Магнитно-ленточное хранение данных — это система хранения цифровой информации на магнитной ленте с использованием цифровой записи .
Лента была важным носителем для хранения первичных данных в ранних компьютерах, обычно с использованием больших открытых катушек с 7-дорожечной , а позже и 9-дорожечной лентой. Современная магнитная лента чаще всего упаковывается в картриджи и кассеты, например, широко поддерживаемая Linear Tape-Open (LTO) [1] и серия IBM 3592 . Устройство, выполняющее запись или чтение данных, называется стримером . Автозагрузчики и ленточные библиотеки часто используются для автоматизации обработки и замены картриджей. Совместимость была важна для возможности передачи данных.
Ленточное хранилище данных [2] теперь больше используется для резервного копирования системы, [3] архивирования данных и обмена данными. Низкая стоимость ленты делает ее пригодной для долгосрочного хранения и архивирования. [4]
Первоначально магнитную ленту для хранения данных наматывали на катушки диаметром 10,5 дюйма (27 см) . [5] Этот стандарт для больших компьютерных систем сохранялся до конца 1980-х годов, при этом емкость постоянно увеличивалась из-за более тонких подложек и изменений в кодировании. Ленточные картриджи и кассеты были доступны с середины 1970-х годов и часто использовались в небольших компьютерных системах. С появлением в 1984 году картриджа IBM 3480, который описывался как «примерно четверть размера... но в нем хранилось на 20 процентов больше данных», [6] крупные компьютерные системы начали отходить от лент с открытой катушкой и в сторону патронов. [7]
Магнитная лента была впервые использована для записи компьютерных данных в 1951 году на UNIVAC I. [8] Носитель записи UNISERVO представлял собой тонкую металлическую полоску шириной 0,5 дюйма (12,7 мм) из никелированной фосфористой бронзы . Плотность записи составляла 128 символов на дюйм (198 микрометров на символ) на восьми дорожках при линейной скорости 100 дюймов в секунду (2,54 м/с), что обеспечивало скорость передачи данных 12 800 символов в секунду. Из восьми дорожек шесть были для данных, одна для контроля четности и одна для тактовой частоты или дорожки синхронизации. С учетом пустого пространства между блоками ленты фактическая скорость передачи составляла около 7200 символов в секунду. Небольшая катушка майларовой ленты обеспечивала разделение металлической ленты и головки чтения/записи. [9]
В компьютерах IBM 1950-х годов использовалась лента с покрытием из оксида железа , аналогичная той, которая используется для аудиозаписи. Технология IBM вскоре стала де-факто отраслевым стандартом . Размеры магнитной ленты составляли 0,5 дюйма (12,7 мм) в ширину и наматывались на съемные катушки. Были доступны ленты различной длины: 1200 футов (370 м) и 2400 футов (730 м) в милах , а половина толщины была в некоторой степени стандартной. [ необходимы разъяснения ] В 1980-х годах стали доступны ленты большей длины, например 3600 футов (1100 м), с использованием гораздо более тонкой ПЭТ-пленки . Большинство ленточных накопителей поддерживают максимальный размер катушки 10,5 дюймов (267 мм). Так называемый мини-ролик обычно использовался для небольших наборов данных, например, для распространения программного обеспечения. Это были 7-дюймовые (18 см) катушки, часто без фиксированной длины — размер ленты подбирался в соответствии с объемом записанных на ней данных в целях экономии. [ нужна цитата ]
CDC использовала IBM-совместимые магнитные ленты диаметром 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм), но также предлагала вариант шириной 1 дюйм (25 мм) с 14 дорожками (12 дорожек данных соответствуют 12-битному слову серии CDC 6000). периферийные процессоры плюс 2 бита четности) в приводе CDC 626. [10]
Ранние ленточные накопители IBM, такие как IBM 727 и IBM 729 , представляли собой механически сложные напольные накопители, в которых использовались вакуумные колонны для буферизации длинных U-образных петель ленты. Благодаря сервоуправлению мощными катушечными двигателями, маломассивному кабестанному приводу, а также низкому трению и контролируемому натяжению вакуумных колонн можно добиться быстрого запуска и остановки ленты на границе раздела лента-головка. [a] Быстрое ускорение возможно, поскольку масса ленты в вакуумных колоннах мала; Длина ленты, буферизованной в столбцах, обеспечивает время для ускорения высокоинерционных катушек . В активном состоянии две катушки с лентой, таким образом, подавали ленту в вакуумные колонны или вытягивали ее из них, периодически вращаясь быстрыми, несинхронизированными рывками, что приводило к визуально поразительному действию. Стандартные кадры таких движущихся ленточных накопителей с вакуумной колонной по иронии судьбы использовались для изображения компьютеров в кино и на телевидении. [11]
Ранняя полудюймовая лента имела семь параллельных дорожек данных по всей длине ленты, что позволяло записывать на ленту 6-битные символы плюс 1 бит четности . Это было известно как 7-дорожечная лента . С появлением мэйнфрейма IBM System/360 были представлены 9-дорожечные ленты для поддержки новых 8-битных символов, которые он использовал. Конец файла обозначался специальным записанным шаблоном, называемым меткой ленты , а конец записанных данных на ленте - двумя последовательными метками ленты. Физическое начало и конец пригодной к использованию ленты обозначались светоотражающими полосками из алюминиевой фольги, расположенными на обратной стороне. [ нужна цитата ]
Плотность записи со временем увеличивалась. Обычная плотность семидорожечной печати начиналась с 200 символов на дюйм (CPI), затем с 556 и, наконец, с 800; 9-дорожечные ленты имели плотность 800 (при использовании NRZI ), затем 1600 (при использовании PE ) и, наконец, 6250 (при использовании GCR ). Это соответствует примерно 5–140 мегабайтам на катушку ленты стандартной длины (2400 футов, 730 м). Эффективная плотность также увеличилась, поскольку межблочный зазор ( межзаписный зазор ) уменьшился с номинального 3 ⁄ дюйма ( 19 мм) на 7-дорожечной катушке с лентой до номинального 0,30 дюйма (7,6 мм) на 6250 бит/дюйм [ нужны разъяснения ] 9 -катушка с трековой лентой. [12]
По крайней мере отчасти благодаря успеху System/360 и полученной в результате стандартизации 8-битных кодов символов и байтовой адресации, 9-дорожечные ленты очень широко использовались в компьютерной индустрии в 1970-х и 1980-х годах. [13] IBM прекратила выпуск новых катушечных продуктов, заменив их продуктами на основе картриджей, начиная с выпуска в 1984 году семейства 3480 на основе картриджей . [ нужна цитата ]
LINCtape и его производная DECtape были вариациями этой «круглой ленты». По сути, они представляли собой персональный носитель информации: [14] использовалась лента шириной 0,75 дюйма (19 мм) с фиксированной дорожкой форматирования, которая, в отличие от стандартной ленты, позволяла многократно считывать и перезаписывать блоки на месте. LINCtapes и DECtapes имели такую же емкость и скорость передачи данных, что и дискеты , которые их вытеснили, но время доступа к ним составляло от тридцати секунд до минуты. [ нужна цитата ]
В контексте магнитной ленты термин «кассета» или «картридж» означает отрезок магнитной ленты в пластиковом корпусе с одной или двумя катушками для управления движением ленты. Тип упаковки влияет на время загрузки и разгрузки, а также на длину удерживаемой ленты. В картридже с одной катушкой в приводе имеется приемная бобина, тогда как в картридже с двумя барабанами в картридже имеются как приемная, так и подающая бобины. Ленточный накопитель использует один или несколько точно управляемых двигателей для перемотки ленты с одной катушки на другую, проходя при этом через головку чтения/записи. [ нужна цитата ]
Другим типом является бесконечный картридж с лентой , который имеет непрерывную петлю ленты, намотанную на специальную катушку, которая позволяет вытягивать ленту из центра катушки, а затем наматывать ее по краю, и поэтому не требует перемотки для повторения. . Этот тип аналогичен картриджу с одной катушкой тем, что внутри стримера нет приемной бобины. [ нужна цитата ]
В приводе IBM 7340 Hypertape, представленном в 1961 году, использовалась кассета с двумя катушками и лентой шириной 1 дюйм (2,5 см), способная вместить 2 миллиона шестибитных символов на кассету. [ нужна цитата ]
В 1970-х и 1980-х годах аудиокомпакт- кассеты часто использовались в качестве недорогой системы хранения данных для домашних компьютеров [b] или , в некоторых случаях, для диагностики или загрузочного кода для более крупных систем, таких как Burroughs B1700 . [16] Компакт-кассеты логически и физически последовательны; их необходимо перемотать и прочитать с начала, чтобы загрузить данные. Первые картриджи были доступны до того, как у персональных компьютеров появились доступные дисководы, и их можно было использовать в качестве устройств произвольного доступа , автоматически наматывая и позиционируя ленту, хотя и со временем доступа в несколько секунд.
В 1984 году IBM представила семейство однобарабанных картриджей и ленточных накопителей 3480 , которые затем производились рядом поставщиков как минимум до 2004 года. Первоначально емкость семейства составляла 200 мегабайт на картридж, но со временем емкость семейства увеличилась до 2,4 гигабайта на картридж. DLT (Digital Linear Tape), также кассетная лента, была доступна с 1984 года, но в 2007 году дальнейшее развитие было остановлено в пользу LTO. [ нужна цитата ]
В 2003 году IBM представила семейство 3592 , пришедшее на смену IBM 3590 . Хотя название похожее, между 3590 и 3592 нет совместимости. Как и предыдущие модели 3590 и 3480, этот формат ленты имеет ленту шириной 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм), намотанную на один бобинный картридж. Первоначально представленное для поддержки 300 гигабайт, шестое поколение, выпущенное в 2018 году, поддерживает собственную емкость 20 терабайт. [17]
Однобарабанный картридж Linear Tape-Open (LTO) был анонсирован в 1997 году и имел емкость 100 гигабайт, а в восьмом поколении он поддерживает 12 терабайт в картридже того же размера. По состоянию на 2019 год [update]LTO полностью вытеснил все другие ленточные технологии в компьютерных приложениях, за исключением некоторых моделей IBM 3592 высшего класса. [ нужна цитата ]
Байты на дюйм (BPI) — это показатель плотности, с которой данные хранятся на магнитных носителях. Термин BPI может относиться кбит на дюйм ,[18], но чаще относится кбайтамна дюйм.[19]
Термин BPI может означать байты на дюйм, когда дорожки определенного формата организованы по байтам, как на лентах с девятью дорожками. [20]
Ширина носителя является основным критерием классификации ленточных технологий. Половина дюйма (13 мм) исторически была наиболее распространенной шириной ленты для хранения данных большой емкости. [21] Существует множество других размеров, и большинство из них были разработаны либо с меньшей упаковкой, либо с большей вместимостью. [ нужна цитата ]
Метод записи также является важным способом классификации ленточных технологий, который обычно делится на две категории: линейные и сканирующие. [ нужна цитата ]
Линейный метод упорядочивает данные в длинные параллельные дорожки, охватывающие всю длину ленты. Несколько ленточных головок одновременно записывают параллельные дорожки ленты на одном носителе. Этот метод использовался в первых ленточных накопителях. Это самый простой метод записи, но он имеет самую низкую плотность данных. [ нужна цитата ]
Разновидностью линейной технологии является линейная змеевидная запись, при которой используется больше дорожек, чем головок ленты. Каждая головка по-прежнему записывает по одному треку за раз. Сделав проход по всей длине ленты, все головки слегка смещаются и делают еще один проход в обратном направлении, записывая еще один набор дорожек. Эта процедура повторяется до тех пор, пока все дорожки не будут прочитаны или записаны. При использовании линейного змеевидного метода ленточный носитель может иметь гораздо больше дорожек, чем головок чтения/записи. По сравнению с простой линейной записью с использованием той же длины ленты и того же количества головок емкость хранения данных существенно выше. [ нужна цитата ]
Методы сканирующей записи записывают короткие плотные дорожки по ширине ленты, а не по длине. Ленточные головки помещаются на барабан или диск, который быстро вращается, в то время как относительно медленно движущаяся лента проходит через него. [ нужна цитата ]
Ранним методом, использовавшимся для получения более высокой скорости передачи данных, чем преобладающий линейный метод, было поперечное сканирование . В этом методе вращающийся диск с головками ленты, встроенными во внешний край, размещается перпендикулярно пути ленты. Этот метод используется в приборных устройствах записи данных DCRsi компании Ampex и в старой квадруплексной видеокассетной системе Ampex. Еще одним ранним методом было дугообразное сканирование . В этом методе головки располагаются на поверхности вращающегося диска, который прилегает к ленте. Путь головок ленты образует дугу. [ нужна цитата ]
Запись со спиральной разверткой записывает короткие плотные дорожки по диагонали . Этот метод используется практически всеми современными системами видеозаписи и некоторыми форматами лент данных. [ нужна цитата ]
В типичном формате данные записываются на ленту блоками с межблочными промежутками между ними, и каждый блок записывается за одну операцию, при этом лента работает непрерывно во время записи. Однако, поскольку скорость записи или чтения данных на ленточный накопитель варьируется, стримеру обычно приходится справляться с разницей между скоростью, с которой данные передаются на ленту и удаляются с нее, и скоростью, с которой данные предоставляются или запрашиваются. его хозяином. [ нужна цитата ]
Чтобы справиться с этой разницей, использовались различные методы по отдельности и в сочетании. Если хост не может поддерживать скорость передачи данных стримера, стример можно остановить, выполнить резервное копирование и перезапустить (так называемая чистка обуви ). Для постановки данных в очередь можно использовать большой буфер памяти. Раньше размер блока хоста влиял на плотность данных на ленте, но на современных накопителях данные обычно организованы в блоки фиксированного размера, которые могут или не могут быть сжаты или зашифрованы, а размер блока хоста больше не влияет на плотность данных на ленте. . Современные ленточные накопители предлагают функцию согласования скорости, при которой накопитель может динамически уменьшать физическую скорость ленты по мере необходимости, чтобы избежать чистки обуви. [22]
Раньше размер промежутка между блоками был постоянным, а размер блока данных зависел от размера блока хоста, что влияло на емкость ленты – например, на хранилище данных ключа счета . На большинстве современных приводов это уже не так. Линейные накопители ленточного типа с открытым доступом используют блок фиксированного размера для ленты ( архитектура с фиксированным блоком ), независимую от размера блока хоста, а зазор между блоками является переменным, чтобы обеспечить согласование скорости во время записи. [ нужна цитата ]
На дисках со сжатием сжимаемость данных будет влиять на емкость. [ как? ]
Лента характеризуется последовательным доступом к данным. Хотя лента может обеспечить быструю передачу данных, загрузка кассеты и установка головки ленты на выбранные данные занимают десятки секунд. Напротив, технология жестких дисков может выполнить эквивалентное действие за десятки миллисекунд (на 3 порядка быстрее) и ее можно рассматривать как предлагающую произвольный доступ к данным. [ нужна цитата ]
Файловые системы требуют, чтобы данные и метаданные хранились на носителе данных. Хранение метаданных в одном месте, а данных в другом, как это происходит в дисковых файловых системах, требует действий по перепозиционированию. В результате большинство ленточных систем используют упрощенную файловую систему, в которой файлы адресуются по номеру, а не по имени. Метаданные , такие как имя файла или время модификации, обычно не сохраняются вообще. Этикетки на лентах хранят такие метаданные и используются для обмена данными между системами. Были созданы инструменты архивирования файлов и резервного копирования для упаковки нескольких файлов вместе со соответствующими метаданными в один ленточный файл. Змеевидные ленточные накопители (например, QIC ) обеспечивают улучшенное время доступа за счет переключения на соответствующую дорожку; разделы ленты используются для хранения информации о каталогах. [23] Линейная ленточная файловая система — это метод хранения метаданных файла на отдельной части ленты. Это позволяет копировать и вставлять файлы или каталоги на ленту, как если бы это был диск, но не меняет фундаментальную природу последовательного доступа к ленте. [ нужна цитата ]
Лента имеет длительное время произвольного доступа, поскольку дека должна намотать в среднем одну треть длины ленты, чтобы переместиться из одного произвольного положения в другое. Ленточные системы пытаются уменьшить внутреннюю длительную задержку либо с помощью индексации, при которой поддерживается отдельная таблица поиска ( каталог ленты ), которая определяет физическое расположение ленты для заданного номера блока данных (обязательно для змеевиковых накопителей), либо путем маркировки блоков значком метка на ленте , которую можно обнаружить при намотке ленты на высокой скорости. [ нужна цитата ]
Большинство ленточных накопителей теперь поддерживают тот или иной вид сжатия данных без потерь . Существует несколько алгоритмов, которые дают схожие результаты: LZW ( широко поддерживается ) , IDRC (Exabyte), ALDC (IBM, QIC) и DLZ1 (DLT). [ нужна цитация ] Встроенные в аппаратное обеспечение ленточного накопителя, они сжимают за раз относительно небольшой буфер данных, поэтому не могут достичь чрезвычайно высокого сжатия даже очень избыточных данных. Типично соотношение 2:1, некоторые производители заявляют, что оно составляет 2,6:1 или 3:1. Фактически полученное соотношение зависит от характера данных, поэтому на степень сжатия нельзя полагаться при определении емкости оборудования, например, диск, заявленный в сжатом виде, емкостью 500 ГБ может оказаться недостаточным для резервного копирования 500 ГБ реальных данных. Данные, которые уже хранятся эффективно, могут не допускать значительного сжатия, а разреженная база данных может предложить гораздо более важные факторы. Программное сжатие может обеспечить гораздо лучшие результаты при разреженных данных, но использует процессор главного компьютера и может замедлить резервное копирование, если главный компьютер не может сжимать так же быстро, как записываются данные. [ нужна цитата ]
Алгоритмы сжатия, используемые в продуктах начального уровня, не являются оптимально эффективными, и лучшие результаты можно получить, отключив аппаратное сжатие и вместо этого используя программное сжатие (и, при желании, шифрование). [ нужна цитата ]
Обычный текст, необработанные изображения и файлы баз данных ( TXT , ASCII , BMP , DBF и т. д.) обычно сжимаются намного лучше, чем другие типы данных, хранящиеся в компьютерных системах. Напротив, зашифрованные данные и предварительно сжатые данные ( PGP , ZIP , JPEG , MPEG , MP3 и т. д.) обычно увеличиваются в размере [c] , если применяется сжатие данных. В некоторых случаях это расширение данных может достигать 15%. [ нужна цитата ]
Существуют стандарты шифрования лент. [24] Используется шифрование, поэтому даже в случае кражи ленты воры не смогут использовать данные на ленте. Управление ключами имеет решающее значение для обеспечения безопасности. Сжатие более эффективно, если оно выполняется до шифрования, поскольку зашифрованные данные не могут быть эффективно сжаты из-за вносимой ими энтропии. Некоторые ленточные накопители корпоративного уровня оснащены оборудованием, позволяющим быстро шифровать данные. [ нужна цитата ]
Некоторые ленточные картриджи, особенно картриджи LTO , имеют встроенные небольшие связанные с ними микросхемы хранения данных для записи метаданных о ленте, таких как тип кодирования, размер хранилища, даты и другая информация. Картриджи с ленточными лентами также часто имеют на этикетках штрих-коды, чтобы облегчить работу автоматизированной библиотеки ленточных носителей. [25]
Ленточные ленты остаются жизнеспособными в современных центрах обработки данных, потому что: [26] [27] [28]
Самые дешевые уровни облачного хранилища могут поддерживаться с помощью ленты. [29]
В 2002 году Imation получила грант в размере 11,9 миллионов долларов США от Национального института стандартов и технологий США на исследования по увеличению емкости магнитной ленты для хранения данных. [30]
В 2014 году Sony и IBM объявили, что им удалось записать 148 гигабит на квадратный дюйм с помощью магнитной ленты, разработанной с использованием новой технологии вакуумного формирования тонких пленок, способной формировать чрезвычайно мелкие кристаллические частицы, технологии хранения на магнитной ленте с самым высоким зарегистрированным магнитным полем. плотность данных на ленте 148 Гбит/дюйм² (23 Гбит/см²), что потенциально обеспечивает собственную емкость ленты 185 ТБ. [31] [32] Он был доработан Sony , объявив в 2017 году о заявленной плотности данных 201 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), что дает стандартную емкость сжатой ленты 330 ТБ. [33]
В мае 2014 года Fujifilm последовала за Sony и объявила, что совместно с IBM разработает ленточный картридж емкостью 154 ТБ , который будет иметь плотность хранения данных 85,9 ГБит/дюйм² (13,3 миллиарда бит на см²) на линейной магнитной ленте с частицами. . [34] Технология NANOCUBIC, разработанная Fujifilm, уменьшает объем частиц магнитной ленты BaFe, одновременно увеличивая гладкость ленты, увеличивая соотношение сигнал/шум во время чтения и записи, обеспечивая при этом высокочастотный отклик. [ нужна цитата ]
В декабре 2020 года Fujifilm и IBM анонсировали технологию, которая позволит создать кассету с лентой емкостью 580 терабайт, используя феррит стронция в качестве носителя записи. [35]
...он заменил стандартный...
...стал обязательным на многих компьютерах, от мэйнфреймов до мини-компьютеров.
Ленточные накопители по-прежнему предлагают ряд преимуществ, которых нет у облачного хранилища.