admin

Чистка накопителей LTO — важный момент, от которого зависит оптимальная работа систем резервного копирования и срок службы самих ленточных приводов.

   

Растущая частота кибератак на корпоративные центры обработки данных требует надёжных и комплексных мер безопасности. Традиционные подходы, основанные на межсетевых экранах, всё чаще оказываются недостаточными для защиты конфиденциальной информации, особенно когда злоумышленники используют уязвимости во внутренних потоках данных. Обеспечение безопасности данных при передаче стало важнейшей задачей, и шифрование при передаче данных предлагает эффективное решение для предотвращения утечки данных и несанкционированного доступа в сетях хранения данных (SAN).

Магнитная лента — это экономичный способ хранения растущих объёмов данных, создаваемых в последние годы. Низкая стоимость терабайта в сочетании с низким энергопотреблением ленты делают её привлекательным вариантом для хранения данных, к которым редко обращаются, и привели к возобновлению использования этой технологии. 

 

Впоследствии данные считываются с помощью второго преобразователя, состоящего из магниторезистивного (MR) датчика, который определяет изменение магнитного поля носителя и выдаёт на выходе последовательность импульсов напряжения, которые затем могут быть обработаны каналом считывания для восстановления последовательности изменений направления тока записи, изначально поданного на записывающее устройство.

 

Преобразователь записи, используемый в современных ленточных системах для создания записывающего поля, по сути представляет собой электромагнит, состоящий из катушки и кольцевого сердечника с высокой магнитной проницаемостью, как показано на схеме на рисунке 1. Одна сторона кольцевого сердечника отполирована, чтобы обеспечить плотный контакт с лентой, и прерывается на коротком участке, называемом записывающим зазором, из которого при подаче тока на катушку наружу распространяется интенсивное магнитное поле. Область пространства, в которой это поле в зазоре превышает коэрцитивную силу носителя, называется пузырём записи, и участки носителя, которые перекрываются с ним, намагничиваются вдоль преобладающего направления поля внутри него. По мере движения ленты под головкой в ответ на ступенчатое изменение полярности записывающего тока создаются магнитные переходы, которые оставляют отпечатки в форме задней кромки пузыря записи.

 

 

Ленточный носитель

 

Лента, используемая в современных ленточных системах, представляет собой композитный материал, состоящий из четырёх слоёв, как показано на рисунке 2. Центральный слой, называемый подложкой или базовой плёнкой, в лентах последних поколений имеет толщину от 3,5 до 4,5 микрон. Остальные три слоя намного тоньше, поэтому свойства подложки в значительной степени определяют общие механические свойства ленты. В современных лентах используются подложки из полиэтилена терефталата (ПЭТ), полиэтилена нафталата (ПЭН) или арамида (ароматического полиамида). Лента изготавливается путём нанесения на подложку трёх других слоёв с помощью процесса нанесения жидкого покрытия «рулон в рулон». 

 

 

 

 

Рис. 2. Слева: схема структуры ленты. Справа: изображения поперечных сечений магнитного слоя и нижнего слоя ленты LTO-9 (вверху) и TS1170 JF (внизу), полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

 

 

В настоящее время активно разрабатываются два формата лент: LTO и IBM TS11xx. В лентах LTO последнего поколения (LTO Gen-9) используются магнитные частицы феррита бария (BaFe). Частицы BaFe имеют гексагональную пластинчатую форму и намагниченность, обусловленную кристаллическим порядком, а не анизотропией формы. В ранних поколениях LTO использовались игольчатые частицы CoFe с намагниченностью, возникающей из-за анизотропии формы, для предотвращения окисления которых требовалось защитное покрытие. В отличие от них, BaFe (BaFeO) является оксидом и поэтому не требует немагнитного покрытия для защиты от окисления. В результате частицы BaFe можно уменьшить в размерах по сравнению с предыдущими поколениями магнитных частиц. 

 

Ширина ленты составляет 12.65mm и длина составляет 1035m что позволяет использовать картриджи LTO-9 емкостью 18 ТБ. В лентах Enterprise последнего поколения, IBM TS1170 JF, используется смесь частиц BaFe и SrFe. Феррит стронция относится к тому же семейству гексагональных оксидов железа, что и BaFe, и имеет гексагональную пластинчатую форму, но более высокую намагниченность насыщения и коэрцитивность, чем BaFe. Толщина ленты JF составляет 4.0?m, шириной в 12.65mm и длиной в 1337m что обеспечивает исходную ёмкость 50 ТБ. 

 

В современных ленточных накопителях лента наматывается на один барабан, который находится в пластиковом картридже, как показано на рисунке 3. Картриджи LTO имеют размеры 102.0mm ? 105.4mm ? 21.5mm в то время как в ленточном накопителе IBM TS11xx Enterprise используется немного более крупный и прочный картридж размером 109mm ? 125mm ? 24.5mm.

 

 

 

 

Рис. 3. (а) Картридж LTO-9, ( Картридж IBM TS1170 JF, (с) катушка с лентой и CM от картриджа TS1170 JF.

 

 

На сегодняшний день для всех поколений ленточных носителей LTO и TS11xx используется один и тот же форм-фактор картриджа. Оба типа картриджей содержат механизм сцепления, который поддерживает натяжение ленты во время её хранения в картридже. 

 

Ленточные картриджи LTO и Enterprise содержат энергонезависимую память, называемую памятью картриджа (CM), которая использует бесконтактный пассивный радиочастотный интерфейс. В памяти CM хранится различная информация, включая серийный номер, тип носителя, производственная информация и данные о сервоприводе, а также данные об использовании, которые обновляются ленточным накопителем, например номер прохода записи и каталог, в котором данные были записаны на ленту. Оба типа картриджей также содержат переключатель защиты от записи, который в заблокированном положении предотвращает запись данных на картридж. 

 

Картриджи последних поколений LTO и TS11xx также доступны в формате записи после многократного чтения (WORM). Картриджи для очистки, которые можно использовать для удаления загрязнений с ленточной головки, также доступны в форматах LTO и Enterprise. Чистящие картриджи содержат немного больше абразивной ленты и обычно рассчитаны на фиксированное количество циклов очистки. Во время работы лентопротяжный накопитель постоянно контролирует качество записи и при обнаружении потенциального загрязнения головки запросит более чистый картридж.

 

Чувствительность ленты к колебаниям натяжения является частью более общей проблемы, называемой стабильностью размеров ленты (TDS). В современных ленточных накопителях 32 дорожки записываются и считываются параллельно на участке шириной чуть меньше четверти ленты. Головка лентопротяжного механизма изготовлена из твёрдого керамического материала, и расстояние между преобразователями в головке относительно постоянное, за исключением небольших изменений из-за теплового расширения. 

 

В отличие от ленты, которая представляет собой тонкую полоску полимера, ширина ленты меняется в зависимости от температуры, влажности и натяжения. Кроме того, ширина ленты может медленно меняться со временем из-за давления в упаковке ленты, возникающего из-за натяжения при намотке; это явление известно как деформация при хранении. Если данные записываются при одних условиях окружающей среды, а затем считываются при других, то шаг преобразователей в считывающей головке может не соответствовать шагу дорожек на ленте, что приведёт к увеличению количества ошибок или, в худшем случае, к потере данных. В прошлом, когда ширина дорожек составляла от нескольких микрон до десятков микрон, с эффектами TDS можно было бороться пассивно, используя считывающее устройство, ширина которого составляла от 1/2 до 1/3 ширины дорожки, что обеспечивало значительный запас для смещения дорожек. По мере увеличения плотности дорожек производители носителей постепенно улучшали стабильность размеров носителей. 

 

 

Технология ленточных головок

 

Головка записи является ключевым компонентом ленточного накопителя. В ранних ленточных накопителях операции записи и чтения выполнялись с помощью одного индуктивного преобразователя, в то время как в более современных ленточных накопителях эти операции выполняются с помощью двух разных типов преобразователей, которые называются записывающими и считывающими. В современных линейных ленточных накопителях несколько дорожек данных записываются и считываются параллельно с помощью линейных массивов записывающих и считывающих устройств, которые изготавливаются с помощью методов тонкоплёночной микрообработки на керамических (AlTiC) пластинах. AlTiC — это смесь кристаллического оксида алюминия и порошка карбида титана, спрессованная под высоким давлением. Использование технологии тонких плёнок позволило уменьшить размеры считывающих и записывающих устройств, что стало ключевым фактором для масштабирования плотности записи на ленту.

 

В современных ленточных накопителях записывающие и считывающие устройства изготавливаются на отдельных пластинах, которые нарезаются на микросхемы для записи и считывания. В ленточных накопителях последних поколений для считывания данных, записанных на ленту, используются экранированные туннельные магниторезистивные (TMR) датчики. 

 

Магниторезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления под воздействием магнитного поля. TMR-датчик можно рассматривать как трёхслойный компонент с двумя электропроводящими ферромагнитными слоями, разделёнными тонким немагнитным электроизолирующим туннельным барьером. Направление намагничивания одного из ферромагнитных слоёв, известного как закреплённый слой, фиксировано. Магнитная ориентация второго ферромагнитного слоя, называемого свободным слоем, может свободно изменяться под воздействием магнитного поля, исходящего от среды. Когда на два ферромагнитных слоя подаётся напряжение смещения, электроны туннелируют через барьер из одного ферромагнитного слоя в другой. 

 

Несмотря на то, что считыватели TMR, используемые для ленточных накопителей, основаны на той же технологии, что и считыватели жёстких дисков (HDD), они значительно отличаются от них. Эти различия в первую очередь обусловлены меньшей плотностью записи на ленту по сравнению с жёсткими дисками. Например, считыватели TMR, используемые в современных ленточных накопителях, имеют в 3–4 раза больший зазор для считывания, чем современные считыватели жёстких дисков. Кроме того, ширина датчика примерно в 10 раз больше, чем у жёстких дисков, а площадь датчика (ширина x высота дорожки) примерно в 400 раз больше. Эти различия упрощают изготовление TMR-датчиков для ленточных накопителей, а также приводят к тому, что электрическое сопротивление намного ниже, чем у считывающих устройств для жёстких дисков, что упрощает конструкцию усилителя в аналоговом начале канала считывания ленты.

 

Структура микросхемы считывателя аналогична структуре микросхемы записывающего устройства. Микросхема содержит линейный массив из 33 считывателей данных, один из которых не используется во время работы, как и в модулях записывающего устройства. Сервоприводы считывателей также расположены на обоих концах массива. 

 

В современных ленточных накопителях используется трёхмодульная архитектура головки, называемая терцетто. Конструкция состоит из двух модулей записи с модулем чтения, расположенным между ними. Такая конструкция обеспечивает возможность проверки при чтении и записи, а также позволяет независимо оптимизировать модули чтения и записи. Когда лента движется в прямом направлении, левый модуль записи используется для записи данных, которые сразу же считываются и проверяются, когда лента проходит над центральным модулем считывания. Когда лента движется в обратном направлении, правый модуль записи записывает данные, которые затем также могут быть считаны и проверены центральным модулем считывания.

 

В ленточных системах хранения данных носитель находится в физическом контакте с головкой, что вызывает трение и приводит к износу как ленты, так и головки. При отсутствии контрмер датчики считывания подвержены повреждениям из-за абразивного износа твёрдыми немагнитными частицами, присутствующими в магнитном слое, а также из-за дефектов носителя. Проявлением повреждения является снижение чувствительности датчика считывания из-за частичного короткого замыкания. Предварительное утопление и нанесение покрытия используются для защиты активных элементов головки. После притирки до заданной высоты штрихов микросхемы головки подвергаются процессу напыления/фрезерования, в ходе которого преобразователи утопляются относительно поверхности, на которой находится лента. Затем на головку наносится твердое покрытие, например, из кристаллического оксида алюминия, чтобы заполнить углубления. Покрытие защищает как от коррозии, так и от износа, однако предварительная обработка и покрытие увеличивают расстояние между магнитным слоем и поверхностью датчика, что может ограничить достижимую плотность записи.

 

 

Разметка ленты и запись данных

 

 

В современных ленточных системах, таких как LTO-9, широкая лента состоит из четырёх полос данных (ПД), которые охватывают всю длину ленты, то есть от начала ленты (НЛ) до конца ленты (КЛ). 

 

Для записи/считывания данных на ленту лентопротяжный механизм использует шаговый двигатель для грубого позиционирования трёхмодульной лентопротяжной головки над нужной дорожкой, чтобы два сервопривода считывания располагались на двух соседних дорожках TBS. Как только система управления слежением за дорожкой точно позиционирует лентопротяжную головку относительно эталонной траектории дорожки TBS, а система управления лентопротяжным механизмом достигает нужной позиции ленты, данные могут быть записаны/считаны с помощью 32 активных преобразователей данных, расположенных между сервоприводами считывания. 

 

В ленточных накопителях LTO используется линейная спиральная запись, при которой большое количество витков последовательно записывается на каждый блок данных. 

 

Использование черепичной магнитной записи обеспечивает обратную совместимость при записи. Приводы LTO-9 могут считывать и записывать данные как на носители LTO-9, так и на носители LTO-8. Такая обратная совместимость позволяет администраторам ленточных накопителей сразу переходить на новейшие форматы, не перенося все архивы. Для записи на носители предыдущего поколения ширина записывающего устройства значительно превышает шаг дорожки текущего поколения. С другой стороны, черепичная запись предотвращает перезапись существующих данных, поскольку это неизбежно привело бы к перезаписи соседних дорожек/витков. Ленточные системы спроектированы как хранилища с возможностью только добавления данных, где новые данные могут быть добавлены в то место, где ранее закончилась запись данных, но существующие данные являются неизменяемыми. 

 

Ленту можно разделить на сегменты по длине или на группы витков, тем самым создав независимые пулы хранения и точки добавления данных. При разделении по длине между сегментами должен быть защитный интервал. При разделении по виткам, в зависимости от выбора размеров сегментов, между сегментами могут потребоваться защитные витки. При разделении с использованием границ баз данных защитные витки не требуются.

 

В современных ленточных накопителях, таких как LTO-9, используется другой механизм для дальнейшего повышения надёжности и целостности данных: проверка при чтении во время записи и перезапись. Этот метод использует набор считывающих устройств, расположенных ниже по потоку от записывающих устройств, для считывания данных сразу после их записи на ленту. Сигнал считывания с каждого считывающего устройства обрабатывается каналом считывания, декодером модуляции и декодером C1. Если количество ошибок в байтах C1 в заданном CWI-4 превышает пороговое значение, то данные CWI-4 перезаписываются в новое место на магнитной ленте. Фактическая перезапись происходит в конце каждого набора данных, то есть после завершения записи 12 288 первых CWI-4.

 

Количество перезаписей в каждом наборе данных является динамическим, но около 3% общей емкости картриджа зарезервировано для перезаписи. Средняя стоимость перезаписи для нового картриджа составляет менее 1%. Если необходимо более 3% перезаписей, картридж может не достичь заявленной ёмкости.

 

 

Текущие спецификации ленточных накопителей

 

 

На текущий момент активно разрабатывались два семейства ленточных накопителей с планами развития для будущих поколений: IBM TS11xx Enterprise и LTO. 

 

 

 

 

Рис. 4. Современные ленточные накопители: TS1170 (слева), LTO-9 FH (в центре) и LTO-9 HH (справа).

 

 

 

Накопители LTO-9 обеспечивают функцию чтения и записи в обратном направлении для носителей LTO-8. По сравнению с накопителем FH накопитель HH имеет более низкую производительность с точки зрения скорости передачи данных и времени поиска, а также рассчитан на меньшее количество циклов загрузки/выгрузки. Ранние поколения ленточных накопителей обоих семейств также доступны в продаже и могут стоить дешевле в пересчёте на гигабайт, но при этом имеют более низкую скорость передачи данных и объёмную плотность.

 

Современные ленточные накопители обладают множеством характеристик, которые отличают их от жёстких дисков или флеш-накопителей. Знание этих характеристик может быть полезно пользователям ленточных накопителей или тем, кто пишет приложения для работы с ленточными накопителями.

 

- Только добавление

 

Лента является технологией только для добавления данных. В результате данные нельзя удалить или перезаписать на месте. Поэтому программное обеспечение для управления лентами должно отслеживать, какие данные были записаны на какой картридж, а также какие данные были удалены. Если значительная часть данных, хранящихся на картридже, была удалена, оставшиеся данные можно перенести на новый картридж, а исходный картридж можно использовать повторно.

 

- Доступ к данным на магнитной ленте

 

Приводы LTO поддерживают каталог ленты (TD) в центральной памяти каждого картриджа, который содержит, помимо прочего, следующую информацию: количество записей, количество меток в файле, номер прохода записи и номер набора данных в середине и в конце каждой ленты. Когда поступает запрос на извлечение данных с ленты, накопитель использует TD для оценки LPOS на ленте с запрошенными данными. Затем накопитель на высокой скорости перемещается к позиции LPOS за несколько метров до предполагаемой позиции, замедляется до скорости чтения и начинает считывать информацию DSIT, чтобы определить, находится ли он рядом с целевым набором данных. Если да, то накопитель продолжает чтение до тех пор, пока данные не будут возвращены на хост. Если накопитель значительно переоценил или недооценил местоположение, данные DSIT используются для повторной оценки целевого положения, и выполняется обратная перемотка или новая операция поиска. 

 

Если данные, хранящиеся на ленте, не поддаются сжатию или имеют относительно постоянную степень сжатия, первоначальная оценка будет довольно точной, и первая операция поиска, скорее всего, будет успешной. Однако если степень сжатия сильно варьируется, оценка может быть неточной, и операция поиска займёт больше времени. 

 

Приводы IBM TS11xx поддерживают каталог лент с высоким разрешением (HRTD) с 64 равномерно расположенными записями на каждой ленте. Это позволяет гораздо точнее определять местоположение и, следовательно, обеспечивает более высокую производительность при случайном поиске. Длина ленты, используемой для хранения пользовательских данных в картридже LTO-9, составляет около 1000 м. Среднее расстояние, пройденное при случайном поиске после загрузки, составляет 1/2 длины ленты, а при каждом последующем случайном поиске — 1/3 длины ленты в среднем, или около 55 с и 35 с соответственно.

 

- Рекомендуемый порядок доступа (RAO)

 

Из-за змеевидной записи, используемой в линейных ленточных накопителях, и встроенного сжатия нет чёткой связи между номером блока и физическим расположением на ленте. Два блока данных, разделённые большим интервалом в номере блока, могут физически находиться очень близко друг к другу, но на соседних витках или в соседних блоках данных. В последних поколениях накопителей TS11xx реализована функция RAO, которая позволяет быстрее извлекать данные, если нужно вызвать несколько блоков/файлов с картриджа. Приложение может использовать эту функцию, чтобы запросить у накопителя рекомендуемый порядок доступа к блокам, чтобы минимизировать время поиска. Накопитель использует HRTD для оценки физического начального местоположения для каждого файла, а затем вычисляет порядок обращения, который минимизирует общее время поиска. Если количество файлов велико, этот расчёт требует больших вычислительных мощностей, и накопитель вычисляет приблизительное решение. Повышение производительности за счёт RAO зависит от количества и размера файлов, но обычно составляет порядка 30–60% сокращения времени доступа. 

 

- Разгрузка низкого натяжения

 

В приводах TS1170 и LTO-9 используется контроль натяжения для активной компенсации TDS. Это может привести к значительному изменению натяжения ленты, намотанной на бобину, что со временем приведёт к деформации упаковки, если не принять меры. Чтобы свести к минимуму деформацию ленты при хранении, приводы TS1170 и LTO-9 выполняют операцию разгрузки с низким натяжением, при которой лента наматывается на кассету с низким натяжением непосредственно перед выгрузкой из привода. Для этого привод отслеживает самое дальнее положение ленты, к которому он обращался во время установки, и на высокой скорости перемещается чуть дальше этой точки, снижает натяжение и перематывает ленту на катушку кассеты. В приводе TS1170 эта операция выполняется со скоростью 18 м/с и значительно быстрее, чем в приводах LTO-9, которые выполняют эту операцию на высоких скоростях поиска.

 

- Автоматизированные ленточные библиотеки

 

На заре развития систем хранения данных на магнитных лентах катушки с лентами хранились на полках в больших помещениях, примыкающих к центру обработки данных, и операторы вручную извлекали их и загружали в ленточный накопитель. Такие помещения назывались ленточными библиотеками, и в них обычно хранились сотни или десятки тысяч катушек с лентами. 

 

Появление ленточных картриджей и автоматизированных роботизированных ленточных библиотек сократило время доступа к данным, хранящимся на лентах, с нескольких часов до нескольких минут и значительно повысило надёжность за счёт исключения из процесса людей, склонных к ошибкам. 

 

Сегодня автоматизированная ленточная библиотека обычно состоит из корпуса, в котором находятся ленточные картриджи, одного или нескольких ленточных накопителей для выполнения операций чтения/записи, оптического механизма, например считывателя штрихкодов, для идентификации картриджей, а также роботизированного механизма и механизма управления, которые используются для перемещения картриджей между местами хранения и ленточными накопителями, а также для установки и снятия картриджей с накопителей. После того как робот установит картридж на накопитель, накопитель загрузит картридж и выполнит поиск нужного места на ленте для выполнения операции чтения или записи. После завершения операций чтения/записи накопитель должен перемотать и выгрузить картридж, прежде чем робот сможет отсоединить его от накопителя. Места хранения обычно называют «слотами». Библиотека также обычно включает в себя механизм для загрузки и выгрузки картриджей в библиотеку, который называют слотом ввода-вывода.

 

Автоматизированные ленточные библиотеки доступны в различных форм-факторах: от нескольких слотов и одного накопителя в коробке высотой 1U до больших модульных систем, которые можно расширить до десятков тысяч слотов и которые поддерживают более сотни ленточных накопителей. Более крупные системы также могут поддерживать более одного накопителя. 

 

В качестве примера можно привести текущее портфолио ленточных библиотек IBM, показанное на рисунке 5. 

 

 

 

 

Рис. 5. Портфель ленточных библиотек IBM

 

 

Самая маленькая система, TS2900, имеет 9 доступных слотов и один ленточный накопитель HH LTO в форм-факторе 1U. TS4300 — это модульная система для монтажа в стойку с начальной конфигурацией из 40 слотов и до 3 накопителей HH LTO или одного накопителя FH LTO, которую можно расширить до 640 слотов и 16 накопителей FH или 48 накопителей HH LTO. Библиотека Diamondback — это библиотека размером со стойку, разработанная специально для удовлетворения уникальных требований гипермасштабируемых облачных компаний, таких как простота и скорость развёртывания, а также оптимальная надёжность. 

 

Библиотека может поставляться с предустановленными носителями и накопителями и может быть установлена в центре обработки данных менее чем за 30 минут. Библиотека Diamondback с технологией LTO-9 обеспечивает до 27 ПБ собственной емкости при площади 0,7 м2. В верхней части TS4500 представляет собой модульную систему, состоящую из 1–18 стоек хранения данных с линейной архитектурой, которые могут быть сконфигурированы с 23 170 слотами и до 128 накопителями FH LTO или TS11xx Enterprise. При использовании носителей TS1170 максимальная емкость составляет 877 ПБ при плотности 51,6 ПБ/м2 площади пола. Все четыре типа библиотек имеют порт Ethernet для удаленного управления библиотекой и поддерживают оптоволоконный канал или SAS для передачи данных, за исключением TS2900, которая поддерживает только SAS. Множество других компаний, включая Dell, Fujitsu, HPE, Quantum, Spectra Logic и Tandberg, в настоящее время также предлагают решения для ленточных библиотек.

 

- Большие данные / Аналитика;

- Архивирование;

- Резервное копирование и восстановление;

- Холодное хранилищ;

- HSM / Многоуровневость;

- Массовая транспортировка;

- Облако;

- Аварийное восстановление / Защита от воздушных зазоров.