основе лежит ЛПМ, аналогичный используемым в камкодерах, где линейное движение осуществляется при помощи узла тонвал-прижимной ролик. Это очень ответственный узел, в результате малейшего отклонение положения тонвала от нормы лента начинает смещаться вверх или вниз, что, как правило, приводит к механическому повреждению носителя. В ЛПМ, разработанном и используемом Exabyte такого узла нет и линейное движение ленты осуществляется только за счет приемного и подающего барабана и несколько упрощен тракт движения ленты. В результате увеличилась надежность механизма, уменьшился износ ленты и появилась возможность использовать более тонкие и "скользкие" улучшенные металонапыленные ленты AME.

• Магнитные носители. За счет особенностей конструкции ЛПМ Exabyte используются более совершенные магнитные ленты, чем в других устройствах.
• Производительность (скорость чтения-записи). Обусловлено конструкцией блока вращающихся головок. На сегодняшний день устройство Mammoth-2 превосходит все остальные сравниваемые накопители.
• Фирменные особенности. Приводы Exabyte имеют патентованную систему автоматической чистки тракта движения ленты SmartClean, что делает ненужным применение чистящих картриджей, а у Sony кроме автоматической системы очистки головок (специальный чистящий картридж тоже не нужен) есть фирменная технология (MIC, Memory In Cassette) ускоренного чтения каталогов картриджей за счет размещения твердотельной памяти прямо в картридже. Считывание этой памяти происходит практически мгновенно. Благодаря этому значительно снижается время доступа к данным на картридже. Если по каким либо причинам эта память выходит из строя (статические заряды, к примеру), то считывание каталога происходит обычным образом.

Теперь, собственно сравнение существующих технологий. Само 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

Максимальную линейную плотность записи имеют устройства Super DLT, DDS и Travan. У DLT и Mammoth есть некоторый запас для развития.

^* Поставки Super DLT первого поколения OEM и в дистрибьюторские каналы начались в начале 2001 года.

Эффективность формата. Это соотношение между общим числом бит, записанных на ленту и числом битов данных. Две эти величины не совпадают, так как на ленту помимо самих данных записываются корректирующие коды, биты четности и другая служебная информация. Измеряется в процентах. Оптимальной считается эффективность 75%.

DLT и Travan обладают оптимальной и практически предельной эффективностью формата, 8-мм и 4-мм устройства еще имеют некоторый запас для развития. Объясняется это тем, что наклонно-строчная запись более молодая и не до конца оптимизирована для записи цифровых данных, в то время как технология линейной записи прошла несколько более длинный путь развития и лучше оптимизирована для цифровых данных.

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.

Привод магнитных лент Mammoth-2 является наиболее быстрым в своем классе (и дорогим) среди всех представленных на рынке устройств, да и емкость картриджа Mammoth-2 на сегодняшний день выше, чем у любого другого устройства в этом классе. Правда, по емкости устройство Mammoth-2 уступает SDLT и Ultrium, но эти два устройства принадлежат к следующему поколению и сравнивать их с Mammoth-2 было бы не совсем корректно.

Бесплатно ничего не бывает. Поэтому за все эти достоинства приходится платить совместимостью. Устройства нового поколения обычно не совместимы со старым. Например, при переходе с Eliant 820 на Mammoth старые картриджи записывать нельзя, это обусловлено тем, что в для Mammoth используется магнитная лента нового поколения AME c другими параметрами записи. Кроме того, обмен картриджами даже между похожими устройствами (к примеру, между Mammoth, AIT или VXA) тоже невозможен из за различия форматов. С SDLT и Ultrium ситуация точно такая же.

Если говорить о более дешевых стандартизованных приводах DDS, то перенос картриджей даже одного класса (DDS -2, -3, -4) тоже не всегда возможен. Если говорить о долговременности хранения, то на первом месте будут устройства, работающие с наиболее совершенными на сегодняшний день лентами AME. Если прибавить к этому скорость и емкость, то безусловно чемпионом будет привод магнитных лент Mammoth-2. Превосходство Mammoth-2 над всеми остальными устройствами подтверждено многочисленными тестами, проводящимися разными независимыми экспертами. По своим техническим данным приводы магнитных лент уступают только SuperDLT и LTO Ultrium, но Mammoth-2 поставляется по дистрибьюторским каналам с начала 2000 года (в США поставки начались несколько раньше), а продажи SuperDLT по дистрибьюторским каналам начались более чем а год позже.

С точки зрения цен - дешевле всего приводы DDS и новые устройства SLR 7 от Tandberg Data. Они используются, в основном, в небольших рабочих станциях и серверах начального уровня.

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