Магнитофонная система хранения данных — это система хранения цифровой информации на магнитной ленте с использованием цифровой записи .
Лента была важным носителем для первичного хранения данных в ранних компьютерах, обычно с использованием больших открытых катушек с 7-дорожечной лентой , позже с 9-дорожечной лентой. Современная магнитная лента чаще всего упаковывается в картриджи и кассеты, такие как широко поддерживаемые Linear Tape-Open (LTO) [1] и IBM 3592 series. Устройство, которое выполняет запись или чтение данных, называется ленточным накопителем . Автозагрузчики и ленточные библиотеки часто используются для автоматизации обработки и обмена картриджами. Совместимость была важна для обеспечения передачи данных.
Ленточное хранилище данных [2] теперь используется больше для резервного копирования системы, [3] архивирования данных и обмена данными. Низкая стоимость ленты сохранила ее жизнеспособность для долгосрочного хранения и архивирования. [4]
Первоначально магнитная лента для хранения данных наматывалась на катушки размером 10,5 дюймов (27 см) . [5] Этот стандарт для больших компьютерных систем сохранялся до конца 1980-х годов, с постоянно увеличивающейся емкостью из-за более тонких подложек и изменений в кодировке. Ленточные картриджи и кассеты были доступны с середины 1970-х годов и часто использовались с небольшими компьютерными системами. С появлением картриджа IBM 3480 в 1984 году, описанного как «примерно вчетверо меньшего размера... но при этом он хранил на 20 процентов больше данных», [6] большие компьютерные системы начали отходить от лент с открытыми катушками и переходить на картриджи. [7]
Магнитная лента впервые была использована для записи компьютерных данных в 1951 году на UNIVAC I. [8] Носитель записи привода 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 с линейной скоростью 100 дюймов/с (2,54 м/с), что давало скорость передачи данных 12 800 символов в секунду. Из восьми дорожек шесть были данными, одна была для четности и одна была тактовой или дорожкой синхронизации. С учетом пустого пространства между блоками ленты фактическая скорость передачи составляла около 7 200 символов в секунду. Небольшая катушка майларовой ленты обеспечивала разделение между металлической лентой и головкой чтения/записи. [9]
Компьютеры IBM 1950-х годов использовали ленту с покрытием из оксида железа, похожую на ту, что используется в аудиозаписи. Технология IBM вскоре стала фактическим отраслевым стандартом . Размеры магнитной ленты составляли 0,5 дюйма (12,7 мм) в ширину и наматывались на сменные катушки. Были доступны ленты разной длины: 1200 футов (370 м) и 2400 футов (730 м) на мил , а толщина в пол была довольно стандартной. [ необходимо разъяснение ] В 1980-х годах стали доступны ленты большей длины, такие как 3600 футов (1100 м), с использованием гораздо более тонкой пленки ПЭТ . Большинство ленточных накопителей могли поддерживать максимальный размер катушки 10,5 дюймов (267 мм). Так называемая мини-катушка была распространена для небольших наборов данных, таких как распространение программного обеспечения. Это были 7-дюймовые (18 см) катушки, часто без фиксированной длины — лента подбиралась по размеру, соответствующему объему записанных на ней данных, в целях экономии средств. [ необходима цитата ]
CDC использовала совместимые с IBM магнитные ленты шириной 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм), но также предлагала вариант шириной 1 дюйм (25 мм) с 14 дорожками (12 дорожек данных, соответствующих 12-битному слову периферийных процессоров серии CDC 6000 , плюс 2 бита четности) в приводе CDC 626. [10]
Ранние ленточные накопители IBM, такие как IBM 727 и IBM 729 , были механически сложными напольными накопителями, которые использовали вакуумные колонки для буферизации длинных U-образных петель ленты. Благодаря сервоуправлению мощными двигателями катушек, маломассивному приводу кабестан и малому трению и контролируемому натяжению вакуумных колонок можно было добиться быстрого запуска и остановки ленты на интерфейсе лента-головка. [a] Быстрое ускорение возможно, поскольку масса ленты в вакуумных колонках мала; длина ленты, буферизованной в колонках, обеспечивает время для ускорения высокоинерционных катушек . В активном состоянии две ленточные катушки таким образом подавали ленту в вакуумные колонки или вытягивали ленту из них, периодически вращаясь быстрыми, несинхронизированными рывками, что приводило к визуально поразительному действию. Стандартные кадры таких вакуумных ленточных накопителей в движении были символически репрезентативными для компьютеров в фильмах и на телевидении. [11]
Ранняя лента формата полудюйма 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 лента с 7 дорожками . С появлением мэйнфрейма IBM System/360 были введены ленты с 9 дорожками 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 для использования ленты обозначались отражающими клейкими полосками алюминиевой фольги, размещенными на обратной стороне. [ необходима цитата ]
Плотность записи увеличивалась с течением времени. Обычные 7-дорожечные плотности начинались с 200 символов на дюйм (CPI), затем 556 и, наконец, 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 стандартную длину (2400 футов, 730 м) катушки ленты. Эффективная плотность также увеличивалась, поскольку межблочный зазор ( межзаписной зазор ) уменьшался с номинальных 3 ⁄ дюймов (19 мм) на 7-дорожечной катушке до номинальных 0,30 дюймов (7,6 мм) на 6250 bpi [ необходимо разъяснение ] 9-дорожечной катушке ленты. [12]
По крайней мере, отчасти благодаря успеху System/360 и последовавшей за этим 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 . [ требуется ссылка ]
LINCtape и его производная DECtape были вариациями этой «круглой ленты». По сути, они были персональным носителем информации, [14] использовали ленту шириной 0,75 дюйма (19 мм) и имели фиксированную форматирующую дорожку, которая, в отличие от стандартной ленты, позволяла многократно считывать и перезаписывать блоки на месте. LINCtape и DECtape имели схожую емкость и скорость передачи данных с дискетами , которые их заменили, но их время доступа составляло порядка тридцати секунд до минуты. [ необходима 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 выгрузки, а также на длину ленты, которую можно удерживать. В картридже с одной катушкой в приводе есть приемная катушка, тогда как в картридже с двумя катушками в картридже есть как приемная, так и подающая катушки. Ленточный накопитель использует один или несколько точно управляемых двигателей для перемотки ленты с одной катушки на другую, проходя при этом головку чтения/записи. [ необходима цитата ]
Другой тип — бесконечный ленточный картридж , который имеет непрерывную петлю ленты, намотанной на специальную катушку, которая позволяет ленте вытягиваться из центра катушки, а затем оборачиваться вокруг края, и поэтому не нуждается в перемотке для повторения. Этот тип похож на однокатушечный картридж в том, что внутри лентопротяжного устройства нет приемной катушки. [ необходима цитата ]
Гиперленточный накопитель IBM 7340 , представленный в 1961 году, использовал двухкатушечную кассету с лентой шириной 1 дюйм (2,5 см), способную вмещать 2 миллиона шестибитных символов на кассету. [ необходима цитата ]
В 1970-х и 1980-х годах аудиокассеты Compact 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, а также физически последовательны; их необходимо перематывать и считывать с самого начала, чтобы загрузить данные. Ранние картриджи были доступны до того, как персональные компьютеры получили доступные дисководы, и могли использоваться в качестве устройств произвольного доступа , автоматически перематывая и позиционируя ленту, хотя и со временем доступа в несколько секунд.
В 1984 году IBM представила семейство картриджей и ленточных накопителей 3480 с одной катушкой, которые затем производились рядом поставщиков по крайней мере до 2004 года. Первоначально обеспечивавшая 200 мегабайт на картридж, емкость семейства со временем увеличилась до 2,4 гигабайт на картридж. DLT (Digital Linear Tape), также лента на основе картриджа, была доступна с 1984 года, но с 2007 года дальнейшая разработка была остановлена в пользу LTO. [ необходима цитата ]
В 2003 году IBM представила семейство 3592 , чтобы заменить IBM 3590. Хотя названия похожи, между 3590 и 3592 нет совместимости. Как и в 3590 и 3480 до него, этот формат ленты имеет ленту 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм), намотанную на картридж с одной катушкой. Первоначально представленное для поддержки 300 гигабайт, шестое поколение, выпущенное в 2018 году, поддерживает собственную емкость 20 терабайт. [17]
Однокатушечный картридж Linear Tape-Open[update] (LTO) был анонсирован в 1997 году на 100 гигабайт и в своем восьмом поколении поддерживает 12 терабайт в картридже того же размера. По состоянию на 2019 год LTO полностью вытеснил все другие ленточные технологии в компьютерных приложениях, за исключением некоторых семейств IBM 3592 в high-end. [ необходима цитата ]
Байты на дюйм (BPI) — это метрика плотности, с которой данные хранятся на магнитном носителе. 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 побайтно, как в девятидорожечных лентах. [20]
Ширина носителя является основным критерием классификации ленточных технологий. Полдюйма (13 мм) исторически была самой распространенной шириной ленты для хранения данных большой емкости. [21] Существует много других размеров, и большинство из них были разработаны либо для меньшей упаковки, либо для большей емкости. [22]
Метод записи также является важным способом классификации технологий записи на ленту, которые обычно делятся на две категории: линейные и сканирующие. [ необходима цитата ]
Линейный метод размещает данные на длинных параллельных дорожках, которые охватывают всю длину ленты. Несколько головок ленты одновременно записывают параллельные дорожки ленты на одном носителе. Этот метод использовался в ранних ленточных накопителях. Это самый простой метод записи, но также имеет самую низкую плотность данных. [ необходима цитата ]
Разновидностью линейной технологии является линейная змеевидная запись, которая использует больше дорожек, чем головок ленты. Каждая головка по-прежнему записывает одну дорожку за раз. После прохода по всей длине ленты все головки слегка сдвигаются и делают еще один проход в обратном направлении, записывая другой набор дорожек. Эта процедура повторяется до тех пор, пока все дорожки не будут прочитаны или записаны. При использовании линейного змеевидного метода носитель ленты может иметь гораздо больше дорожек, чем головок чтения/записи. По сравнению с простой линейной записью, использующей ту же длину ленты и то же количество головок, емкость хранения данных существенно выше. [ необходима цитата ]
Методы записи сканирования записывают короткие плотные дорожки по ширине ленточного носителя, а не по длине. Головки ленты размещаются на барабане или диске, который быстро вращается, в то время как относительно медленно движущаяся лента проходит мимо него. [ необходима 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 регистраторах данных DCRsi от Ampex и в старой системе видеозаписи Ampex Quadrupplex . Другим ранним методом было дугообразное сканирование . В этом методе головки находятся на лицевой стороне вращающегося диска, который кладется плашмя на ленту. Путь головок ленты образует дугу. [ необходима цитата ]
Спиральная сканирующая запись записывает короткие плотные дорожки по диагонали . Этот метод используется практически всеми текущими системами видеолент и несколькими форматами лент данных. [ необходима цитата ]
В типичном формате данные записываются на ленту блоками с межблочными промежутками между ними, и каждый блок записывается за одну операцию, при этом лента непрерывно работает во время записи. Однако, поскольку скорость, с которой данные записываются или считываются с ленточного накопителя, варьируется, ленточный накопитель обычно должен справляться с разницей между скоростью, с которой данные записываются и снимаются с ленты, и скоростью, с которой данные поставляются или запрашиваются его хостом. [ необходима цитата ]
Различные методы использовались по отдельности и в сочетании, чтобы справиться с этой разницей. Если хост не может справиться со скоростью передачи данных ленточного накопителя, ленточный накопитель можно остановить, сделать резервную копию и перезапустить (это известно как чистка обуви ). Большой буфер памяти может использоваться для очереди данных. В прошлом размер блока хоста влиял на плотность данных на ленте, но на современных накопителях данные обычно организованы в блоки фиксированного размера, которые могут быть или не 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. [23]
В прошлом размер межблочного зазора был постоянным, в то время как размер блока данных основывался на размере блока хоста, влияя на емкость ленты, например, на количество ключевых данных хранилища. На большинстве современных приводов это больше не так. Приводы типа Linear Tape-Open используют блок фиксированного размера для ленты ( архитектура фиксированного блока ), независимо от размера блока хоста, а межблочный зазор является переменным, чтобы помочь с согласованием скорости во время записи. [ необходима цитата ]
На дисках со сжатием сжимаемость данных повлияет на емкость. [ как? ]
Лента характеризуется последовательным доступом к данным. Хотя лента может обеспечить быструю передачу данных, для загрузки кассеты и позиционирования головки ленты на выбранных данных требуются десятки секунд. Напротив, технология жесткого диска может выполнить эквивалентное действие за десятки миллисекунд (на 3 порядка быстрее) и может рассматриваться как предлагающая произвольный доступ к данным. [ необходима цитата ]
Файловые системы требуют, чтобы данные и метаданные хранились на носителе данных. Хранение метаданных в одном месте, а данных в другом, как это делается в файловых системах на основе дисков, требует перепозиционирования. В результате большинство ленточных систем используют упрощенную файловую систему, в которой файлы адресуются по номеру, а не по имени файла. Метаданные, такие как имя файла или время изменения, обычно вообще не сохраняются. Метки лент хранят такие метаданные и используются для обмена данными между системами. Архиваторы файлов и инструменты резервного копирования были созданы для упаковки нескольких файлов вместе с соответствующими метаданными в один файл ленты. Ленточные накопители Serpentine (например, QIC ) предлагают улучшенное время доступа за счет переключения на соответствующую дорожку; разделы ленты используются для информации о каталогах. [24] Линейная ленточная файловая система — это метод хранения метаданных файлов на отдельной части ленты. Это позволяет копировать и вставлять файлы или каталоги на ленту, как если бы это был диск, но не меняет фундаментальную последовательную природу доступа ленты. [ необходима цитата ]
Лента имеет длительное время случайного доступа, поскольку дека должна намотать в среднем одну треть длины ленты, чтобы перейти из одной произвольной позиции в другую. Ленточные системы пытаются облегчить внутреннюю длительную задержку, либо используя индексирование, где поддерживается отдельная таблица поиска ( каталог ленты ), которая указывает физическое местоположение ленты для заданного номера блока данных (обязательно для змеевидных приводов), либо маркируя блоки меткой ленты , которая может быть обнаружена при намотке ленты на высокой скорости. [ необходима цитата ]
Большинство ленточных накопителей теперь включают в себя некоторый вид сжатия данных без потерь . Существует несколько алгоритмов, которые обеспечивают схожие результаты: LZW [ требуется цитата ] (широко поддерживается), IDRC (Exabyte), ALDC (IBM, QIC) и DLZ1 (DLT). [ требуется цитата ] Встроенные в оборудование ленточного накопителя, они сжимают относительно небольшой буфер данных за раз, поэтому не могут достичь чрезвычайно высокого сжатия даже для высоко избыточных данных. Типичным является соотношение 2:1, некоторые поставщики заявляют 2,6:1 или 3:1. Фактически полученное соотношение зависит от характера данных, поэтому на коэффициент сжатия нельзя полагаться при указании емкости оборудования, например, накопитель, заявляющий сжатую емкость 500 ГБ, может быть недостаточным для резервного копирования 500 ГБ реальных данных. Данные, которые уже хранятся эффективно, могут не допускать какого-либо значительного сжатия, а разреженная база данных может предлагать гораздо большие коэффициенты. Программное сжатие может достигать гораздо лучших результатов с разреженными данными, но использует процессор хост-компьютера и может замедлить резервное копирование, если хост-компьютер не может сжимать данные так же быстро, как они записываются. [ необходима цитата ]
Алгоритмы сжатия, используемые в недорогих продуктах, не являются оптимально эффективными, и лучшие результаты можно получить, отключив аппаратное сжатие и используя вместо него программное сжатие (и шифрование, если это необходимо). [ необходима 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%. [ необходима цитата ]
Существуют стандарты для шифрования лент. [25] Шифрование используется для того, чтобы даже если лента будет украдена, воры не смогли использовать данные на ленте. Управление ключами имеет решающее значение для поддержания 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 класса включают в себя оборудование, которое может быстро шифровать данные. [26]
Некоторые картриджи с лентой, особенно картриджи LTO , имеют встроенные небольшие чипы для хранения данных, которые записывают метаданные о ленте, такие как тип кодировки, размер хранилища, даты и другую информацию. Также часто картриджи с лентой имеют штрих-коды на этикетках, чтобы помочь автоматизированной ленточной библиотеке. [27]
Лента остается жизнеспособной в современных центрах обработки данных, потому что: [28] [29] [30]
Самые дешевые уровни облачного хранения могут поддерживаться лентой. [31]
В 2002 году компания Imation получила грант в размере 11,9 млн долларов США от Национального института стандартов и технологий США на исследования по увеличению емкости данных магнитной ленты. [32]
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 тонкопленочного формования, способной формировать чрезвычайно мелкие кристаллические частицы, технологии хранения на ленте с самой высокой зарегистрированной плотностью данных на магнитной ленте, 148 Гбит/дюйм² (23 Гбит/см²), что потенциально позволяет иметь собственную емкость ленты 185 ТБ. [33] [34] Она была дополнительно разработана Sony , с объявлением в 2017 году о зарегистрированной плотности данных 201 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), что дает стандартную сжатую емкость ленты 330 ТБ. [35]
В мае 2014 года компания Fujifilm последовала примеру Sony и объявила о том, что совместно с IBM разработает картридж на 154 ТБ , который будет иметь плотность записи данных 85,9 ГБит/дюйм² (13,3 миллиарда бит на см²) на линейной магнитной ленте с частицами. [36] Разработанная Fujifilm технология, называемая NANOCUBIC, уменьшает объем частиц магнитной ленты BaFe, одновременно увеличивая гладкость ленты, увеличивая соотношение сигнал/шум во время чтения и записи, обеспечивая при этом высокочастотный отклик. [ необходима цитата ]
В декабре 2020 года компании Fujifilm и IBM анонсировали технологию, которая может привести к созданию кассеты с магнитной лентой емкостью 580 терабайт, использующей стронциевый феррит в качестве носителя записи. [37]
... он заменил стандартный ...
стал обязательным на многих различных компьютерах, от мэйнфреймов до мини-компьютеров.
по-прежнему предлагает несколько преимуществ, которых нет у облачного хранилища .