Ленточные накопители: «спаси и сохрани»

Сергей Самохин

По-видимому, лента в вычислительной технике остается наиболее давно применяемым типом магнитных носителей из ныне существующих. Как и остальные виды носителей, она прошла длинный путь от громадных бобин шириной в 1 дюйм (25,4 мм) до миниатюрных кассет. При этом за счет совершенствования технологии объем хранимых данных не снижался, а возрастал.

В чем отличие ленты от других типов магнитных носителей — барабанов (которые ныне уже не применяются) и дисков? Основных отличий всего два. Первое, обусловленное геометрией, заключается в невозможности обеспечения произвольного (прямого) доступа к информации, так как для чтения определенного файла ленту вначале необходимо перемотать на нужное место, в то время как головки чтения/записи дисковых накопителей способны практически мгновенно спозиционироваться над нужной областью с данными. Второе отличие — лента позволяет осуществлять запись с повышенной плотностью. Она достигается за счет того, что площадь поверхности магнитного слоя у ленты значительно выше, чем у остальных типов носителей. Она ограничена только длиной ленты, которая, в свою очередь, лимитируется в основном ее толщиной, определяющей механическую прочность ленты. Кроме того, запись с высокой плотностью проще вести при непосредственном контакте головки записи/воспроизведения с магнитным слоем. Однако из-за механического износа количество циклов чтения/записи на ленте ограничено, а ресурс головок ниже, чем у многих дисковых накопителей.

Подобная совокупность достоинств и недостатков определила область применения накопителей на магнитной ленте (вернее, на кассетах с лентой). В настоящее время они применяются почти исключительно в системах резервного копирования, где их основной недостаток (отсутствие произвольного доступа) не имеет столь большого значения, а главное достоинство (высокая плотность записи) играет наиважнейшую роль.

Подсистема резервного копирования является безусловно необходимой частью любой информационной системы, будь то домашний компьютер или корпоративная сеть. Это единственная надежная подсистема, которая может обеспечить сохранность данных при ошибках, неисправностях или стихийных бедствиях. Известны случаи, когда деятельность корпоративной информационной системы (развернутой по временной схеме, но с полным объемом информации) восстанавливалась менее чем через 48 часов после стихийного бедствия.

Общей тенденцией является постоянное увеличение емкости носителей, обусловленное как появлением усовершенствованных типов картриджей, так и повышением плотности записи для уже существующих. Большим резервом увеличения емкости является сжатие данных, повышающее объем сохраняемой информации примерно в два раза. Поскольку запись идет с высокой скоростью, сжатие производится внутри устройства, а не при посредстве процессора того компьютера, к которому подсоединен стример (устройство для чтения/записи, название происходит от английского слова «stream» — «поток»). Способность ленточного накопителя к сжатию указывается в характеристиках как наличие аппаратного сжатия. Заметим также, что при маркировке картриджей фирмы-изготовители часто указывают емкость со сжатием: действительная емкость для неупакованных данных может быть вдвое меньше.

Какие же возможности резервного копирования предлагают современные технологии? Существует множество решений; в каждом конкретном случае состав и конфигурация подсистемы резервного копирования определяется предъявляемыми требованиями. В частности, от требуемого объема хранимой информации зависит тип применяемого картриджа (кассеты).

Кассеты для стримеров различаются не только по размерам и очертаниям, но и по принципу действия. Двухбобинные кассеты по принципу работы аналогичны аудио- и видеокассетам: внутри пластикового корпуса размещены подающая и приемная бобины, с первой лента при записи или воспроизведении сматывается, на вторую наматывается. Эти картриджи имеют вид вытянутого параллелепипеда. В однобобинных картриджах приемная бобина отсутствует (она является элементом механизма стримера). После установки картриджа в стример специальный механизм вытягивает ленту за имеющуюся на ее начале пластиковую зацепку, заправляет в лентопротяжный механизм и закрепляет зацепку на приемной катушке. Однобобинные картриджи выглядят в плане квадратными или почти квадратными. Перед извлечением из стримера однобобинные кассеты по понятной причине всегда должны перематываться на начало, что для двухбобинных вовсе не обязательно.

Способов записи меньше, чем форматов кассет; фактически их всего два — с наклонными дорожками и линейно-серпантинный. При первом способе записи головки установлены на вращающемся барабане, который охватывает лента. За счет вращения барабана увеличивается скорость головки по отношению к ленте, что позволяет повысить скорость записи и воспроизведения. Кстати, такой же способ записи применяется в видеомагнитофонах. Основной недостаток записи с наклонными дорожками — повышенный износ ленты и механизма. Второй способ проще: головка неподвижна относительно ленты. Серпантинным он называется потому, что запись производится на одну из множества параллельных дорожек до достижения начала или конца ленты, после чего продолжается на другой, соседней, в противоположную сторону. Таким образом появляется «серпантин». Такая геометрия нужна для достижения высокой скорости движения ленты относительно головки, необходимой для высокой скорости записи.

Одним из старейших типов картриджей является Travan (фирменная торговая марка корпорации 3M). Часто этот картридж называют QIC, что является сокращением от Quarter-Inch Cartridge — четвертьдюймовый картридж. Конструкция картриджа QIC двухбобинная, способ записи — линейный. Его объем по нынешним понятиям невелик и составляет обычно до 4 Гбайт без сжатия. Из-за небольшой емкости и невысокой скорости чтения/записи стримеры с картриджами QIC обычно применяются для сохранения данных на отдельных компьютерах, не подключенных к сети. Этим же обусловливается и то, что они обычно подсоединяются при помощи интерфейса IDE или FDC. Наряду с этим выпускаются устройства и с интерфейсом SCSI.

В табл. 1 приведены некоторые типы стримеров, использующих картриджи Travan NS8, производимые фирмой Imation (http://www.imation.com, бывшее подразделение 3M, занимавшееся магнитными носителями и фотографическими материалами). Эти картриджи (и более емкие NS20) позиционируются для применения в сетях начального уровня и на рабочих станциях. Известным производителем стримеров и картриджей формата QIC является также фирма Hewlett-Packard.

Технология, о которой обычно говорят как о «технологии 8-миллиметровой ленты», основана на использовании кассет Video8 (прототип «Арвида!»). Поддерживается в основном Sony и постепенно теряет былую популярность из-за более низкой, чем у других технологий надежности. Новый формат при том же конструктиве называется AIT.

Большей емкостью обладают картриджи DAT (DDS), 2, 4 или 12 Гбайт без сжатия, в зависимости от модели картриджа и стримера. Подавляющее большинство стримеров с картриджами DAT подключается при помощи интерфейса SCSI; скорость обмена при этом может колебаться от 200 Кбайт/с до 1 Мбайт/с. Сочетая умеренную стоимость, высокую емкость и надежность, картриджи DAT на сегодняшний день являются, пожалуй, основным средством резервного копирования в «продвинутых» сетях. На базе стримеров для этих картриджей производятся также автоматические библиотекари (Autoloader), то есть те же стримеры, но с устройством для автоматической смены картриджей. Количество картриджей в «библиотекарях» различно — от 6 до 48, количество стримеров — один, два или четыре. При наличии в библиотекаре двух стримеров скорость обмена может достигать 4 Мбайт/с (при записи со сжатием).

Картриджи DLT (Digital Linear Tape, цифровые ленточные) первоначально были разработаны корпорацией Digital Equipment (DEC) для применения совместно с мини-ЭВМ VAX. DLT — это первый в истории однобобинный картридж. Данная технология характеризуется высокой производительностью и высокой стоимостью. Она опередила свое время, и поэтому объем выпуска картриджей DLT сокращался, пройдя пик своего падения в 1993 году. Начиная с этого времени объем их производства увеличивается, отражая тот факт, что картриджи с лентой 8 мм перестали удовлетворять требованиям, предъявляемым большими серверами. Картриджи DLT бывают нескольких разновидностей. Их емкость без сжатия составляет от 15 до 35 Гбайт. Типичная скорость обмена стримеров колеблется в пределах от 1,5 до 5 Мбайт/с. В стримерах DLT используются неподвижные головки (во всех остальных — вращающиеся), что обеспечивает меньший износ и более высокую надежность. Понятно, что за надежность и емкость приходится платить. На базе стримеров DLT также выпускаются автоматические библиотекари.

Норвежская фирма Tandberg Data (http://www.tandberg.com) выпускает целую гамму устройств, основанных на собственной технологии SLR (Scalable Linear Recording). Ее фирменные картриджи имеют емкость без сжатия от 525 Мбайт (SLR1) до 25 Гбайт (SLR 50). В четвертом квартале этого года ожидается выход картриджей SLR 100 емкостью 50 Гбайт. В данной технологии, как и в DLT, используются неподвижные головки, что способствует снижению времени смены картриджей в библиотекарях, снижает износ и повышает надежность. Выпускаемые фирмой стримеры и библиотекари имеют диапазон потенциальной емкости хранения от 525 Мбайт до 2 Тбайт. Скорость обмена составляет от 200 Кбайт/с до 8 Мбайт/с. Технология SLR завоевывает все большую популярность: в частности, компании Acer, Bull, Compaq, Fujitsu, IBM, Siemens и Sun являются OEM-партнерами Tandberg Data. Картриджи SLR выпускаются также фирмами Imation (3M), Verbatim, Sony и Maxell.

Такое изобилие технологий усложняет задачу выбора оптимального решения. Потому, как это ни парадоксально, была предложена еще одна. Hewlett-Packard, IBM и Seagate совместно предложили новый открытый стандарт, который потенциально позволит использовать оборудование и носители производства различных фирм без опасений несовместимости. Стандарт называется LTO (Linear Tape-Open, линейная открытая лента) и состоит из двух разделов, называемых Ultrium и Accelis.

Формат Ultrium оптимизирован для высокой емкости, скорости чтения/записи и надежности. В нем используется однобобинный картридж. Фактически этот формат является развитием технологии DLT. Другой формат, Accelis, оптимизирован для быстрого доступа к данным и предназначен, скорее, не для резервного копирования, а для использования в иерархических файловых системах, в которых скорость доступа имеет важную роль. Картридж этого формата двухбобинный, а сам он представляет собой развитие технологии Magstar, разработанной IBM (технология принадлежит только IBM и поэтому выше не упоминалась).

Оба формата объединяет применение линейного серпантинного способа записи, но LTO является наилучшей его реализацией. Во-первых, запись производится параллельно на восьми дорожках, а в дальнейшем планируется переход на 16-дорожечную запись, тогда как большинство технологий (за исключением Magstar от IBM) предусматривает запись не более чем на четыре дорожки одновременно. Учитывая, что при прочих равных скорость чтения/записи пропорциональна числу одновременно считываемых или записываемых дорожек, это является существенным преимуществом.

Во-вторых, так как при большом количестве параллельных узких дорожек повышается риск «наезда»дорожек друг на друга, в технологии LTO используются служебные дорожки, содержащие сервоинформацию, что позволяет точно позиционировать головку относительно ленты. Принятые меры позволили обеспечить очень высокую плотность записи — 100 Мбит/кв.дюйм.

Для повышения надежности используется запись с избыточностью, которая позволяет восстановить данные при полной потере содержимого одной из восьми дорожек. Используется также динамическая перезапись плохих блоков, а при потере информации на серводорожке запись откладывается до тех пор, пока сигнал не восстановится, что позволяет обходить дефектные участки ленты.

Еще одна новинка, LTO-CM, представляет собой энергонезависимую память, встроенную в картридж. В нее записывается информация о содержимом ленты, что позволяет находить нужные записи и свободное место сразу же, без считывания каталогов. В эту память можно также записывать пользовательскую информацию, такую как название ленты, количество циклов записи и т.д. Для интерфейса с памятью LTO-CM используется не разъем, а бесконтактное соединение на радиочастоте. Также применен новый, двухрежимный алгоритм сжатия. В нормальном режиме, как обычно, производится сжатие данных. В другом, который работает с «несжимаемыми» данными, предотвращается увеличение объема, обычно сопровождающее повторное сжатие.

Теперь — о различиях. В однобобинном Ultrium используется магнитная лента шириной в половину дюйма (12,7 мм). На ленте размещаются 384 информационные дорожки, сгруппированные в четыре зоны по 96 дорожек в каждой. В каждой зоне имеются собственные дорожки с сервоинформацией. Такое разбиение позволяет уменьшить последствия от изменений геометрии ленты (вытягивание и т.п.) в процессе эксплуатации. Запись производится начиная от внутренних зон и заканчивая внешними. Для удешевления может использоваться головка с четырьмя (вместо восьми) информационными дорожками: при этом скорость обмена падает вдвое, а все остальные параметры сохраняются без изменения. Предусматривается постепенное усовершенствование технологии, заключающееся прежде всего в увеличении емкости и скорости обмена. Значения некоторых параметров, которые уже достигнуты (поколение 1) и которых разработчики рассчитывают достигнуть, приведены в табл. 2. При этом геометрические размеры картриджа меняться не будут.

Картридж формата Accelis двухбобинный, а вся технология ориентирована на достижение прежде всего повышенной скорости доступа, которой принесена в жертву емкость. В картридже размещается 216 метров магнитной ленты шириной 8 мм. В результате размещения внутри картриджа двух бобин и применения ленты меньшей ширины емкость составляет 25 Мбайт. Благодаря двухбобинной конструкции картридж может быть извлечен из стримера в любой момент, что снижает время замены в библиотекаре. Среднее время поиска — менее 10 с. В связи с уменьшением ширины ленты пропорционально уменьшилось до 256 количество информационных дорожек. Количество зон — не четыре, а две. Как и в формате Ultrium, головка может иметь восемь или четыре информационные дорожки. Уникальной особенностью формата Accelis является возможность перемотки ленты на заранее заданную позицию устройством, способным считывать информацию из LTO-CM, но не обладающим способностью записи/воспроизведения. Значения некоторых параметров, достигнутые на сегодня (поколение 1) и ожидаемые в будущем, приведены в табл. 3.

Более подробную информацию о технологии LTO можно найти по адресу http://www.lto-technology.com/, а также на сайтах фирм — учредителей стандарта: http://www.hp.com, http://www.ibm.com и http://www.seagate.com.

Технология LTO не является открытой: для работы с нею всем, кроме фирм-основателей, требуется приобрести лицензию. Такую лицензию уже успели получить Fujitsu, Quantegy, EMTEC, Imation и Verbatim. Высокие параметры, авторитет разработчиков и поддержка отрасли обещают LTO хорошее будущее. Осталось только дождаться выпуска серии и сравнить цены.

 КомпьютерПресс 8'1999