ОБЗОРЫ
До появления VXA базовая архитектура накопителей оставалась неизменной более 10 лет
В ИТ-индустрии до сих пор растет популярность хранения данных на ленте, однако, чтобы удовлетворять жестким требованиям к подобным накопителям, современные ленточные устройства должны отличаться от своих предшественников более высокой надежностью, производительностью и емкостью при меньшей стоимости. Именно этого хотели добиться основатели корпорации Ecrix (произносится “ecree”), создавая фактически с нуля новую технологию хранения данных на ленте.
Накопитель Ecrix VXA-1
В обычных ленточных накопителях дорожки, содержащие тысячи байт данных, считываются за один проход считывающей головки. В процессе потоковой записи необходимо точно отслеживать положение ленты относительно привода, чтобы поддерживать корректную ориентацию головки относительно дорожки, при этом скорость перемещения носителя (ленты) должна быть постоянной. Для безошибочного совмещения траектории магнитной головки с дорожками данных на ленте необходимы высокопрецизионные механизмы накопителя и жесткий контроль за состоянием ленты. Такая архитектура обладает рядом существенных недостатков, которые отрицательно сказываются на производительности, надежности и стоимостных показателях ленточных устройств.
Таким образом, конструкция обычных потоковых накопителей на магнитной ленте рассчитана на постоянную скорость движения ленты и передачи данных. Однако в действительности данные редко принимаются или передаются со строго определенной и неизменной скоростью. Дело в том, что, как правило, они пересылаются неравномерно, что приводит к нестабильной скорости передачи данных. При каждом перерыве в потоке данных накопителю приходится останавливать ленту, отматывать ее назад, снова разгонять до номинальной скорости и только после этого продолжать чтение или запись данных. Такая последовательность операций называется обратным захватом (backhitching) или просто захватом.
Частые захваты существенно снижают производительность передачи данных и увеличивают время резервного копирования и восстановления при сбоях.
Производительность потоковых ленточных накопителей зависит от геометрии дорожек с данными, т. е. от неизменности их формы по всей длине носителя, от угла, образуемого дорожками и краем ленты, а также от расстояния между ними. Дорожка может легко искривиться из-за деформации носителя, поскольку он представляет собой чрезвычайно длинную полосу намагниченного материала, несущего данные и расположенного на тонкой полимерной основе. Если дорожка искривлена или угол между нею и краем ленты отличается от угла между этим краем и следом считывающей головки, возникает ошибка чтения данных.
Изменения в геометрии дорожек - не единственный фактор, влияющий на принципиальную возможность чтения лент. Хорошо известно, что отличия в конструкции механизмов накопителей иногда не позволяют считать информацию с аналогичного носителя, записанного на другом устройстве.
Фирмы - производители обычных накопителей на магнитной ленте - создают все более сложные механизмы, чтобы удовлетворить постоянно повышающиеся требования к производительности и емкости. Так, по данным корпорации Disk/ Trend (www.disktrend.com), за последние годы оба этих показателя росли у потоковых ленточных накопителей вместе с ростом требований к данным устройствам, цена которых, однако, не падала, как это обычно происходило с другим компьютерным оборудованием, например с дисковыми устройствами.
Что такое VXA
Несколько необычных новинок, предусмотренных Ecrix (www.ecrix.com) в VXA, позволяют с помощью этой технологии повысить производительность и надежность ленточных накопителей, но за меньшие деньги, чем это можно сделать стандартными средствами. В частности, в VXA данные считываются и записываются пакетами. Заметим, что это наиболее надежный и простой способ передачи данных. Кроме того, VXA открывает возможность многократного сканирования записанных данных в процессе их чтения. Накопитель с поддержкой VXA способен подстраиваться под реальную скорость передачи данных, что устраняет операции по обратному захвату. Таким образом исключаются причины, приводящие к задержкам записи-чтения, а также преждевременному износу носителя и механизмов накопителя. Предложенная конструкция довольно проста, и к тому же она позволяет значительно снизить стоимость накопителей по сравнению с аналогичными потоковыми ленточными устройствами.
В VXA впервые объединены дискретный пакетный формат - DPF (Discrete Packet Format), работа на разных скоростях - VSO (Variable Speed Operation) и многократное сканирование - OSO (OverScan Operation).
Пакетный формат
Итак, VXA предполагает, что данные считываются и записываются пакетами. Перед записью на носитель длинные строки данных разбиваются на небольшие части, или пакеты данных. Кроме того, применяются сложные методики считывания после записи, чтобы удостовериться, что данные действительно записаны на ленту. Пакет данных состоит из 64 байт пользовательских данных, маркера синхронизации, информации об уникальном адресе, циклического избыточного кода CRC и кода исправления ошибок ECC. Каждая дорожка на VXA-ленте состоит из 387 пакетов данных, которые записываются и считываются с применением специального буферного сегмента.
В процессе чтения все четыре головки сканируют ленту и считывают пакеты данных в буферный сегмент. У каждого пакета есть уникальный адрес, на основании которого буфер VXA восстанавливает правильную последовательность пакетов, независимо от порядка, в котором они считаны. Корректно считанные в первом проходе пакеты остаются в буфере. Остальные считываются на последующих проходах и добавляются до тех пор, пока не будет восстановлена вся строка данных. Готовые данные передаются системе.
В VXA применяется выполняемая в два этапа четырехуровневая процедура исправления ошибок. Во-первых, каждый пакет содержит ECC-код исправления ошибок по методу Рида - Соломона, позволяющему устранять мелкие ошибки, обычно вызываемые шумом или фазовыми сдвигами. Во-вторых, при сборке пакетов в буферном сегменте они размещаются в узлах матрицы, в которой для исправления ошибок применяется трехмерный ECC-код Рида - Соломона (по осям X, Y и по диагонали). Благодаря такой схеме можно исправлять до двух потерянных пакетов в каждой строке, каждом столбце и в диагонали буферного массива.
Переменная скорость ленты
Поддержка в VXA переменной скорости ленты, или VSO, позволяет менять эту скорость в соответствии с изменением скорости передачи данных. Эта инновация устраняет обратные захваты, задержки и обусловленный захватами износ носителей. Устранение захватов также снижает скорость износа механизма накопителя, что в свою очередь повышает надежность данных и их способность к восстановлению.
При использовании VXA скорость ленты как бы подстраивается под скорость поступления данных. В случае перерыва в передаче данных механизм останавливается и переходит в так называемый режим готовности к дальнейшему чтению или записи. Избавление от захватов и режим готовности в VXA дают возможность существенно сократить время архивирования и восстановления данных.
VXA-накопители также обеспечивают повышенную надежность ленты благодаря режиму мягкой остановки при переходе в режим готовности. В обычных накопителях лента останавливается, отматывается назад, снова останавливается, а затем разгоняется в поступательном направлении до номинальной скорости. В отличие от обычного накопителя, который вынужден неоднократно изменять направление движение ленты, VXA-устройство просто останавливается, ожидает поступления очередной порции данных и продолжает запись с места, где ранее произошла остановка.
Многократное сканирование
Многократное сканирование - OSO - избавляет от ставшей неизбежной для ленточных механизмов необходимости четкого согласования направлений движения ленты (а точнее, дорожек) и записывающих головок. Для нормальной записи или считывания данных в потоковых устройствах на магнитной ленте требуется обеспечить постоянную скорость головок относительно ленты в механизмах линейной записи или фиксированный угол дорожек в устройствах наклонно-строчной записи.
При замедлении ленты отдельные ее части считываются несколько раз. OSO позволяет неоднократно считывать ленту с физическими повреждениями, такими, как нарушение угла наклона дорожки или дефект носителя, и восстанавливать данные средствами предусмотренного в VXA механизма коррекции.
Запись и чтение
Две пары магнитных головок на барабане обеспечивают запись на ленту двух перекрывающихся наборов дорожек: первая головка в каждой паре непосредственно записывает данные, а вторая проверяет их целостность, выполняя “чтение после записи” - RAW (Read-After-Write). При вращении барабана все они описывают одну и ту же траекторию, при этом первая головка пары записывает дорожку на пустой ленте, а вторая считывает только что записанные данные. Далее первая головка переходит на следующую дорожку и т. д. В процессе записи данных за один поворот барабана VXA-накопитель записывает пары идентичных пакетов под различными углами. Кроме того, выполняется процедура так называемой записи с нулевым допуском - ZTW (Zero Tolerance Write), гарантирующая надежное сохранение данных на ленте. В этой процедуре вторая (замыкающая) головка считывает только что записанные пакеты - так же, как и при выполнении операции “чтение после записи” Обнаружив пакет, нуждающийся в исправлении ошибок по ECC-коду, VXA-накопитель записывает его повторно.
В отличие от обычных накопителей VXA-устройства не нуждаются в точном совмещении головки с дорожкой и в считывании всей дорожки за один проход. В VXA используется пакетный формат записи данных и усовершенствованная архитектура с буфером, поэтому считывать пакеты можно в любом порядке - они собираются в буфере в корректной последовательности. Таким образом, достигается практически безошибочная запись на уровне пакетов.
При чтении данных по методу VXA работают все четыре головки. В этом случае пакеты считываются путем многократного сканирования и при этом гарантируется, что каждый из них считывается по крайней мере один раз. Геометрия дорожек и их наклон несущественны, ведь процедура чтения пакетов от этих параметров не зависит. Такой подход исключительно эффективен при чтении ленты, записанной на другом VXA-накопителе.
Практическая реализация
Летом этого года Ecrix заключила OEM-соглашение с корпорацией Compaq (www.compaq.com) на поставку ей ленточных накопителей VXA-1. Данные устройства Compaq планирует использовать совместно со своими рабочими станциями и настольными ПК. Отметим, что накопители, максимальная емкость картриджей для которых достигает 66 Гб (с компрессией 2:1), предлагаются Ecrix в нескольких вариантах: с интерфейсами SCSI-2 Single-Ended (SE), Ultra2 Wide SCSI (LVD/SE) и даже FireWire (IEEE1384). Нынешняя версия накопителей VXA-1 позволяет записывать данные со скоростью до 6 Мб/c. Емкость буфера данных - 4 Мбит. Конструктивно приводы могут быть выполнены как в виде встраиваемых, так и в виде внешних устройств. При этом используются три типа носителей: V6 с оригинальной емкостью 12 Гб (24 Гб с компрессией), V10 - 20 (40) и V17 - 33 (66) Гб при длине ленты 62, 107 и 170 м соответственно. Для сжатия данных применяется известный алгоритм ALDC (Adaptive Lossless Data Compression). Среднее время безотказной работы самого привода достигает 300 тыс. часов. На ленту наносится специальное покрытие AME (Advanced Metal Evaporated). По информации фирмы-производителя, срок службы носителей составляет 30 лет, причем за это время лента может выдержать 20 тыс. проходов. Для сравнения: стандартный DDS-носитель выдерживает примерно в 10 раз меньше - около 2 тыс.
Буквально десять дней спустя после заключения упомянутого соглашения было объявлено о слиянии Ecrix и корпорации Exabyte (www.exabyte.com). В качестве одной из причин этого шага называлась необходимость удовлетворения спроса на новые недорогие накопители со стороны пользователей приводов уже несколько устаревшего стандарта DDS. И вот, как стало известно, в недалеком будущем ожидается появление 80-гигабайтовых накопителей VXA-2. Exabyte также планирует использовать технологии Ecrix в новых поколениях устройств стандарта Mammoth.
