Хранение данных на магнитной ленте

Ведущий раздел этой статьи может быть слишком коротким, чтобы адекватно резюмировать ее ключевые моменты . Пожалуйста, рассмотрите возможность расширения лид, чтобы предоставить доступный обзор всех важных аспектов статьи. ( Сентябрь 2020 г. )

Хранение данных на магнитной ленте - это система для 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 9-дорожечной лентой. Современные магнитные ленты чаще всего упаковываются в картриджи и кассеты, такие как широко распространенная линейная открытая лента (LTO). ^[1] и IBM 3592 серии. Устройство, которое выполняет запись или чтение данных, называется ленточным накопителем . Автозагрузчики и ленточные библиотеки часто используются для автоматизации работы с картриджами и их замены.

Ленточное хранилище данных ^[2] теперь больше используется для резервного копирования системы, ^[3] архивирования данных и обмена данными. Низкая стоимость ленты делает ее пригодной для длительного хранения и архивирования. ^[4]

Открытые барабаны [ править ]

Первоначально магнитная лента для хранения данных была намотана на катушки диаметром 10,5 дюймов (27 см) . ^[5] Этот стандарт для больших компьютерных систем сохранялся до конца 1980-х годов со стабильно увеличивающейся емкостью 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 описывается как «примерно на четверть размера ... но он хранит на 20 процентов больше данных» ^[6], большие компьютерные системы начали отходить от лент с открытой катушкой в ​​сторону картриджи. ^[7]

UNIVAC [ править ]

Магнитная лента была впервые использована для записи компьютерных данных в 1951 году на UNIVAC I . UNISERVO носитель записи диск был тонкая металлическая полоска 0,5 дюйма (12,7 мм) шириной никеля -plated фосфористой бронзы . Плотность записи составляла 128 символов на дюйм (198 микрометров / символ) на восьми дорожках с линейной скоростью 100 дюймов / с (2,54 м / с), что давало скорость передачи данных 12800 символов в секунду. Из восьми дорожек шесть были данными, одна была проверкой на четность , а одна - часами или дорожкой хронометража. С учетом пустого пространства между ленточными блоками фактическая скорость передачи составляла около 7200 символов в секунду. Небольшая катушка майларовой ленты обеспечивала отделение от металлической ленты и головки чтения / записи. ^[8]

Форматы IBM [ править ]

В компьютерах IBM 1950-х годов использовалась лента с покрытием из оксида железа, аналогичная той, что использовалась при записи звука. Технология IBM вскоре стала фактическим 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) на мил, а половина толщины была в некотором роде стандартной. ^{[ требуется пояснение ]} В течение 1980-х годов стали доступны более длинные ленты, например, 3600 футов (1100 м), с использованием гораздо более тонкой пленки из ПЭТ . Большинство ленточных накопителей могут поддерживать максимальный размер катушки 10,5 дюймов (267 мм). Так называемый мини-барабанбыло обычным явлением для небольших наборов данных, например, для распространения программного обеспечения. Это были 7-дюймовые (18 см) катушки, часто без фиксированной длины - размер ленты соответствовал количеству записанных на ней данных в целях экономии. ^{[ необходима цитата ]}

CDC использовала совместимые с IBM ¹ / ₂ -дюймовые (13 мм) магнитные ленты, 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 два бита четности) в приводе CDC 626. ^[9]

Ранние ленточные накопители IBM, такие как IBM 727 и IBM 729 , были механически сложными напольными накопителями, в которых использовались вакуумные колонны для буферизации длинных U-образных петель ленты. Посредством сервоуправления мощными двигателями барабана, приводом с малой массой шпиля и низким коэффициентом трения и контролируемым натяжением вакуумных колонн можно было добиться быстрого запуска и остановки ленты на стыке ленты с головкой. ^[a] Быстрое ускорение возможно, потому что масса ленты в вакуумных колоннах мала; длина ленты в буфере в колоннах дает время для ускорения высокой инерциикатушки. В активном состоянии две катушки с лентой подавали ленту в вакуумные колонны или вытягивали ее из вакуумных колонн, периодически вращаясь быстрыми, несинхронизированными импульсами, что приводило к визуально поразительному действию. По иронии судьбы, фотографии таких ленточных накопителей с вакуумной колонной в движении использовались для изображения компьютеров в кино и на телевидении. ^[10]

Ранние полудюймовые ленты имели семь параллельных дорожек данных по длине ленты, что позволяло записывать на ленту шестибитные символы плюс один бит четности . Это было известно как лента с семью дорожками . С появлением мэйнфрейма IBM System / 360 были введены ленты с девятью 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 к использованию ленты обозначалось отражающими липкими полосками из алюминиевой фольги, размещенными на обратной стороне. ^{[ необходима цитата ]}

Плотность записи со временем увеличивалась. Обычная плотность семи дорожек начинается с 200 шестибитных символов на дюйм (CPI), затем 556 и, наконец, 800. Плотность девятидорожечной ленты составляет 800 (с использованием NRZI ), затем 1600 (с использованием PE ) и, наконец, 6250 (с использованием ГКЛ ). Это означает от 5 до 140 мегабайт на  бобину стандартной длины (2400 футов). Эффективная плотность также увеличилась, поскольку зазор между блоками (промежуток между записями ) уменьшился с номинальных ³ ⁄ ₄ дюйма (19 мм) на семидорожечной катушке с лентой до номинальных 0,30 дюйма (7,6 мм) на девятидорожечной катушке с 6250 битами на дюйм. ^[11]

По крайней мере, частично благодаря успеху System / 360 и последующей стандартизации 8-битных кодов символов и байтовой адресации, девятидорожечные ленты очень широко использовались в компьютерной индустрии в 1970-х и 1980-х годах. ^[12] IBM прекратила выпуск новых катушечных продуктов, заменив их продуктами на основе картриджей, начиная с выпуска в 1984 году семейства 3480 на основе картриджей .

Формат DEC [ править ]

LINCtape и его производная, DECtape , были вариациями этой «круглой ленты». По сути, они были персональным носителем информации. Лента имела ширину 0,75 дюйма (19 мм) и имела фиксированную дорожку форматирования, которая, в отличие от стандартной ленты, позволяла многократно читать и перезаписывать блоки на месте. LINCtapes и DECtapes имели ту же емкость и скорость передачи данных, что и дискеты, которые их вытеснили, но их «время поиска» составляло от тридцати секунд до минуты. ^{[ необходима цитата ]}

Картриджи и кассеты [ править ]

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 является важным фактором, определяющим время загрузки и разгрузки, а также длину ленты, которую можно удерживать. В картридже с одной катушкой в ​​приводе имеется приемная бобина, в то время как в картридже с двумя барабанами в картридже есть приемная и подающая бобины. Ленточный накопитель (или «транспорт», или «дека») использует один или несколько точно управляемых двигателей для наматывания ленты с одной катушки на другую, передавая головку чтения / записи, как это происходит. ^{[ необходима цитата ]}

Другой тип - это бесконечный ленточный картридж , который имеет непрерывную петлю из ленты, намотанной на специальную катушку, которая позволяет снимать ленту из центра катушки, а затем наматывать ее по краю, и, следовательно, не нужно перематывать, чтобы повторить. . Этот тип похож на кассету тем, что внутри ленточного накопителя нет приемной бобины. ^{[ необходима цитата ]}

В накопителе IBM 7340 Hypertape, представленном в 1961 году, использовалась кассета с двумя барабанами и лентой шириной 1 дюйм (2,5 см), способной хранить 2 миллиона шестибитных символов на каждой кассете.

В 1970 - х и 1980 - х годах, аудио Compact Кассета часто используются в качестве недорогой системы хранения данных для домашних компьютеров , а в некоторых случаях для диагностики или загрузочного кода для больших систем , таких как Burroughs B1700 . Компактные кассеты были логически, а также физически последовательны; их нужно было перемотать и прочитать с самого начала, чтобы загрузить данные. Ранние картриджи были доступны до того, как на персональных компьютерах появились доступные дисководы, и их можно было использовать как устройства с произвольным доступом , автоматически наматывая и позиционируя ленту, хотя время доступа составляло много секунд. ^{[ необходима цитата ]} Опытные компьютерные геймеры могут многое сказать, слушая шум загрузки с ленты.^[13]

В 1984 году IBM представила семейство 3480 картриджей с одной катушкой и ленточных накопителей, которые затем производились рядом поставщиков, по крайней мере, до 2004 года. Первоначально предоставляя 200 мегабайт на картридж, емкость семейства со временем увеличилась до 2,4 гигабайт на картридж. DLT (цифровая линейная лента), также являющаяся лентой на картриджах, начала свою деятельность в 1984 году, но с 2007 года дальнейшее развитие было остановлено в пользу LTO.

В 2003 году IBM представила семейство IBM 3592, которое заменило IBM 3590 . Несмотря на то, что название схоже, между 3590 и 3592 нет совместимости. Как и предыдущие модели 3590 и 3480, этот формат ленты имеет ¹ / _2- дюймовую (13 мм) ленту, намотанную на катушку с одной катушкой. Изначально представленное для поддержки 300 гигабайт, текущее шестое поколение, выпущенное в 2018 году, поддерживает внутреннюю емкость 20 терабайт.

Картридж с одной катушкой LTO (Linear Tape Open, также известный как Ultrium) был анонсирован в 1997 году и имел объем 100 мегабайт, а его восьмое поколение поддерживает 12 терабайт картриджа того же размера. По состоянию на 2019 год ^{[Обновить]}LTO полностью вытеснил все другие ленточные технологии в компьютерных приложениях, за исключением некоторого семейства IBM 3592 на высоком уровне.

Технические детали [ править ]

Линейная плотность [ править ]

Плотность записи для компьютерных лент описывается аббревиатурой BPI, иногда обозначаемой bpi.

Байт на дюйм [ править ]

Байт на дюйм - это показатель плотности, с которой данные хранятся на магнитных носителях. Термин BPI может относиться к битам на дюйм ^[14], но чаще относится к байтам на дюйм. ^[15]

Термин BPI может означать количество байтов на дюйм, когда дорожки определенного формата организованы по байтам , как на 9-дорожечной ленте. ^[16]

Ширина ленты [ править ]

Ширина носителя является основным критерием классификации ленточных технологий. Полдюйм (13 мм) исторически был наиболее распространенной шириной ленты для хранения данных большой емкости. ^[17] Существует много других размеров, и большинство из них были разработаны для упаковки меньшего размера или большей емкости. ^{[ необходима цитата ]}

Метод записи [ править ]

Метод записи также является важным способом классификации ленточных технологий, которые обычно делятся на две категории: ^{[ необходима ссылка ]}

Линейный [ править ]

Эти линейные данные метод упорядочивает в длинных параллельных дорожек , которые охватывают длину ленты. Несколько ленточных головок одновременно записывают параллельные ленточные дорожки на одном носителе. Этот метод использовался в ранних ленточных накопителях. Это самый простой метод записи, но он также имеет самую низкую плотность данных. ^{[ необходима цитата ]}

Вариантом линейной технологии является линейная змеевидная запись, при которой используется больше дорожек, чем магнитных головок. Каждая голова по-прежнему записывает одну дорожку за раз. Сделав проход по всей длине ленты, все головки немного сдвигаются 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 извилистого метода ленточный носитель может иметь намного больше дорожек, чем головки чтения / записи. По сравнению с простой линейной записью с использованием той же длины ленты и того же количества головок емкость хранения данных существенно выше. ^{[ необходима цитата ]}

Сканирование [ править ]

Сканирующие методы записи позволяют записывать 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 по нему. ^{[ необходима цитата ]}

Ранним методом, который использовался 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 движения ленты. Этот метод используется в AMPEX DCRsi записывающих приборов данных «s и старого AMPEX квадруплексной видеопленки системе. Еще одним ранним методом было дугообразное сканирование . В этом методе головки находятся на лицевой стороне вращающегося диска, который плотно прилегает к ленте. Путь головок ленты образует дугу. ^{[ необходима цитата ]}

Запись спирального сканирования записывает короткие плотные дорожки по диагонали . Этот метод используется практически во всех современныхсистемах видеозаписи и нескольких форматах лент с данными. ^{[ необходима цитата ]}

Схема блока и согласование скорости [ править ]

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, с которой данные записываются или считываются на ленточный накопитель, не детерминирована, ленточный накопитель обычно должен справляться с разницей между скоростью, с которой данные поступают и выгружаются с ленты, и скоростью, с которой данные передаются. или по требованию хозяина.

Для устранения этой разницы использовались различные методы по отдельности и в комбинации. Если хост не может поддерживать скорость передачи данных с ленточного накопителя, ленточный накопитель можно остановить, создать резервную копию и перезапустить (это называется « чистка башмака» , при этом перезапуск может происходить на более низкой скорости). Для постановки данных в очередь можно использовать большой буфер памяти. В прошлом 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 и / или зашифрованы, а размер блока хоста больше не влияет на плотность данных на ленте. Лента. Об этом рассказывается в статье Linear Tape-Open . Современные ленточные накопители предлагают функцию согласования скорости, при которой накопитель может динамически уменьшать физическую скорость ленты по мере необходимости, чтобы избежать чистки обуви.^[18]

В прошлом размер межблочного промежутка был постоянным, в то время как размер блока данных основывался на размере блока хоста, влияя на емкость ленты - например, на хранилище данных счетного ключа . На большинстве современных приводов это уже не так. В накопителях типа Linear Tape-Open используется блок фиксированного размера для ленты ( архитектура с фиксированным блоком ), независимо от размера блока хоста, а промежуток между блоками является переменным, чтобы помочь согласованию скорости во время записи. На дисках со сжатием сжимаемость данных влияет на емкость.

Последовательный доступ к данным [ править ]

Лента характеризуется последовательным доступом к данным. Хотя лента может обеспечить быструю последовательную передачу данных, загрузка кассеты и установка головки в произвольном месте занимают десятки секунд. Напротив, технология жестких дисков может выполнять эквивалентное действие за десятки миллисекунд (на 3 порядка быстрее) и может рассматриваться как предоставление произвольного доступа к данным.

Логические файловые системы требуют, чтобы данные и метаданные хранились на носителе данных. Для хранения метаданных в одном месте и данных в другом в большинстве ленточных систем требуется много медленных операций по изменению положения. В результате большинство ленточных систем используют тривиальную файловую систему, в которой файлы адресуются по номеру, а не по имени файла. Метаданные, такие как имя файла или время модификации, обычно вообще не сохраняются. Этикетки на магнитной ленте хранят такие метаданные, и они используются для обмена данными между системами. Созданы инструменты для архивирования файлов и резервного копирования , позволяющие упаковать несколько файлов вместе с соответствующими метаданными в один «файл на магнитной ленте». Змеевидные ленточные накопители (например, QIC) можно улучшить время доступа, переключившись на соответствующий трек; ленточные разделы использовались для информации каталога. ^[19] Линейная лента Файловая система представляет собой способ хранения метаданных файла на отдельную часть ленты. Это позволяет копировать и вставлять файлы или каталоги на ленту, как если бы она была похожа на другой диск, но не меняет фундаментальную природу последовательного доступа к ленте.

Время доступа [ править ]

Лента имеет довольно большую задержку для случайного доступа, поскольку дека должна наматывать в среднем одну треть длины ленты, чтобы перейти от одного произвольного блока данных к другому. Большинство ленточных систем пытаются уменьшить внутреннюю длительную задержку либо с помощью индексации, где поддерживается отдельная таблица поиска ( каталог ленты ), которая дает физическое местоположение ленты для заданного номера блока данных (обязательное условие для змеевидных накопителей), либо путем маркировки блоков. с отметкой ленты, которую можно обнаружить при намотке ленты на высокой скорости. ^{[ необходима цитата ]}

Сжатие данных [ править ]

Большинство ленточных накопителей теперь поддерживают сжатие данных без потерь . Есть несколько алгоритмов, которые дают похожие результаты: LZ (большая часть), IDRC (Exabyte), ALDC (IBM, QIC) и DLZ1 (DLT). Встроенные в ленточные накопители, они сжимают относительно небольшой буфер данных за раз, поэтому не могут достичь чрезвычайно высокого сжатия даже данных с высокой степенью избыточности. Обычно соотношение составляет 2: 1, но некоторые поставщики заявляют, что это 2,6: 1 или 3: 1. Фактически полученное соотношение с реальными данными часто меньше заявленного значения; на степень сжатия нельзя полагаться при указании емкости оборудования, например, диск, требующий сжатой емкости 500 ГБ, может не подходить для резервного копирования 500 ГБ реальных данных. Данные , которые уже хранятся эффективно не может позволить любойзначительное сжатие; разреженная база данных может предложить гораздо большие факторы. Программное сжатие может достичь гораздо лучших результатов с разреженными данными, но использует процессор главного компьютера и может замедлить резервное копирование, если оно не может сжиматься так же быстро, как записываются данные.

Алгоритмы сжатия, используемые в продуктах низкого уровня, не являются наиболее эффективными из известных сегодня, и лучшие результаты обычно можно получить, отключив аппаратное сжатие И используя вместо этого программное сжатие (и, при желании, шифрование).

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 ^[20], если применяется сжатие данных. В некоторых случаях это расширение данных может достигать 15%.

Шифрование [ править ]

Существуют стандарты шифрования лент. ^[21] Используется шифрование, поэтому даже в случае кражи ленты воры не могут использовать данные на ней. 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 энтропии, которую они вводят. Некоторые корпоративные ленточные накопители могут быстро зашифровать данные. Алгоритмы симметричного потокового шифрования ^{[ какие? ]} также может обеспечить высокую производительность ^{[ необходима цитата ]} .

Память картриджа и самоидентификация [ править ]

Некоторые ленточные картриджи, особенно картриджи LTO , имеют небольшие связанные микросхемы хранения данных, встроенные в картриджи для записи метаданных о ленте, таких как тип кодирования, размер хранилища, даты и другая информация. Штрих-коды на этикетках картриджей также являются обычным явлением ^{[ необходима цитата ]} , чтобы облегчить автоматизацию ленточной библиотеки.

Жизнеспособность [ править ]

Лента остается жизнеспособной в современных центрах обработки данных, потому что:

1. это самый дешевый носитель для хранения больших объемов данных;
2. в качестве съемного носителя он позволяет создать воздушный зазор, который может предотвратить взлом, шифрование или удаление данных;
3. его долговечность позволяет продлить срок хранения данных, что может потребоваться регулирующим органам. ^[22]

Самые дешевые уровни облачного хранилища также могут быть ленточными. ^[22]

Магнитные носители высокой плотности [ править ]

В 2014 году Sony объявила, что они разработали, используя новую технологию вакуумного формирования тонких пленок, способную формировать чрезвычайно мелкие кристаллические частицы, технологию хранения на магнитной ленте с самой высокой зарегистрированной плотностью данных на магнитной ленте, 148 Гбит / дюйм² (23 Гбит / см²). , потенциально позволяя использовать собственную ленту емкостью 185 ТБ. ^[23] Он был доработан Sony после объявления в 2017 году о заявленной плотности данных 201 Гбит / дюйм² (31 Гбит / см²), что дает стандартную емкость сжатой ленты в 330 ТБ. ^[24]

В мае 2014 года Fujifilm вслед за Sony объявила, что совместно с IBM разработает ленточный картридж емкостью 154 ТБ , который будет иметь поверхностную плотность хранения данных 85,9 ГБит / дюйм² (13,3 миллиарда бит на см²) на линейной магнитной ленте. . ^[25] Технология NANOCUBIC, разработанная Fujifilm, уменьшает объем частиц на магнитной ленте из BaFe, одновременно увеличивая гладкость ленты, увеличивая отношение сигнал / шум во время чтения и записи, обеспечивая при этом высокую частотную характеристику.

В декабре 2020 года Fujifilm и IBM анонсировали технологию, которая может привести к созданию кассеты с магнитной лентой емкостью 580 терабайт с использованием феррита стронция в качестве носителя записи. ^[26]

Хронологический список форматов лент [ править ]

См. Также [ править ]

• Хранение компьютерных данных
• Магнитное хранилище
• Ленточный привод
• Информационное хранилище
• Распространение данных
• Марка ленты
• Линейная лента-открытая

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• ISC 35.220.22 Магнитные ленты
• ISC 35.220.23 Кассеты и картриджи для магнитных лент