Ленточные накопители для резервирования

Многие компании, предлагающие устройства сменной памяти, рекламируют, что они незаменимы для резервирования жестких дисков. На практике рынок, который они пытаются захватить, находится вне их возможностей. Традиционная технология защитного резервирования - лента - остается наилучшим выбором в силу двух веских причин - емкость и стоимость. Чем более неудобна реализация режима резервирования, тем меньше вероятность выбора ее пользователями. При средней емкости современных жестких дисков в десятки гигабайтов лента остается единственным носителем, позволяющим зарезервировать жесткий диск без смены носителя. Более того, при сравнительной дешевизне сменного носителя общие расходы оказываются в десятки раз больше стоимости ленты.

В прошлом технология ленты с геликоидальным сканированием обеспечивала приемлемое решение проблемы резервирования. Адаптированная от домашних 8 мм видеолент в середине 80-х годов прошлого века, технология 8 мм ленты с геликоидальным сканированием благодаря высокой емкости вполне подходит для систем среднего и низкого класса. Для систем низкого класса с меньшими требованиями к резервированию пригодны 4 мм лента с геликоидальным сканированием, предназначенная для цифрового звука (Digital Audio Tape - DAT) и линейная лента с картриджем четверть-дюймовой ленты (Quarter-Inch Cartridge - QIC).

По мере хранения в автоматизированных системах все больших объемов важной информации требования к электронным средствам хранения резко возросли. Обработка изображений, мультимедиа и другие новые приложения стимулируют этот рост, требуя лучших и экономичных решений, обеспечивающих все более высокую емкость, повышенную производительность и лучшую целостность данных. Это привело к разработке нового поколения ленточных накопителей, например DAT, и новых форматов 8 мм лент, например Mammoth, а также приложений класса "роботов" для управления ленточной памятью, способных работать без вмешательства оператора и с высоким уровнем надежности.

Картридж четверть-дюймовой ленты

Картридж четверть-дюймовой ленты (Quarter-Inch-tape Cartridge - QIC) разработан компанией 3М в 1972 г. как средство хранения информации в системах телекоммуникации и сбора данных. Со временем сравнительно дешевый накопитель QIC стал приемлемой системой хранения данных, особенно в автономных РС.

Картриджи QIC похожи на кассеты аудиоленты с двумя катушками внутри - одна с лентой, а вторая для приема ленты. Катушки приводятся в действие ремнем, встроенным в картридж. Металлический валик, называемый ведущим роликом, вращается двигателем накопителя и протягивает ленту между ведущим роликом и резиновым цилиндром.

Формат QIC использует линейную, или продольную, запись, в которой данные записываются на параллельные дорожки, расположенные вдоль длины ленты. Число дорожек определяет емкость ленты. Имеются два типа картриджей - картридж DC600 и миникартридж DC2000, который более популярен. Применяются такие же способы кодирования модифицированной частотной модуляции (Modified Frequency Modulation - MFM) или с ограниченной длиной отрезка (Run Length Limited - RLL), как в накопителях на жестких дисках.

Когда производится резервирование данных, информация о каталоге из таблицы размещения файлов загружается в буфер системного RAM вместе с соответствующими файлами. Оба набора данных передаются в контроллер ленточного накопителя и перед каждым файлом помещается заголовок, содержащий информацию о каталоге. Если в контроллере предусмотрено исправление ошибок, код исправления ошибок (Error Correction Code - ECC) добавляется к данным в контроллере. В противном случае программа добавляет код до передачи данных в контроллер.

Контроллер имеет свой буфер. Когда резервируемые данные, содержащие код ECC, находятся в этом буфере, программа резервирования может загрузить следующие данные в системную память. Затем контроллер накопителя передает данные в механизм ленточного накопителя.

В ленте QIC используется линейная головка считывания-записи, похожая на головку кассетных магнитофонов. Обычно она состоит из одной головки записи, которую с каждой стороны обрамляют головки считывания. Такая конструкция позволяет ленточному накопителю контролировать только что записанные данные, когда лента движется в любом направлении. Если только что записанные данные проверены головкой считывания, буфер очищается и в него передаются новые данные из системной памяти. При обнаружении ошибок сегмент перезаписывается на следующий участок ленты.

В режиме записи лента движется относительно неподвижных головок со скоростью 100-125 дюйм/с. В стандартных накопителе и формате головка считывает или записывает данные по прямым линиям на одной дорожке одновременно. Для повышения производительности можно добавить дополнительные головки. Для двух головок скорость передачи данных составляет 800 КБ/с, а для четырех ее можно удвоить до 1600 КБ/с. В специальных применениях число головок может доходить до 36. Когда лента достигает своего конца, направление изменяется и головка переходит на следующую внешнюю дорожку. Каждая дорожка образована блоками по 512 или 1024 байтов и в сегменте содержится 32 блока. Восемь из 32 блоков содержат код исправления ошибок, а каждый блок содержит в конце код циклического избыточного контроля (Cyclic Redundancy Check - CRC) для обнаружения ошибок. Обычно специальная дорожка каталога или начало дорожки 0 содержит полный каталог резервируемых файлов.

Стандарты QIC

Емкость картриджей QIC постоянно повышается за счет увеличения длины и ширины ленты. Большой вклад в повышение емкости картриджей QIC внесла компания Sony.

В следующей таблице приведены естественные емкости для наиболее широко используемых форматов; с помощью сжатия данных емкость можно удвоить:

Одним из недостатков формата QIC является несовместимость. Формат страдает от переизбытка разработанных стандартов (сейчас их более 120) и не все накопители QIC совместимы со всеми стандартами. Первые форматы QIC были рассчитаны на 20-50 параллельных дорожек. Многие из новых форматов, например QIC-wide и Travan, обычно используют 72 дорожки и больше; современный максимум составляет 144 дорожки. Стандарт QIC-3220-MC определяет миникартридж Travan с использованием 108 дорожек и естественной емкостью 10 МБ, а картридж Tandberg имеет новый высококачественный формат, называемый многоканальной линейной записью и предлагающий емкость 13 ГБ. Здесь на ленту добавлены серводорожки, которые обеспечивают более высокие плотность записи и скорость ленты, а это увеличивает скорость и приближает скорость передачи данных к скорости жесткого диска. Сервомеханизм точно выравнивает головки на ленте при одновременной записи на нескольких дорожках.

Спецификация Travan, продвигаемая компанией 3M, пытается рационализировать ситуацию, предлагая несколько форматов, обратно совместимых с прежними стандартами QIC.

Стандарты Travan

Картриджи QIC/Travan имеют отличное качество, но долгое время они были дороже носителя DAT. Это особенно заметно в картриджах Travan-4 емкостью 8 ГБ, которые имеют встроенные средства выравнивания и натяжения ленты, что упрощает собственно накопитель.

В конце 1998 г. был разработан формат TR-5, предоставляющий емкость 10 ГБ и 20 ГБ с минимальной скоростью передачи данных (Data Transfer Rate - DTR) 1 МБ/с. Емкость по сравнению с форматом TR-4 повышена путем увеличения числа головок с 72 до 108.

Следующая таблица показывает основные характеристики различных форматов Travan:

Примечание: FTPI (Flux Transitions Per Inch) - число переходов потока (намагниченности) на дюйм.

Формат TR-6 должен появиться в 2001 г. Ожидается, что в него будет введена технология VR² (Variable Rate Randomiser), разработанная компанией Overland Data. По существу, технология VR² будет применяться для введения в ленточные линейные накопители кодирования с максимальным правдоподобием частичного отклика (Partial Response Maximum Likelihood - PRML), используемого в жестких дисках. Ожидается, что это обеспечит повышение емкости и производительности в 1.5-2 раза, не требуя изменений в конструкции тракта ленты, записывающих головок и носителя.

Цифровая аудиолента

Название цифровая аудиолента (Digital Audio Tape - DAT) означает, что первоначально речь шла об аудиоформате качества CD. В 1998 г. компании Sony и Helett-Packard определили стандарт памяти цифровых данных (Digital Data Storage - DDS), трансформирующий формат к такому виду, который можно использовать для хранения компьютерных данных.

Технология DAT подразумевает ленту 4 мм, для записи на которую применяется метод геликоидального сканирования (helical scan). Такая запись применяется в видеомагнитофонах и она медленнее линейной записи. Поэтому DAT обычно используется в ситуациях, где главным требованием является большая емкость.

Лента в системе с геликоидальным сканированием вытягивается из двухкатушечного картриджа и обматывается вокруг цилиндрического барабана, содержащего две головки записи и две головки считывания, которые чередуются. Головки считывания контролируют данные, записываемые головками записи. Цилиндр несколько наклонен относительно ленты и вращается со скорость 2000 об/мин. Лента движется в направлении, противоположном вращению цилиндра, со скоростью менее одного дюйма в секунду, но так как одновременно записываются несколько строк, эффективная скорость ленты составляет 150 дюйм/с. Короткие диагональные дорожки записываются поперек ширины ленты и примерно в восемь раз длиннее ширины. Каждая дорожка содержит 128 КБ данных и код исправления ошибок (Error Correction Code - ECC).

Головка считывания контролирует данные. Если имеются ошибки, данные записываются повторно, а в противном случае буфер контроллера очищается для получения следующего сегмента данных. Вторая головка записи записывает данные под углом в 40 градусов к первой. Даже хотя первая и вторая записи перекрываются, магнитно они кодируются с различными полярностями, поэтому их может считать только одна головка считывания. Перекрестный узор позволяет поместить на ленту больше данных, поэтому системы геликоидального сканирования обеспечивают очень высокую емкость данных. Каталог файлов сохраняется в разделе в конце ленты или в файле на жестком диске.

Как и в линейном варианте, производительность можно значительно повысить, если ввести дополнительные головки считывания-записи, но в устройствах с геликоидальным сканированием это проблематично из-за особой конструкции вращающейся головки. Необходимость добавлять головки только парами затрудняет размещение обмоток внутри одного цилиндра, что ограничивает потенциальную производительность устройств с геликоидальным сканированием. Из-за широкого угла охвата ленты и значительного физического контакта головка и носитель подвержены износу.

При восстановлении зарезервированных данных программа резервирования вначале считывает весь каталог содержания ленты. Затем она перематывает ленту к нужному участку и считывает содержание в буфер контроллера. С помощью кода циклического избыточного контроля (Cyclic Redundance Check - CRC) контроллер проверяет правильность данных. При обнаружении ошибок их можно исправить с помощью кода ECC. При положительной проверке правильности данных содержание буфера передается в системную память и записывается на жесткий диск.

Стандарты DAT

Стандарт	Емкость	Макс. DTR
DDS	2 ГБ	55 КБ/с
DDS-1	2/4 ГБ	0.55/1.1 МБ/с
DDS-2	4/8 ГБ	0.55/1.1 МБ/с
DDS-3	12/24 ГБ	1.1/2.2 МБ/с
DDS-4	20/40 ГБ	2.4/4.8 МБ/с

Ленты DAT выпускаются в двух форматах: DDS и DataDAT. Формат DDS более распространен и представлен несколькими стандартами, все из которых обратно совместимы. Эти стандарты представлены в таблице слева; обозначение DTR (Data Transfer Rate) - скорость передачи данных.

В стандарте DDS-3 используется аналогичная головка геликоидального сканирования, но добавляется технология жесткого диска, называемая максимальным правдоподобием частичного отклика (Partial Response Maximum Likelihood - PRML), которая применяется для выделения данных из помех. Последний формат DDS-4, предложенный компаниями Hewlett-Packard и Sony, одобрен Группой DDS Manufacturers Group в апреле 1998 г. Огромная емкость 16 ГБ, реализованная в этой технологии четвертого поколения, достигнута путем уменьшения шага дорожек с 9.1 мкм до 6.8 мкм и увеличением длины носителя до 150 м. Как и предыдущие спецификации DDS, стандарт DDS-4 обеспечивает обратную совместимость с прежними форматами.

Повышенная емкость DAT по сравнению с QIC/Travan обеспечивается за счет повышения стоимости - накопители DAT примерно вдвое дороже накопителей QIC. Поставка их только с интерфейсом SCSI еще более повышает стоимость системы.

Лента 8 мм

Технология ленты 8 мм первоначально разрабатывалась для видеоиндустрии: передавать высококачественные цветные изображения на ленту для хранения и считывания. Сейчас же лента 8 мм применяется в компьютерной индустрии как надежное средство хранения огромных объемов компьютерных данных. В накопителях с лентой 8 мм, которые аналогичны накопителям DAT, но имеют большую емкость, также используется технология геликоидального сканирования. Недостаток систем с геликоидальным сканированием заключается в сложном тракте движения ленты. Так как лента должна вытягиваться из картриджа и плотно оборачиваться вокруг вращающегося цилиндра с головками считывания и записи, на ленту воздействуют значительные усилия.

Стандарт	Емкость	Интерфейс	Макс. DTR
Стандарт 8 мм	3.5/7 ГБ	SCSI	32 МБ/мин
Стандарт 8 мм	5/10 ГБ	SCSI	60 МБ/мин
Стандарт 8 мм	7/14 ГБ	SCSI	60 МБ/мин
Стандарт 8 мм	7/14 ГБ	SCSI	120 МБ/мин
Mammoth	20/40 ГБ	SCSI	360 МБ/мин
AIT-1	25/50 ГБ	SCSI	360 МБ/мин

Имеются два протокола, использующих разные алгоритмы сжатия и технологии привода, но основная функция их одна и та же. Компания Exabyte спонсирует стандарт ленты 8 мм и Mammoth, а компании Seagate и Sony придерживаются новой технологии ленты 8 мм, которая называется улучшенной интеллектуальной лентой (Advanced Intelligent Tape - AIT). В таблице слева приведены основные характеристики современных стандартов ленты 8 мм; обозначение DTR (Data Transfer Rate) - скорость передачи данных.

Технология Mammoth

Компания Exabyte более десяти лет является лидером в индустрии ленточной памяти. Она первой стала применять ленту 8 мм для резервирования с использованием механизма пишущих камер компании Sony и выпустила более 1.5 млн ленточных накопителей. Такой механизм пригоден для краткосрочных применений, но не подходит для современных серверных применений с высокими требованиями. Предложенная в 1996 г. компанией Exabyte более совершенная и надежная технология Mammoth вполне удовлетворяет требованиям серверных применений.

Технология Mammoth опирается на специальную конструкцию, в которой число подвижных частей на 40% меньше, чем в прежних накопителях на ленте 8 мм, и которая специально разработана для повышения надежности путем уменьшения износа и изменения натяжения. Корпус защищает внутренние компоненты от пыли и загрязнения и отводит тепло в сторону от тракта ленты. Контроллер на базе семи специализированных микросхем производит регулярную калибровку, проверяет наличие ошибок и сообщает об обнаруженных ошибках.

Конструкция без ведущего ролика устраняет ту деталь ленточного накопителя, которая вызывает непредсказуемый износ носителя и подвергает его значительному давлению. Без ведущего ролика повреждение края ленты предотвращается во время репозиционирования. Плавный и мягкий тракт ленты поддерживает улучшенный носитель с металлическим распылением (Advanced Metal Evaporated - AME), представляющий более тонкий и более чувствительный носитель будущего. AME-носитель может значительно повысить емкость картриджа. Антикоррозийные свойства повышают долговечность ленты и уменьшают износ ленты, поэтому срок службы ленты составляет 30 лет. Именно гладкая поверхность является ключевым элементом, который позволил обеспечить срок службы головки в 35 000 часов. Кроме того, специальный сканер оптимизирован на работу с AME-носителем.

Технология Mammoth поддерживает до 64 разделов переменной длины. Раздел (partition) представляет собой сегмент ленты, образующий независимый объект. Данные внутри предопределенного раздела можно стереть и записать в этот раздел новые данные. Такая возможность становится все более ценной по мере повышения емкости носителя, позволяя технологии Mammoth поддерживать мультимедийные серверы и видеосерверы.

Сохранность данных является важнейшим параметром ленточной памяти. Исправление ошибок может значительно повысить надежность устройства. В технологии Mammoth применяется двухуровневый код Рида-Соломона с исправлением ошибок. Ошибки исправляются "на лету" путем перезаписи блоков на той же самой дорожке.

Накопитель Mammoth 2 компании Exabyte, который выпущен в конце 2000 г., установит новые стандарты на скорость и емкость ленточных накопителей. Накопитель обеспечивает естественную скорость передачи данных 720 МБ/мин, а ленты 8 мм AME имеют емкость 60 ГБ. Накопитель работает с интерфейсом Ultra 2/LVD SCSI, имеет огромный буфер емкостью 32 МБ, использует новую многоканальную головку геликоидального сканирования, новейшие алгоритмы исправления ошибок и обеспечивает коэффициент сжатия 2.5:1 с помощью адаптивного сжатия данных без потерь (Adaptive Lossless Data Compression - ALDC). В результате емкость ленты увеличивается до 150 ГБ.

Улучшенная интеллектуальная лента

Улучшенная интеллектуальная лента (Advanced Intelligent Tape - AIT) является первым стандартом ленточных накопителей, ориентированных на рынок серверов средней мощности. Обычно такие серверы поддерживают системы, обслуживающие от 2 до 129 пользователей в коммерческой среде. Накопители AIT призваны поддерживать этот важный сегмент рынка, предоставляя исключительные целостность данных, скорость и емкость. Для достижения этой цели разработаны более прочный и тонкий носитель с лучшим покрытием, новая технология головок и уникальный компонент память в кассете (Memory-In-Cassette - MIC). В результате получились высокопроизводительные ленточные накопители огромной емкости с очень малой частотой ошибок, которые идеально подходят для ленточных библиотек и робототехнических применений, требующихся для резервирования серверов средней мощности.

Аппаратные средства MIC состоят из микросхемы EEPROM емкостью 16 Кб, которая монтируется внутри картриджа данных и имеет 5-контактный разъем со штырьками. Когда картридж вставляется в накопитель, штырьки разъема MIC попадают в отверстия приемного разъема накопителя и данные считываются непосредственно из MIC. Микросхема EEPROM в картридже MIC фактически хранит всю информацию, которая в других технологиях обычно находится в первых сегментах ленты. Эта информация включает в себя индексы для отметки того, где на ленте находятся файлы данных, и дополнительные поля данных, которые позволяют прикладной программе записать информацию, отдельную от ленточного формата. Поскольку программа в накопителе оценивает величину быстрого прямого движения или перемотки, больше не нужно считывать адресные маркеры ID в процессе движения ленты. При приближении к целевой зоне двигатель замедляется с целью считывания маркеров ID для точного позиционирования. В результате скорость поиска повышается примерно в 150 раз по сравнению с обычной скоростью считывания-записи накопителя, а дублирование важной информации о поиске повышает надежность.

Накопители AIT поддерживает разработанную компанией IBM технологию улучшенного сжатия данных без потерь (Advanced Lossless Data Compression - ALDC) для обеспечения современных параметров производительности и емкости. Микросхема ADLC, ранее применявшаяся только в дорогих ленточных накопителей, может обеспечить коэффициент сжатия данных 2.6:1 для многих типов данных по сравнению с коэффициентом 2.0:1 старых алгоритмов сжатия IDRC или DLZ. Технология исправления ошибок при считывании в процессе записи (read-while-write) обнаруживает и исправляет все аномалии записи путем перезаписи данных после прохождения дефектного участка ленты, т.е. на лету.

Целостность данных еще больше повышает AME-носитель. В обычных лентах применяется носитель, который покрывается магнитным материалом, содержащим частицы металла или оксида с различными магнитными свойствами. Это вещество объединяется со связками для приклейки материала к подложке. Покрытие можно нанести прямо или распылить на подложку и дать высохнуть. Произведенный таким образом носитель подвержен загрязнению покрытия другими химикалиями или частицами. В результате увеличивается частота дефектных участков и снижается магнитная плотность записи.

AME-лента производится по совершенно другому способу с использованием технологии массового производства видеолент. Подложка ленты проходит через вакуумную камеру, в котором находится парообразное вещество. Молекулы пара осаждаются на подложку без использования клеящих веществ и фактически становятся частью подложки. Второе очень прочное алмазное покрытие (Diamond Like Carbon - DLC) защищает слой осажденного пара от царапин.

Цифровая линейная лента

Появление цифровой линейной ленты (Digital Linear Tape - DLT) относится к середине 80-х годов прошлого века, когда компания Digital Equipement Corporation (DEC) разработала новую технологию, опирающуюся на стандарт полудюймовой магнитной ленты в известной системе MicroVAX. Первая истинная DLT-система появилась в 1989 г., а в 1994 г. технологию приобрела компания Quantum. В последующем несколько производителей лицензировали технологию для выпуска автоматизированных ленточных библиотек. Фактически DLT представляет собой адаптацию старого метода записи катушка-катушка, в котором картридж действует как одна катушка, а ленточный накопитель как вторая катушка.

В DLT-накопителях применяется широкая полудюймовая (12.7 мм) лента, на которой данные записываются в серпантинный узор по параллельным дорожкам, сгруппированным в пары. Каждая дорожка проходит по всей длине ленты. При записи данных они записываются на первый набор дорожек по всей длине ленты. Когда достигается конец ленты, головки перемещаются на новый набор дорожек и производится запись по всей длине в противоположном направлении. Такие операции продолжаются до заполнения ленты. Современные накопители имеют 128 или 208 дорожек.

Уникальной для DLT-накопителя является запатентованная конструкция направляющей головок. Она представляет собой похожую по форме на бумеранг алюминиевую пластину с шестью смонтированными на подшипниках роликами. Вместо захвата ленты посередине и вытягивания ее на место, как в системах с геликоидальным сканированием, DLT-направляющая захватывает ведущую полоску на конце ленты и вытягивает ее из картриджа, направляет ее по плавной дуге и мягко оборачивает ее вокруг приемной катушки накопителя. Ролики направляют, но не тянут ленту. Углы оборота вокруг роликов являются небольшими и контакт ленты с направляющей минимизирован. Записывающая сторона ленты никогда не касается направляющей, что минимизирует износ ленты.

В накопителях применяется управляемая компьютером двухмоторная система, которая точно управляет ускорением и замедлением ленты, а также скоростью считывания-записи. Предусмотрена автоматическая чистка системы. В результате срок службы головки составляет 30 000 часов по сравнению с 2000 часов в устройствах с геликоидальным сканированием.

Данные записываются и считываются с использованием нескольких каналов одновременно. технология DLT сегментирует ленту на параллельные горизонтальные дорожки и записывает данные, перемещая ленту относительно неподвижной головки. Современные накопители записывают два канала одновременно с помощью двух имеющихся в головке элементов считывания-записи, что эффективно удваивает скорость передачи данных при заданной скорости накопителя и плотность записи. Повышенная скорость передачи данных ускоряет резервирование и считывание больших блоков данных. В будущем можно будет повысить плотность записи и скорость передачи данных с помощью тонкопленочных и магниторезистивных головок. Кроме того, для повышения скорости передачи данных можно увеличить число одновременно записываемых каналов.

Несмотря на то, что скорость передачи данных сильно влияет на производительность накопителя, самый быстрый ленточный накопитель не всегда обеспечивает наивысшую пропускную способность. Общая пропускная способность накопителя очень зависит от способности накопителя следить за скоростью данных хоста. Если скорость передачи накопителя больше скорости хоста, ленту необходимо часто останавливать и репозиционировать, что ухудшает производительность. Технология DLT оптимизирует производительность для широкого диапазона скоростей данных хоста введением эффективного адаптивного кэша. Он контролирует скорость хоста и динамически корректирует операции буферирования кэша, чтобы они соответствовали скорости данных хоста. В результате минимизируются задержки на репозиционирование ленты.

Еще одним параметром производительности ленточного накопителя является время, необходимое для локализации файла. Этот параметр особенно важен в онлайновых применениях, например обработке изображений, в которых требуется часто искать файлы и добавлять или восстанавливать данные. Технология DLT минимизирует время поиска с помощью файлового индекса, который находится в логическом конце ленты. С помощью этого индекса, содержащего список адресов сегментов ленты каждого файла, накопитель переходит к содержащей файл дорожке и выполняет быстрый потоковый поиск файла. В результате накопитель способен отыскать любой файл на ленте емкостью 20 ГБ в среднем за 45 секунд.

Технология DLT обеспечивает исключительную целостность данных с помощью многоуровневого подхода. Специализированная микросхема вводит 16 КБ кода исправления ошибок (Error Correction Code - ECC) Рида-Соломона для каждых 64 КБ пользовательских данных, 64-битовый циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Code - CRC) и 16-битовый код обнаружения ошибок (Error Detection Code - EDC) для каждых 4 КБ данных, а также перекрывающийся 16-битовый CRC для каждой пользовательской записи. Кроме того, для контроля данных предусмотрено выполнение команды считывания после каждой команды записи, поэтому при обнаружении ошибок производится повторная запись данных на ленту.

Стандарты DLT

Стандарт	Емкость	Интерфейс	Макс. DTR
DLT2000	15/30 ГБ	SCSI	2.5 МБ/с
DLT4000	20/40 ГБ	SCSI	3 МБ/с
DLT7000	35/70 ГБ	SCSI	20 МБ/с

Основные преимущества технологии DLT: большая емкость, высокая скорость передачи данных и повышенная надежность, объясняемая тем, что носитель физически не касается носителя. Основной недостаток DLT-накопителей заключается в высокой их стоимости. В таблице слева приведены современные стандарты DLT и их характеристики; обозначение DTR (Data Transfer Rate) - скорость передачи данных.

В 1998 г. компания Quantum объявила о новом достижении в технологии DLT - ленточных накопителях Super DLT. Емкость картриджа составляет 500 ГБ без сжатия, а скорость передачи данных до 40 МБ/с.

Сравнение характеристик

В таблице слева приведено сравнение характеристик распространенных технологий ленточного резервирования на конец 1999 г.

Традиционный взгляд на ленточное резервирование как довольно консервативный носитель, емкость и скорость которого увеличиваются довольно медленно и отстают от жестких дисков, в начале 1999 г. начинает меняться из-за появления нескольких новых ленточных форматов.

Технология улучшенной цифровой записи

Технология улучшенной цифровой записи (Advanced Digital Recording - ADR) является результатом семилетних исследований компании Philips. Для успешного продвижения технологии ADR на рынок компания Philips образовала дочернюю компанию OnStream. Первые ADR-накопители появились весной 1999 г. в виде IDE-накопителя, в котором естественная емкость картриджа составляет 15 ГБ, а с использованием сжатия 30 ГБ.

В накопителе постоянно ведется контроль за лентой, что обеспечивает точное репозиционирование ленты в перемещением ее в любом направлении даже на небольшие расстояния. Благодаря этому на ленте шириной 8 мм имеются 192 дорожки.

Уникальная возможность ADR считывать или записывать по восьми дорожкам одновременно обеспечивает высокую скорость передачи данных при относительно малой скорости движения ленты, что дает дополнительные преимущества. Износ ленты минимален и код исправления ошибок ECC можно распределить по горизонтали и вертикали. В результате получается значительно более эффективный код ECC по сравнению с обычными системами, где ECC распределяется только по одному измерению - вдоль дорожки данных. Фактически код ECC оказался настолько живучим, что можно поцарапать 24 из 192 дорожек по всей длине ленты и все же обеспечить 100%-е восстановление данных на отсутствующих дорожках. Накопитель имеет превосходную спецификацию надежности данных - только один неверно считанный бит на каждые 10¹⁹ записанных битов. Это в 10 000 раз лучше, чем у главного запоминающего устройства РС - накопителя на жестких дисках.

В ADR-технологии применяется улучшенный способ отметки дефектов, который обеспечивает запись данных в два раза эффективнее по сравнению с традиционным ленточным накопителем РС. В ленточных системах для исключения дефектных участков носителя они специально отмечаются накопителем и данные на них не записываются. Обычные ленточные накопители требуют два прохода для исключения записи данных на дефектный участок. На первом проходе производится запись данных, а на втором данные проверяются и осуществляется повторная запись, если обнаруживаются дефекты. В ADR-накопителе дефекты учитываются за один проход. Головка постоянно считывает встроенные серво-сигналы, находящиеся по обеим сторонам дорожек данных. Когда серво-сигналы не воспринимаются, накопитель распознает дефектный участок и соответственно помечает его. Как только головка обнаруживает правильные серво-сигналы, вновь начинается запись данных.

Важно отметить, что если конкурирующие технологии, например DAT и Travan, достигли предела совершенствования, то 2000-й год для технологии ADR стал началом ее развития, что обещает несколько ее поколений с повышенными емкостью и скоростью передачи данных.

Накопители Super DLT

Одним из новых форматов является следующее поколение цифровой линейной ленты (Digital Linear Tape - DLT), которое называется Super DLT. Разработчик этого формата компания Quantum в 1999 г. выпускала 80% всех ленточных накопителей. Накопители, выполненные по технологии Super DLT, намного превысят емкость картриджа 35 ГБ старого формата DLT IV и будут с ним обратно совместимы.

Используя комбинацию оптических и магнитных способов записи, которая называется магнитной записью с лазерным наведением (Laser Guided Magnetic Recording - LGMR), технология Super DLT привлекает лазеры для более точного выравнивания головок записи. Основой LGMR является оптическая сервосистема (Pivoting Optical Servo - POS), которая объединяет магнитные считывание и запись данных с лазерным наведением. Рассчитанная на тяжелые условия эксплуатации, система POS менее чувствительна к внешним воздействиям, что позволяет достичь большей плотности дорожек, чем в других ленточных накопителях. Система POS снижает производственные расходы и и упрощает эксплуатацию, не требуя предварительного форматирования ленты. Более того, повышение емкости на 10-20% обеспечивает размещение оптической сервоинформации на неиспользуемой обратной стороне носителя, а вся рабочая поверхность доступна для фактических данных.

При движении носителя отслеживающий лазер отыскивает встроенные оптические маркеры на обратной стороне ленты. Система POS поворачивается вокруг одной монтажной точки, выравнивая головки считывания-записи с оптическими дорожками. Еще одна технологическая новинка связана с использованием для линейной ленты способа максимального правдоподобия частичного отклика (Partial Response Maximum Likelihood - PRML), который обычно применяется в накопителях на жестких дисках. Применение этого способа еще больше увеличивает емкость и скорость передачи данных благодаря повышению плотности записи.

Конечная цель заключается в том, чтобы довести емкость картриджа до 500 ГБ несжатых данных, а скорость передачи данных до 40 МБ/с. Однако у первых накопителей емкость картриджа составляет 110 МБ, а скорость передачи данных равна 11 МБ/с.

Технология LTO

Открытый стандарт линейной ленты (Linear Tape Open - LTO) является попыткой разработать открытый стандарт памяти с линейной лентой как альтернативу фирменному формату DLT компании Quantum. Предложенная консорциумом компаний Hewlett-Packard, IBM и Seagate, технология LTO объединяет достоинства линейных многоканальных двунаправленных форматов с достижениями сервосистем, сжатия данных, компоновки дорожек и кодов с исправлением ошибок для максимизации емкости, производительности и надежности ленточных накопителей.

Имеются два формата, основанных на технологии LTO:

• Формат Accelis предназначен для приложений, которые требуют исключительно быстрого времени доступа, например онлайновые запросы и поиски данных. Ожидается, что ленточные накопители с форматом Accelis обеспечат доступ к данным за 10 секунд. Первая версия формата Accelis обеспечивает емкость двухкатушечного картриджа 50 ГБ сжатых данных (25 ГБ естественных данных) и скорости передачи 20-40 МБ/с сжатых данных (10-20 МБ/с естественных данных). В последующем возможно достижение времени доступа 7 с, емкости до 400 ГБ сжатых данных и скорости передачи сжатых данных 160-320 МБ/с.
• Однокатушечный формат Ultrium предназначен для пользователей, которым требуется сверхвысокая емкость для резервирования, восстановления и архивирования. Этот формат позволяет разработать картриджи емкостью до 200 ГБ сжатых данных и обеспечить скорость передачи 20-40 МБ/с сжатых данных. В последующем емкость картриджа планируется довести до 1.6 ТБ/с сжатых данных, а скорость передачи данных составит 160-320 МБ/с для сжатых данных.

Формат AIT-2

Формат AIT-2 объявлен компанией Sony в 1996 г. и представляет собой развитие улучшенной интеллектуальной ленты (Advanced Intelligent Tape - AIT) шириной 8 мм. Он полностью обратно совместим с форматом AIT-1, но удваивает емкость ленты до 50 ГБ естественных данных (100 ГБ сжатых данных) и повышает скорость передачи до 6 МБ/с для естественных данных (12 МБ/с со сжатием).

Повышенные емкость и производительность достигнуты технологическими усовершенствованиями головок записи, кодирования, производства носителя и конструкции механизма, а также разработкой специализированных микросхем. Запатентованные головки Hyper Metal из тонких металлических пластинок в накопителях AIT-2 формируют большие выходные сигналы по сравнению с обычными головками, что позволяет увеличить плотность записи на 50%. В результате повышенная частота записи, более длинная лента и высокая скорость вращения барабана привели к удвоению емкости и скорости передачи данных. Разработанное компанией Sony кодирование частичного отклика с решетчатым кодированием (Trellis Coded Partial Response - TCPR) обеспечивает оптимальное кодирование для формата записи с высокой плотностью геликоидального сканирования, а также повышает надежность данных и снижает подверженность ленты к помехам.

Самым уникальным средством формата AIT остается разработанная компанией Sony интерфейсная система накопителя память в кассете (Memory-In-Cassette - MIC). В системе AIT-2 она реализована в виде микросхемы памяти емкостью 64 Кб, встроенной в картридж данных. Данные в микросхеме содержат журнал регистрации ленточной системы, карту поиска и другую определенную пользователем информацию, что обеспечивает немедленный доступ к данным независимо от того, к какой секции данных производится доступ. Способность MIC поддерживать несколько разделов и несколько точек загрузки уменьшает время доступа к данным до 20 секунд по сравнению со 100 секундами обычных технологий.

Основным фактором достижения новых возможностей технологии AIT стало использование очень долговечной и надежной ленты с металлическим распылением (Advanced Metal Evaporated - AME). Она обеспечивает большую долговечность головки и многократное использование ленты.

Технология VXA

Потоковость (streaming) - это способ, используемый для передачи данных в линейных ленточных накопителях и накопителях с геликоидальным сканированием, когда за один проход головки считывания при фиксированной скорости ленты считываются данные всей дорожки. Чтобы такие накопители работали с пиковой эффективностью, хост должен поддерживать буфер накопителя заполненным. Медленный хост или занятая шина SCSI могут прерывать потоковую работу накопителя, заставляя накопитель производить реверсирование до возобновления операции записи. При этом не только снижается производительность ленточного накопителя, но и прикладываются дополнительные усилия к носителю.

Технология VXA компании Ecrix решает эту проблему, используя работу с переменной скоростью, согласуя скорость ленты со скоростью хоста, что оптимизирует производительность накопителя и снижает усилия на носитель. Объявленная в конце 1999 г., технология VXA представляет собой первую новую технологию за многие годы, в которой реализован новый подход к записи данных. Вместо больших блоков данных, используемых в большинстве ленточных форматов, в технологии VXA длинные цепочки данных разбиваются на меньшие единицы данных. Затем к ним добавляются "конверты" контрольных данных и в результате получаются небольшие пакеты данных, которые записываются на носитель. Такой способ называется форматом дискретных пакетов (Discrete Packet Format - DPF).

Формат DPF допускает пакетам, образующим цепочку данных, появляться в буфере данных в разное время, но все же собирает их в правильном исходном порядке. Каждый пакет данных состоит из 64 байтов пользовательских данных, маркера синхронизации, уникальной адресной информации, циклического избыточного кода (Cyclical Redundancy Check - CRC) и кода исправления ошибок (Error Correction Code - ECC). Каждая дорожка состоит из 387 отдельных пакетов данных, которые записываются и считываются через специальный массив буферов. Два перекрывающихся набора дорожек записываются двумя парами головок на барабане. Первая головка в каждой паре записывает данные, а вторая головка выполняет считывание после записи (Read-After-Write) для контроля целостности данных.

В технологии VXA используются четыре уровня исправления ошибок, которые реализуются в два этапа. Во-первых, каждый пакет содержит ECC Рида-Соломона, который может исправлять небольшие ошибки, вызываемые помехами и фазовыми сдвигами. Во-вторых, когда пакеты собираются в буфере, они образуют массив, который использует трехмерный ECC Рида-Соломона (ECC по оси X, ECC по оси Y и ECC по диагонали).

Комбинация формата DPF, работа с переменной скоростью ленты и способ сверхсканирования (overscanning), который позволяет считывать данные с любого физического участка на ленте без необходимости отслеживать дорожки с начала ленты, позволила создать быстрые и очень надежные накопители. Первые накопители работают со скоростью 6 МБ/с и обеспечивают емкость 66 МБ сжатых данных. Было экспериментально показано, что накопитель способен считать с ленты, которая была заморожена, а затем отогрета в кипящей воде!

Робототехнические применения

Имеются разнообразные запоминающие устройства, которые можно использовать для резервирования данных, от гибких супердисков до накопителей DVD. Но когда требуются скорость, емкость и надежность, необходимые для защиты разделяемых сетевых данных, большинство компаний выбирает одну из автоматизированных ленточных систем, которые появились в последние годы:

• Ленточные библиотеки: Возрастающие требования клиентов к серверам требуют разработки средств офлайнового хранения данных с автоматизированными доступом и управлением. Ленточной библиотекой (tape library) называется система хранения данных огромной емкости, предназначенная для запоминания, поиска, считывания и записи с использованием нескольких картриджей магнитной ленты. По существу, ее аппаратные средства представлены самим ленточным накопителем и набором роботов. Роботы обеспечивают требуемую емкость, выбирая картриджи из встроенных стоек и загружая их в накопитель по запросам программы резервирования. Автозагрузчик затем удаляет картриджи, когда они заполнены и помещает их в стойки. Ленточные библиотеки имеются для картриджей полудюймовой ленты, QIC, Travan, DAT и ленты 8 мм. Меньшие устройства могут иметь несколько накопителей для одновременных считывания и записи; они могут содержать от десятка до нескольких сотен картриджей. Большие устройства могут иметь сотни накопителей и хранить несколько тысяч картриджей. Ленточные библиотеки называются "почти онлайновыми", так как они не столь быстры, как онлайновые жесткие диски.
• Ленточные массивы: Ленточные массивы (tape arrays) опираются на технологию дисковых RAID-подсистем. Эта идея не нова, но до недавнего времени массивы не обеспечивали лучшей производительности по сравнению с одиночными накопителями. Сейчас же они становятся приемлемым вариантом для памяти средней емкости. Массивы имеют специальные контроллеры, которые могут распределять данные между несколькими параллельно работающими накопителями в отличие от медленного последовательного доступа в одном устройстве. Поставщики ленточных массивов считают, что массив с четырьмя накопителями может повысить производительность в четыре раза по сравнению с автономным накопителем. Для дополнительной отказоустойчивости в массив можно ввести накопитель для контроля по паритету, но при этом общая производительность несколько снижается.
• Управление иерархической памятью: Приложения управления иерархической памятью (Hierarchical Storage Management - HSM) предназначены для минимизации стоимости одновременно с оптимизацией производительности. Для этого несколько носителей, например магнитный диск, оптический диск и лента, объединяются в одно логическое устройство. Данные прозрачно для пользователя передаются между носителями с учетом частоты обращений.