Technologie taśmowe

Właściwy dobór napędu taśmowego do tworzenia kopii zapasowych danych w sieciach komputerowych nie jest uzależniony od rodzaju systemu operacyjnego w którym pracuje. Czy jest to sieć pracująca w oparciu o system NetWare firmy Novell, Windows NT firmy Microsoft, czy też sieć pracująca pod kontrolą jednego z systemów UNIX np. Sun Solaris, HP UX, IBM AIX itp. Kryteria doboru odpowiedniego napędu są takie same i na pewno nie jest to koszt wspomnianego urządzenia. Parametrami, które decydują o wyborze streamera jest struktura naszej sieci, czyli ile, oraz gdzie znajdują się serwery sieciowe, jaka jest wielkość danych które będą podlegały archiwizacji, oraz ile czasu możemy przeznaczyć na wykonanie backup-u. Parametrami którymi powinien kierować się administrator przy doborze napędu są:
pojemność,
prędkość transferu danych,
czas dostępu do plików,

Obecnie na rynku dostępne są następujące technologie zapisu danych na taśmie:
DAT,
SLR,
AIT,
DLT,
IBM Magstar,
SUPER DLT,
Ultrium LTO.
DAT
Technologia DAT pojawiła się kilka lat temu do zapisu cyfrowego dźwięku, jednak ze względu na wysoką cenę magnetofony DAT nie stały się tak popularne w domowych zastosowaniach jak standardowe magnetofony analogowe. Napędy pracujące w tej technologii zostały zaadaptowane z powodzeniem w przemyśle komputerowym jako napędy do archiwizacji danych komputerowych. Zasada ich działania jest bardzo podobna do magnetowidów VHS. Taśma wywlekana jest z kasety i owijana na wirującym z dużą prędkością bębnie (ok. 2000 obr/min), który umieszczony jest pod odpowiednim kątem względem ruchu taśmy, która przesuwa się liniowo stosunkowo wolno (ok. 8 mm/s). Taki układ ruchu sprawia, że ścieżki zapisywane są ukośnie (helikalnie) względem taśmy. Ponieważ w czasie przewijania taśma porusza się z prędkością ok. 200 razy większą niż w czasie odczytu, średni czas dostępu do plików wynosi zaledwie ok. 40 s. Wraz z danymi na nośnik zapisywany jest odpowiedni kod umożliwiający szybkie odnalezienie pliku. Bardzo ważną cechą napędów DAT jest ich kompatybilność wstecz.



Rys. 1 Technologia DAT

Charakterystyka:
niska cena zarówno samego napędu jak i taśm
skomplikowana budowa,
wiele mechanicznych części,
taśma opuszcza kasetę,
ograniczona żywotność kasety (tylko 100 backupów) związana z rozciąganiem się taśmy,

Najnowszy streamer DAT (DDS-4) posiada możliwość zapisu 20GB bez kompresji lub 40 GB danych z kompresją na jednej kasetce.
SLR
W technologii SLR dane zapisywane są na kilku ścieżkach taśmy, która przesuwa się po torze liniowym względem głowicy, a zapis i odczyt realizowany jest w obydwu kierunkach dzięki mechanizmowi zmiany kierunku przesuwu taśmy. Głowica odczytująco-zapisująca przemieszcza się w poprzek taśmy co umożliwia zmianę ścieżki. W technologii SLR zapis/odczyt odbywa się z wykorzystaniem większej liczby ścieżek, co znacznie zwiększa wydajność systemu.



Rys. 2 Technologia SLR

Charakterystyka:
masywna podstawa gwarantująca:
stabilność mechaniczną,
odprowadzenie ciepła,
taśma nie opuszcza kasety,
długa żywotność kasety (250-700 backupów) okres przechowywania danych >10 lat,
prosta budowa - mało mechanicznych części
niezawodność
powolne ścieranie się taśmy

Możliwość zapisu do 100GB danych na jednej taśmie.
AIT
Zasada działania identyczna jak napędu DAT 4 mm, jedyna różnica to szerokość taśmy, która tutaj wynosi 8 mm. Zasadę działania można porównać do działania magnetowidu VHS.
DLT
Jest to jedna z najnowszych technik zapisu cyfrowego danych na taśmie magnetycznej. Charakteryzuje się ona bardzo dużą gęstością zapisu umożliwiającą zapis na jednej kasecie DLT do 40GB danych bez kompresji (DLT 8000) jak również znacznie większą prędkością transmisji danych, do 6,0 MB/s, co stanowi większą wartość niż w dotychczas stosowanych napędach. Było to możliwe do osiągnięcia dzięki odpowiedniemu mechanizmowi, nowym głowicom odczytująco-zapisującym jak również nowemu standardowi formatu zapisu. Technologia DLT jest obecnie postrzegana jako najbardziej profesjonalna i jest używana wszędzie tam gdzie backup-owane (archiwizowane) dane mają charakter strategiczny dla przedsiębiorstwa.

Budowę mechanizmu przedstawiono na rysunku 3. W kasecie znajduje się tylko jedna szpula na której nawinięta jest taśma, w momencie włożenia jej do mechanizmu jest ona wywlekana i zawijana na stałej szpuli znajdującej się w środku napędu. Przesuw taśmy odbywa się tutaj liniowo względem głowicy, analogicznie jak w technologii Travan.



Rys. 3 Technologia DLT

Charakterystyka:
prosta budowa,
nie poruszająca się głowica pisząco/czytająca,
długa żywotność kasety,
rolka nawijająca znajduje się w streamerze,
taśma opuszcza kasetę,
krytycznie w wypadku awarii,

Możliwość zapisu do 80GB danych (z kompresją) na jednej taśmie.
IBM Magstar
IBM Magstar jest oryginalną technologią opracowaną i produkowaną wyłącznie przez firmę IBM. Technologia ta jest bardzo szybka (szybkość zapisu zbliżona do zapisu na płytach magnetooptycznych) a żywotność taśmy nie ustępuje taśmom DLT.
SuperDLT
Klasa napędów DLT skierowana była i jest głównie do dużych rozwiązań backup-owych. Powody to m.in.: duże pojemności (do 80 GB z jednego nośnika), duża szybkość (do 43 GB/godzinę) i dość wysokie koszty urządzeń w porównaniu z innymi technologiami (np. SLR, DAT, AIT). Jednakże niewątpliwymi zaletami tej technologii są: bardzo duża niezawodność napędów, wytrzymałość nośnika - do 15 tys. cykli zapisujących oraz do 30 lat czasu przechowywania. Te cechy spowodowały, że urządzenia technologii DLT zdobyły i zdobywają dość znaczny rynek w dziedzinie storage - napędy taśmowe.
Najnowsza technologia producenta DLT - Quantum, nazwana SuperDLT, nie dość, że jest kompatybilna w dół (czyta nośniki zapisane w standardzie DLT), to dodatkowo najmniejszy napęd ma 80 GB nieskompresowanej pojemności. Innymi słowy jest to ciąg dalszy technologii DLT, jednak uzbrojonej w kilka rozwiązań, które mają szansę zrewolucjonizować dotychczasowe pojęcie backupu i napędu taśmowego. Urządzenia technologii SuperDLT skierowane są na rynek średnich i dużych rozwiązań backup-owych Unix i NT.

Innowacje technologiczne zastosowane w SuperDLT:
laserowo wspomagany zapis magnetyczny - LGMR Technology
obrotowy naprowadzający mechanizm optyczny - Pivoting Optical Servo (POS)
wiązka głowic magneto-rezystywnych - Magneto-Resistive Cluster Heads (MRC Heads)
niepełny sygnał - maksymalne prawdopodobieństwo odczytu - Partial Response Maximum Likelihood (PRML)
mechanizm zapinania taśmy - Positive Engagement Tape Leader Buckling Mechanism,
nośnik pokryty warstwą metaliczną - Advanced Metal Powder (AMP)

Laserowo wspomagany zapis magnetyczny (Laser Guided Magnetic Recording)
Jest to istota technologii SuperDLT. Połączenie optycznych i magnetycznych technologii bardzo istotnie wpłynęła na zwiększenie pojemności przez maksymalne wykorzystanie powierzchni nośnej (zdolnej do zapisu) taśmy. Przez magnetyczny zapis danych na powierzchni nośnej i optycznym prowadzeniu głowicy przy pomocy drugiej strony taśmy, LGMR optymalizuje wydajność technologii S-DLT, aby dostarczać najefektywniejsze, najbardziej pewne, skuteczne i skalowalne rozwiązanie backupu dla klasy midrange i highend.

Obrotowy naprowadzający mechanizm optyczny (Pivoting Optical Servo (POS))
Technologia POS łączy w sobie najlepsze technologie optyczne i magnetyczne, by zwiększyć pojemność i trwałość nośnika. POS łączy ze sobą wysokiej gęstości zapis/odczyt magnetyczny i laserowe prowadzenie głowicy. W przeciwieństwie do innych napędów taśmowych opartych na starszych technologiach, SuperDLT wykorzystuje w 100% powierzchnię nośnika do zapisu danych. Przez zaimplementowanie optycznego mechanizmu prowadzenia głowicy przy pomocy nieużywanej strony taśmy SuperDLT eliminuje potrzebę rezerwowania części nośnej taśmy do zapisu ścieżek prowadzących głowicę.
POS zwiększa wygodę użytkowania i zmniejsza koszty nośnika, dlatego, że nośnik nie musi być pre-formatowany by zapisać ścieżki prowadzące głowicę (servo-tracking).

Wiązka głowic magneto-rezystywnych (Magneto-Resistive Cluster (MRC) Heads)
Głowice MRC w technologii SuperDLT dają wyższy transfer danych i większą gęstość niż tradycyjne głowice tego samego rozmiaru. Głowice MRC (wiązka małych, tanich taśmowych głowic magneto-rezystywnych) są gęsto upakowane przy użyciu technologii "thin film processing" i umożliwiają bardzo efektywne wykorzystanie powierzchni (płatka) jednej głowicy co powoduje znaczne obniżenie kosztów. Dodatkowo, głowice MRC są mniej wrażliwe na warunki zewnętrzne i środowiskowe.

Niepełny sygnał - maksymalne prawdopodobieństwo odczytu (PRML) (Partial Response Maximum Likelihood)
Technologia PRML umożliwia napędom SuperDLT istotne zwiększenie transferu danych i pojemności poprzez zapewnienie wysokiej wydajności kodowania danych zapisywanych, dzięki czemu zwiększa się gęstość upakowania danych na nośniku. Technologia ta częściowo przeniesiona z dziedziny dysków twardych została poprawiona i rozwinięta przy współpracy Quantum i Lucent Technology. PRML wychodzi poza tradycyjną technologię stosowaną w dyskach twardych przez co wyznacza nowe poziomy wydajności i pojemności dla liniowych napędów taśmowych.

Mechanizm zapinania taśmy (Positive Engagement Tape Leader Buckling Mechanism)
Systemy SuperDLT cechuje pewny i bezpieczny system wyciągania i zapinania taśmy z cartrigea, który zwiększa żywotność nośnika i jest przystosowany do pracy w środowiskach automatycznych. Ten nowy unikalny mechanizm wyciągania i zapinania taśmy uruchamia prowadnice taśmy, kiedy cartridge jest ładowany do napędu i zwalnia je kiedy cartridge opuszcza napęd.
Wykorzystuje metalowy bolec, który jest przypięty do prowadnicy napędu, aby połączyć wyprofilowane klipsy - na stałe dołączone do prowadnic taśmy wewnątrz cartridgea. Jest to wbrew pozorom bardzo pewny mechaniczny system, który zapewnia długie i bezpieczne użytkowanie nośników. Dodatkowo ten mechanizm obsługuje również istniejące nośniki DLTtape IV, aby zapewnić wsteczną kompatybilność w czytaniu.

Nośnik pokryty warstwą metaliczną (Advanced Metal Powder Media)
Ten typ nośnika zapewnia najwyższą gęstość ścieżek, maksymalną pojemność i oczywiście zmniejsza całkowity koszt użytkowania. Nośnik pokryty jest bardzo trwałym proszkiem metalowym, dzięki któremu nośnik uzyskuje bardzo dużą gęstość zapisu danych. Tylna strona nośnika, która nie ma styku z głowicą jest pokryta specjalnie uformowaną powłoką, która ma zapisane na sobie ścieżki prowadzące głowicę (servo-tracks). Odczyt tych ścieżek dokonywany jest przy pomocy wiązki laserowej. Dzięki temu, że te informacje są zapisane na drugiej, tylne stronie nośnika cała przednią - nośną stronę można wykorzystać do zapisu danych, co zwiększa pojemność i eliminuje potrzebę pre-formatowania nośnika.
Ultrium LTO nowy format zapisu na taśmie magnetycznej
Technologia oraz standard LTO (Linear Tape Open) oznaczający otwarty zapis linowy został zaprojektowany przez trzy wielkie koncerny branży IT: Hewlett Packard, IBM oraz Seagate. Głównym celem prac jakie podjęto przy Ultrium LTO było przezwyciężenie granic jakie stawiają wykorzystywane obecnie formaty i technologie zapisu.
Niestety nadchodzi schyłek technologii DAT - model z serii DDS4 DAT40 to ostatni taki model na rynku oferujący zapis w tej technologii. Wychodząc naprzeciw potrzebom rynku i coraz szybciej rosnącym wielkościom dysków twardych serwerów i komputerów.
Nowy format i technologia nie ma swoich poprzedników i jest jedyna w swoim rodzaju. LTO nie jest kompatybilne z żadnym istniejącym formatem zapisu na taśmie magnetycznej. Projektanci technologii LTO postarali się, aby wykorzystać to co najlepsze z dotychczasowych technologii.

Najważniejsze cechy LTO:
Wielokanałowy zapis liniowy.
Magnetorezystywne głowice odczytujące.
Cienkowarstwowe, indukcyjne głowice zapisujące.
Detekcja i korekcja błędów.
Kompresja danych.
Nośniki danych MP (metal particle).
Kaseta z półcalową taśma magnetyczną o jednej szpuli.
LTO CM, kaseta z układem pamięci.
Charakterystyka napędu Ultrium LTO
Format zapisu Ultrium LTO
Zasady zapisu i odczytu danych Ultrium LTO
384 ścieżki, podzielone na 4 pasma danych po 96 ścieżek
pasma danych zapełniane są po kolei, tylko jedno na raz
pasma zapisywane są sekwencyjnie:
5 pasm danych servo, po 6 pozycji servo na każdym
pasma servo powyżej i poniżej pasma danych

Schemat techniczny
Detekcja i korekcja błędów w Ultrium LTO
istnieją dwa poziomy kodu ECC dla ochrony danych
10-17 stopa błędów nie korygowanych
10-27 stopa błędów nie wykrywanych
dane są możliwe do odzyskania nawet w przypadku awarii jednego kanału głowicy
kod CRC dodawany jest do rekordów jeszcze przed kompresją dla dodatkowej ochrony
ochrona przed przesłuchami spowodowanymi śladami poprzednich zapisów
odczyt w trakcie zapisu RWW pozwala na wykrycie błędnie zapisanych bloków danych (CCQ - tzw. czwórki kodowe)
błędny blok CCQ jest ponownie zapisywany na taśmie, z danymi przestawionymi w taki sposób, aby żaden blok CCQ nie był zapisywany na tej samej co poprzednio ścieżce

Mechanizm kompresji
Kompresja danych w Ultrium LTO jest oparta na ALDC (Adaptive Lossless Data Compression) z dwoma rozszerzeniami. Kompresja stosuje dwa schematy postępowania w celu zredukowania powiększania rozmiaru danych o małym współczynniku kompresji. Schemat jest wybierany automatycznie, w zależności od stopnia kompresji przetwarzanych danych
schemat 1 to kompresja z użyciem algorytmu ALDC.
schemat 2 to tryb prostego przepuszczania danych, ograniczający rozrost danych do mniej niż 0.5% (ALDC powiększa rozmiar danych o małym współczynniku kompresji o 12.5%.)

Mechanizm DRM
Ultrium LTO posiada wbudowany mechanizm DRM (Data Rate Matching), czyli inteligentny system dopasowywania się napędu do prędkości napływania danych z systemu. W napędzie Hewlett Packard Ultrium LTO bufor wynosi 16MB a system dopasowania prędkości taśmy działa w zakresie 6MB do 30MB na sekundę.

Podsumowując należy jednoznacznie stwierdzić, że technologie taśmowe przeżywają burzliwy rozkwit. Producenci bądź to prześcigają się w opracowywaniu nowych technologii bądź to zawiązują wspólne przedsięwzięcia na ich rzecz (tak jak w przypadku Ultrium LTO).
Technologie taśmowe były i będą niezbędnym elementem zarówno małych sieci jak i ogromnych sieci korporacyjnych.