Ленточные системы хранения данных что это такое

Преимущества и перспективы хранения данных на магнитных лентах

Не секрет, что магнитные диски систем хранения в последние годы достигают своих физических пределов, однако магнитные ленты продолжают совершенствоваться.

Техника

Развитие анализа больших данных и искусственного интеллекта побуждает предприятия и организации хранить у себя огромные объемы данных, поскольку их ценность нарастает со временем и объемом хранения.

Кроме того, силовые структуры и финансовые регуляторы часто требуют хранить контент в течение длительного времени с обеспечением невозможности его редактирования. Исследования показывают, что объемы данных, подлежащих хранению, растут на 30–40 % ежегодно.

А вот объемы дисковых накопителей растут в два раза медленнее. И ленточные библиотеки для такой цели подходят гораздо лучше, чем диски, – по ряду причин.

Большинство накопленных в мире данных, вопреки устоявшемуся мнению, хранится именно на лентах. Это и данные для фундаментальных наук, например, ядерной физики и астрономии, оцифрованные данные по истории человечества, национальные архивы, а также банковская, финансовая и страховая информация, данные геофизических исследований, библиотеки медиаконтента и много другое.

Первая коммерческая система хранения на магнитной ленте, Model 726компании IBM, созданная в начале 50-х годов, могла хранить до 1,1 мегабайт на одной бобине с магнитной лентой. Сегодня на картридж с магнитной лентой можно записать до нескольких десятков терабайт данных. Роботизированная ленточная библиотека может хранить до 278 петабайт данных.

Ленточная СХД Model 726 компании IBM (источник: IBM)

К перечисленным выше преимуществам лент следует добавить еще один немаловажный плюс – защищенность информации от ошибок в ПО. Например, в 2011 году в результате ошибки в новой версии ПО на серверах Google были случайно удалены 40 000 писем в аккаунтах Gmail. Причем их не спасло даже многократное резервирование в разных дата-центрах. К счастью, имелась еще и архивная копия на ленте, поэтому потерянные письма были быстро восстановлены. Microsoft также использует для архивного хранения данных своей облачной платформы Azure ленточные библиотеки.

Экономика

Однако основные причины популярности магнитных лент – экономические. Ленточные накопители стоят менее 20 % дисковых того же объема. Поэтому ленты продолжают использоваться и совершенствоваться. Напротив, накопители на жестких дисках уже вплотную приблизились к физическим пределам своих характеристик.

Следует отметить, что сами приводы с лентопротяжными механизмами для лент довольно дорогие: они стоят от 1 000 до 12 000 долларов. Однако если суммарную стоимость приводов и лент пересчитать на один гигабайт данных при больших объемах хранения, то ленты выходят намного дешевле.

Привод TS2900 (источник: IBM)

Несмотря на технические усовершенствования, ленты продолжают дешеветь. Причем, в отличие от магнитных дисков, где плотность записи уже практически не увеличивается, плотность данных на магнитных лентах растет на 33 % в год, увеличиваясь вдвое каждые 2–3 года. Для дисков мы уже давно такого не видим. Дело в том, что в случае с лентами плотность магнитных доменов растет не только вдоль движения ленты относительно магнитной головки, но также и в поперечном направлении.

Именно поэтому емкость одного картриджа с лентой может составлять несколько десятков терабайт, что в разы больше самого емкого жесткого диска на рынке. А по размерам они отличаются не сильно.

Картридж LTO-8 (Linear Tape-Open) емкостью 30 Тбайт (источник: IEEE Spectrum)

Если говорить о других характеристиках, то по многим из них диски впереди лент. Например, время доступа к данным у диска – 5–10 мс против 15–60 секунд у ленты (и то если лента предварительно вставлена в привод). Однако, если говорить об архивном хранении, для чего и предназначены ленты, то это преимущество несущественно. Кроме того, как ни странно, скорость записи на ленту в два раза выше, чем на диск (конечно, если лента предварительно установлена в начало свободного фрагмента для записи).

Современные ленты LTO-8 могут обеспечивать скорость записи до 720 МБ/с. Однако жесткий диск со скоростью вращения 7200 об/мин может обеспечить скорость записи максимум до 160 МБ/с. Даже если говорить о твердотельных накопителях SSD, то пока они могут записывать данные со скоростью не выше 300 МБ/с.

Почему диски подошли к пределам возможностей

В течение последних лет плотность записи на диск сильно не растет. Темп роста плотности данных на дисках от своих обычных 40 % в год снизился до 10–15 %. Причины – чисто физические: чтобы записать больше данных на единицу площади, нужно уменьшить площадь записи одного бита. Однако сигнал считывания с уменьшением площади ослабевает. Если площадь снизить слишком сильно, то отношение «сигнал/шум» при считывании данных выйдет за допустимые пределы и появится много ошибок.

Фоновый шум, который обусловлен гранулярной природой магнитных диполей («зерен»), можно уменьшить, если уменьшить размеры этих зерен. Но уменьшать их можно только до определенного размера, не жертвуя при этом намагниченностью зерна (это называется «суперпарамагнитный предел»). Сейчас этот предел производителями жестких дисков уже достигнут.

Пользователи не замечали достижения суперпарамагнитного предела в дисках до последнего времени, поскольку производители компенсировали это добавлением головок и магнитных пластин в устройство диска. Но сейчас доступное место внутри устройства и стоимость добавления головок и дисков подошли к стоимостным пределам разработок и возможностей технологии.

Есть, однако, технологии повышения плотности записи: HAMR (heat-assisted magnetic recording) и MAMR (microwave-assisted magnetic recording), предусматривающие температурное воздействие на магнитную поверхность диска при записи. Это позволяет снизить размер зерна с сохранением стабильности записи/считывания. Однако такие подходы увеличивают стоимость дисков и создают дополнительные технические проблемы. Кроме того, возможности увеличения плотности записи этих методов также ограничены и скоро будут полностью исчерпаны.

А что ленты?

У лент суперпарамагнитный предел еще далеко не достигнут. Это означает, что закон Мура для лент может выполняться еще, по крайней мере, лет десять.

Технология лент имеет свои особенности. Во-первых, в отличие от дисков, ленты должны быть съемными. Во-вторых, полимерная пленка ленты гораздо тоньше, чем диск. В-третьих, запись до 32 параллельных дорожек на ленте создает для конструкторов ленточных СХД определенные механические проблемы.

Режим записи 8х4 группы дорожек на ленту LTO-8 (источник: LTO Consortium)

Конструкторы из IBM и FujiFilm разработали для лент технологию сверхмалых частиц из феррита бария, ориентированных перпендикулярно движению ленты. Это позволяет увеличить плотность записи на ленту до 12 раз. В компании Sony Storage Media Solutions были предложены методы еще большего увеличения плотности записи на ленту (до 20 раз). В результате последние разработки позволяют достигать плотности записи на ленте до 200 Гбайт на квадратный дюйм. Длина ленты в картридже может быть более 1000 метров, поэтому емкость одного картриджа может составить до 300–500 Тбайт.

Это позволяет, например, киностудиям, производящим фильмы в супервысоком разрешении, использовать только один картридж на фильм вместо 10–20, как это было раньше.

Перспективы

Конечно, физические пределы плотности записи будут когда-нибудь достигнуты и для лент. Но в обозримой перспективе ближайших 10–15 лет преимущества лент перед дисками и возможности повышения плотности записи на ленту будут сохраняться. Поэтому, как бы ни была стара технология ленточных СХД, она будет жить еще долго.

В октябре 2017 LTO Consortium анонсировал программу развития стандарта LTO (Linear Tape Open) до поколения LTO-12, реализация которого планируется к 2025 году.

Дорожная карта стандарта LTO (источник: LTO Consortium)

Технология LTO, впервые анонсированная в 2000 году, в настоящий момент находится на 8 поколении развития. LTO-8 поддерживает картриджи до 30 Тбайт (со сжатием), скорость записи 750 МБ/с, что позволяет записать 2,7 Тбайт за один час. Спецификации LTO обеспечивают обратную совместимость по чтению и записи с предыдущими двумя поколениями.

Технология LTO позволяет записывать данные в режиме WORM (write once, read many), что обеспечивает их сохранность и невозможность случайного стирания или перезаписи. Это часто требуется регулятивными органами, например, в финансовой сфере, где надо сохранять данные финансовых документов до трех лет с гарантией их неприкосновенности. LTO также позволяет производить сильное шифрование данных при записи, чтобы обеспечить их защиту и конфиденциальность во время хранения и транспортировки картриджей с лентами.

Последние поколения LTO обладают возможностью разбиения на тома (partitioning), что облегчает управления файлами и свободным пространством в файловой системе LTFS.

Источник

Системы хранения данных на магнитных лентах

Введение

На сегодняшний день существует огромное количество технологий и форматов записи, бесчисленное количество устройств – от бюджетных накопителей небольшой емкости, способных удовлетворить потребности маленьких фирм, до библиотек фантастической емкости, способных хранить несколько десятков и сотен ТБ информации.

Построение любой системы хранения данных начинается с постановки перечня задач, которые необходимо решать, т.е. какой объем информации будет сохраняться, какой тип информации будет преобладать (массивы данных, видео, изображения и т.п.), как часто будет происходить резервирование данных и т.д. Именно на этом этапе и необходимо решить, какой тип накопителя выбрать, какое решение окажется оптимальным.
Предлагаемая статья призвана помочь разобраться в этом многообразии и определить, какое решение наилучшим сохранит столь бесценную для вас информацию

Основные технологии

Во всех ленточных устройствах, несмотря на конструктивные отличия, используются всего два базовых метода записи:

Данные на ленте записываются в виде множества параллельных дорожек. Движение ленты при записи/чтении идет в обоих направлениях. Считывающая/записывающая головка во время движения ленты неподвижна. По достижении конца ленты головка сдвигается на другую дорожку, а лента движется в противоположном направлении. Для увеличения скорости записи/чтения устанавливается несколько головок, которые работают с несколькими дорожками одновременно.

В системах наклонно-строчной несколько считывающих записывающих головок размещают на вращающемся барабане, установленном под углом к вертикальной оси. Лента при записи чтении движется в одном направлении.

Оба метода имеют как достоинства, так и недостатки.

Линейная магнитная запись

DLT (Digital Linear Tape)

Технология Super DLT (SDLT) является наследницей DLT, разработчик — Quantum. В ней используется другая, более совершенная лента, другие магнитные головки (CMR, кластер магниторезистивных головок), оптическая система позиционирования дорожек и др. При этом сохраняется совместимость со старыми картриджами DLT. Первые устройства SDLT-220 (11/22 MB/s, 110/220 Gb), появились в начале 2001 года, а сейчас поставляется уже второе поколение SDLT 320 (16/32 MB/s, 160/320 Gb). Носитель — картридж SDLT 106х105х25 мм, можно читать и писать картриджи DLT IV, записанные на DLT80. Недавно начались поставки стримеров третьего поколения, SDLT 600 (36/72 MB/s, 300/600 Gb).

Технология Value DLT (DLT VS) является боковым ответвлением DLT, разработчик — Quantum. Стандарт создавался с целью составить конкуренцию DAT и захватить часть соответствующего рынка, первые устройства DLT VS80 (3/6 Mb/s, 40/80 GB), появились в начале 2000 года. Носитель — картридж DLT IV, однако формат чтения/записи не совместим с DLT80 и SDLT. Quantum уже выпустил стримеры второго поколения DLT VS160 (8/16 Mb/s, 80/160 GB).

Новый перспективный план развития DLTtape предусматривает расширение двух линеек ленточных накопителей Quantum. В двух новых поколениях, оснащенных функцией чтения в обратном направлении, главное внимание будет уделено повышению емкости. Новая линейка ленточных накопителей DLT-S™ (ранее SDLT™) предлагает высокую емкость в сочетании с высокой производительностью, а новая линейка DLT-V™ (ранее DLT VS™) — высокую емкость в сочетании с разумной стоимостью накопителя. Системы следующего поколения смогут считывать данные с картриджей старого формата. Компания также предложит на базе своих устройств два поколения технологии WORM (Write Once, Read Many), предотвращающей несанкционированное удаление или перезапись данных.

SLR (Single-Channel Linear Recording)

Многоканальная головка подвешена при помощи магнитной катушки. На ленте при изготовлении нанесены специальные синхро-дорожки, которые считываются при движении ленты, а сервосистема на основе считанного синхросигнала постоянно корректирует положение магнитной головки по высоте. Использование сервосистемы позволяет увеличить количество дорожек на ленте, не прибегая к другим техническим приемам.

Головка чтения/записи имеет дополнительный рабочий зазор, который позволяет считывать только что сделанную запись.

Формат LTO (Linear Tape Open)

2. Устройства Ultrium, ориентированные на максимальную емкость. Конструкция картриджа и привода напоминает DLT.

Особенности технологии LTO:

Стримеры первого поколения, Ultrium 215 (7,5/15 МБ/сек, 100/200 ГБ), появились в конце 2000 года. Сейчас выпускается уже второе поколение Ultrium 230 (15/30 МБ/сек, 100/200 ГБ) и Ultrium 460 (30/60 МБ/сек, 200/400 ГБ), Ultrium 448 (24/48 МБ/сек, 200/400 ГБ), а также стримеры третьего поколения Ultrium 960 (80/160 МБ/сек, 400/800 ГБ).

Носитель — картридж Ultrium 105x102x22 мм, старшие модели могут читать и писать картриджи младших форматов. В планах разработчиков — выпуск стримеров Ultrium Generation 4 (160/320 МБ/сек, 800/1600 ГБ).

В настоящее время начались поставки накопителей половинной высоты LTO2HH для предприятий малого и среднего бизнеса. Эти устройства сочетают в себе преимущества открытого формата LTO Ultrium при доступной цене.

Наклонно-строчная магнитная запись

За счет довольно высокой скорости вращения головок при наклонно-строчной записи, между лентой и головкой создается воздушная прослойка, которая существенно снижает трение. Кроме того, современные металлонапыленные ленты (AME) имеют специальное углеродное защитное покрытие (DLC, diamond-like coating) и слой сухой поверхностной смазки, что еще значительнее снижает абразивность ленты.

Наклонно-строчная технология предполагает наличие коротких дорожек на поверхности ленты, поэтому можно получить значительно более высокую плотность расположения дорожек (количество на 1 дюйм ширины). А за счет применения более совершенных лент AME плотность записи на самих дорожках тоже выше, чем при линейной записи.

4-х миллиметровые устройства DAT/DDS

(Digital Audio Tape)/ (Digital Data Storage)

8-и миллиметровые устройства

Технология наклонно-строчной записи на магнитную ленту шириной 8 мм была предложена в 80-х годах, фирмой Sony, но впервые эта технология была адаптирована и оптимизирована для записи цифровых данных фирмой Exabyte.

AIT (Advanced Intelligent Tape)

Формат AIT был разработан компанией Sony на базе технологии helican-scan. В нем впервые была использована встроенная флэш-память на кассете MIC (Memory-In-Cassette), в которой помещается служебная информация о содержимом ленты и карта распределения данных, позволяющая оптимизировать доступ к ним. Как и другие современные форматы AIT использует систему трекинга (ATF) для более плотной записи дорожек.

Формат VXA впервые объединил такие три инновации, как дискретный пакетный формат DPF (Discrete Packet Format), работа на разных скоростях VSO (Variable Speed Operation) и многократное сканирование OSO (Over Scan Operation).

Пакетный формат. Перед записью на носитель, данные разбиваются на пакеты, которые состоят из 64 байт пользовательских данных, маркера синхронизации, информации об уникальном адресе, избыточного циклического кода CRC (Cyclic Redundancy Check) и кода исправления ошибок ECC (Error Correction Code).

Поддержка переменной скорости (VSO) Позволяет менять скорость ленты в соответствии с изменением скорости передачи данных. Эта инновация устраняет обратные захваты, задержки и вызванный захватами износ носителей. Устранение захватов снижает и скорость износа механизма накопителя, что, в свою очередь, позволяет повысить надежность и возможность восстановления данных. В случае перерыва в передаче данных в обычных накопителях лента останавливается, отматывается назад, снова останавливается, а затем разгоняется в поступательном направлении до номинальной скорости. В отличие от обычного накопителя, VXA-устройство просто останавливается, ожидает поступления очередной порции данных и продолжает запись с места, где ранее произошла остановка.

Многократное сканирование (OSO) — избавляет от необходимости четкого согласования направлений движения ленты и записывающих головок. OSO позволяет неоднократно считывать ленту с физическими повреждениями, такими, как нарушение угла наклона дорожки или дефект носителя.

Чтение после записи RAW (Read-After-Write) Две пары головок на барабане записывают на ленту два перекрывающихся набора дорожек. Первая головка в каждой паре записывает данные, а вторая проверяет их целостность, выполняя «чтение после записи» RAW (Read-After-Write).

Полудюймовые устройства S-AIT (Super Advanced Intelligent Tape)

На базе формата AIT в 2001 году специалисты Sony разработали формат S-AIT (Super Advanced Intelligent Tape). В отличие от AIT (3,5”), кассета и дисковод имеют форм фактор 5,25”. В кассете используется один ролик, а ширина ленты составляет 0.5 дюйма. AIT и S-AIT изготавливаются по одинаковой технологии, однако емкость кассеты S-AIT в 5 раз больше (500 Гб без сжатия) за счет увеличения общей площади ленты. В S-AIT используются все передовые технологии- AME, MIC, Helical Scan и др. S-AIT предлагает также сверхвысокую для ленточных накопителей скорость передачи данных- 30 Mб/сек.

На очереди вторая версия SAIT-2; в ней емкость будет увеличена в два раза, до 1 Тбайт (2,6 Тбайт с компрессией) при скорости обмена 60 Мбайт/с (156 Мбайт/с с компрессией). В каждом из двух следующих поколений SAIT-3 и SAIT-4 характеристики будут последовательно удваиваться. Другими словами, для SAIT-3 емкость составит 2 Тбайт (5,2 Тбайт с компрессией) при скорости обмена 120 Мбайт/с (312 Мбайт/с с компрессией), для SAIT-4 — 4 Тбайт (10,4 Тбайт с компрессией).

Технические данные всех упомянутых устройств указаны ниже в сводной таблице.

Источник

Лента – все еще лидер в резервном копировании данных

Что-то давно мы не рассказывали о классических системах резервного копирования данных – ленточных библиотеках. Ведь что бы не говорили некоторые вендоры СХД (сосредоточенные исключительно на дисковых устройствах), ленточные библиотеки остаются важнейшим средством резервного копирования и долгосрочного архивирования. В 2012 году был проведен опрос среди севроамериканских ИТ-директоров на предмет их планов по использованию лент. Так вот, 87% подтвердили, что будут увеличивать их применение или, как минимум, оставят его на прежнем уровне. А кто же является ведущим производителем ленточных библиотек? По данным storagenewsletter.com лидирует компания НР, в 2012 г. продавшая 31% устройств, почти в два раза больше ближайшего конкурента. Несмотря на то, что НР поддерживает стандарты DDS и LTO, сегодня мы поговорим только о последнем, т.к. продажи LTO составляют 94% от всех типов приводов.

В 2013 г. модельный ряд достаточно сильно изменился относительно прошлого года. Во первых, в конце 2012г. вышло новое поколение приводов LTO-6, что позволило увеличить емкость одного картриджа более чем в два раза по сравнению с LTO-5 – до 6.25ТБ (с учетом сжатия), а скорость записи выросла почти в полтора раза – до 1.44ТБ/час. Все это позволило значительно увеличить плотность хранения, при этом стоимость на террабайт снизилась.

Начиная с пятой версии стандарта Ultrium стала доступной файловая система Linear Tape File System (LTFS) на ленточных носителях. Эта файловая система позволяет работать с картриджами LTO-5 и 6 на внешних ленточных приводах как с USB устройством (флэш-памятью), так и с внешним диском. LTFS использует первые дорожки ленты для индекса файловой системы.

Эксклюзивная функция ленточных накопителей HP Ultrium — система сравнения и корректировки скорости записи на ленту с входящим потоком данных – позволяет устройству динамично и непрерывно синхронизировать свою скорость со скоростью передачи данных от сервера. Эта функция позволяет повысить скорость чтения и записи данных на ленту и надежность как самого накопителя, так и ленточного картриджа. Надежность накопителя и картриджа также обеспечивается специальным механизмом автоматического позиционирования картриджа при его загрузке и механизмом автоматической чистки головок чтения/записи.

Еще один новый полезный функционал – это фирменная утилита HP – TapeAssure. Она позволяет повысить эффективность использования ленточных библиотек и картриджей, обеспечивая проактивный мониторинг состояния, производительности, степени использования и исправности накопителей, а также средств резервного копирования. Данное программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания.

НР продает как отдельные приводы (их можно установить в специальные рэковые полки), так и ленточные библиотеки. Ленточные библиотеки предназначены для автоматизированного резервного копирования данных. Одновременное использование нескольких лентопротяжных механизмов увеличивает производительность библиотеки и сокращает время, необходимое для записи и чтения резервных копий. Бибилиотеки оснащены внешними интерфейсами SAS, SCSI или Fibre Channel, обеспечивающими возможность одновременного подключения к нескольким серверам и интеграцию в сеть хранения SAN.

Спектр продуктов для автоматизированного резервного копирования включает устройства начального уровня: автозагрузчик Autoloader 1/8 G2 и ленточные библиотеки MSL2024 и MSL4048, ленточные библиотеки среднего уровня MSL 6480 и ленточные библиотеки корпоративного уровня ESL-G3.

Автозагрузчик поддерживает только один лентопривод с интерфейсом SCSI, SAS или FC и имеет только 8 слотов для лент.
Библиотеки серии MSL (включающей модели: 2024, 4048, 8048, 8096) могут поддерживать уже несколько лентоприводов (с интерфейсом SCSI, SAS или FC) и имеют существенно большую емкость благодаря увеличенному количеству слотов.
Модели MSL8048 и MSL8096, так же, как и линейка EML, снимаются с производства, они заменяются новой моделью MSL 6480, которая была анонсирована летом 2013г. и поддерживает масштабирование в рамках одной стойки до 7 модулей. Каждый модуль поддерживает до 6 приводов половинной высоты, до 80 картриджей, объемом до 240 ТБ (сжатие 1:2,5). При установке 7 модулей 6480 в одну серверную стойку можно получить до 42 приводов на стойку с общим объемом картриджей до 3,5 ПБ и скоростью записи до 60 ТБ/час

HP StoreEver MSL Tape Libraries

Библиотеки MSL поддерживают возможность создания нескольких виртуальных библиотек (партиций) внутри одного физического устройства. Также для увеличения емкости и быстродействия можно объединять две библиотеки MSL в одну логическую библиотеку с помощью специального механизма, устанавливаемого в слот лентопривода.

Библиотеки класса Hi-End — ESL-G3 — имеют только корпусное исполнение в отдельных модулях (шкафах). Эти библиотеки могут масштабироваться горизонтально, т. е. с помощью специальных механизмов можно объединить в единую библиотеку до 16 модулей. Такая единая библиотека будет обладать общим ленточным пулом, доступным для любого ленточного привода, независимо от того, в каком из отдельных модулей библиотеки ESL-G3 он расположен.

Библиотека ESL-G3 может поддерживать до 12 лентоприводов и до 306 слотов в управляющем модуле. Модуль расширения поддерживает до 12 лентоприводов и до 444 слотов. В максимальной конфигурации библиотека ESL-G3 может поддерживать до 96 лентоприводов и более 11000 слотов. ESL-G3 поддерживают только интерфейс FC – 4 Гбит/с или 8 Гбит/с.

ESL-G3 обладает высокой доступностью за счет лентоприводов, избыточных вентиляторов и источников питания горячей замены. Кроме того, библиотеки ESL-G3 поддерживают возможность резервирования каналов доступа как к стримерам, так и к роботу библиотеки.

В июне 2013 года для моделей ESL-G3 были анонсированы модули расширения высокой емкости (High Density Expansion Modules), вмещающие до 780 картриджей. С использованием этих модулей расширения число поддерживаемых слотов возросло почти в 2 раза с 7100 до 11600, что эквивалентно 72 ПБ данных (с учетом сжатия). Такая плотность была достигнута благодаря изменению конструкции модулей – теперь слоты расположены на вращающемся барабане, вдоль которого скользит робот. Роботы в библиотеке ESL-G3 теперь работают в режиме Active/Active (в предыдущих моделях Active/Passive), что позволило увеличить производительность библиотеки.

Таким образом, обновленный модельный ряд ленточных библиотек НР отлично подходит для организаций любых размеров – от малого офиса до корпоративного датацентра.

Источник