Streamery - napędy taśmowe

Streamer to urządzenie do przechowywania informacji (zwane też napędem taśmowym). Do streamera wkłada się taśmy, podobnie jak do stacji dyskietek wkłada się dyskietki. Na taśmie streamera można zapisać więcej informacji niż na dyskietce, ale zarówno zapis jak i odczyt przebiega znacznie wolniej. Dzieje się tak między innymi dlatego, że streamer musi wpierw wyszukać żądaną informację i przewinąć do tego miejsca taśmę, podobnie jak czyni to magnetofon z kasetą. Ze względu na metodę dostępu pamięć taśmowa jest pamięcią o dostępie sekwencyjnym. Konstrukcja i zasada działania w dużym uproszczeniu przypomina zasadę działania magnetofonu. Nośnikiem informacji jest taśma z mylaru o szerokości zwykle 1" (12,7 cm) i grubości ok. 0,04 mm pokryta materiałem o własnościach magnetycznych. Typowe szpule zawierają taśmę o długości 600, 1200 lub 2400 stóp (odpowiednio ok.:180m, 360m, 720m).
Nośnikami używanymi do archiwizacji, których pozycja od wielu lat pozostaje prawie niezagrożona, są taśmy magnetyczne. Obecnie używane taśmy mogą pomieścić nawet do 100 GB danych. Zaletą napędów taśmowych jest ich wysoka niezawodność i trwałość zapisu na nośniku (zwykle około 10 lat). Nie do pogardzenia są także duże pojemności, zwykle rzędu kilkunastu - kilkudziesięciu GB, niedostępne podczas korzystania z innych mediów. Napędy taśmowe różnią się między sobą głównie sposobem zapisu informacji na taśmie. Najważniejsze, najczęściej stosowane rodzaje zapisów to: DAT/DDS, Mammoth, DLT i MLR.
Format DDS na taśmach DAT (obie te nazwy są często używane zamiennie) charakteryzuje się tym, że dane są umieszczane ukośnie względem wymiarów taśmy. Obecnie jest stosowana czwarta już mutacja tego formatu, czyli DDS-4, która oferuje gęstość zapisu ponad 20-krotnie większą niż DDS-1. W typowych napędach DAT/DDS używana jest taśma o szerokości 4 mm. Główne zalety formatu DAT/DDS to duża gęstość zapisu, a więc niska cena nośników oraz zgodność nowych i starszych formatów - taśmy zapisane w formacie DDS-1 można z powodzeniem odczytać w napędach DDS-4. Wadą DAT jest natomiast mała (w porównaniu np. z DLT) trwałość zapisu, spowodowana m.in. wrażliwością zapisu ukośnego na rozciągnięcie nośnika.
Taśmy DAT o szerokości 8 mm, znane dzisiaj głównie w wersji Mammoth posiadają znacznie większą pojemność (od 20 GB bez kompresji) i są stosowane m.in. do przechowywania bardzo dużych zbiorów danych w bibliotekach taśmowych (pojemności rzędu kilku terabajtów).
  Konkurencyjnym wobec DAT/DDS formatem zapisu danych na taśmach jest DLT, czyli zapis liniowy oraz zapis wielokanałowy MLR. W zapisie DLT dane umieszczane są równolegle do krawędzi taśmy na kilku ścieżkach. Zapis ten umożliwia szybki odczyt danych, zwłaszcza przy zastosowaniu mechanizmów odczytujących jednocześnie dane z kilku ścieżek (2 lub 4). Jednoczesny zapis danych na kilku ścieżkach taśmy stosowany jest w napędach MLR, które wyróżniają się obecnie dużą pojemnością - do 100 GB z kompresją danych w formacie MLR5 (jednoczesny zapis na 4 ścieżkach).
Współczesne napędy taśmowe różnią się między sobą głównie sposobem zapisu informacji na taśmie i posługują się najczęściej jednym z dwóch rodzajów zapisu: liniowym i helikalnym.
W zapisie liniowym - charakteryzującym się dużą ilością głowic odczytująco/zapisujących i znaczną prędkością (SLR/MLR, DAT, MIC, DLT), dane umieszczane są równolegle do krawędzi taśmy na kilku ścieżkach. Zapis ten umożliwia szybki odczyt danych, zwłaszcza przy zastosowaniu mechanizmów odczytujących jednocześnie dane z kilku ścieżek (2 lub 4). Jednoczesny zapis danych na kilku ścieżkach taśmy stosowany jest w napędach MLR, które wyróżniają się obecnie dużą pojemnością - do 100 GB z kompresją danych w formacie MLR5 (jednoczesny zapis na 4 ścieżkach).
Z kolei zapis helikalny przypomina sposób funkcjonowania magnetowidów, gdzie podstawowym elementem konstrukcji czytnika jest zespół głowic odczytujących i zapisujących umieszczony ukośnie w stosunku do nośnika, najczęściej stosowane rodzaje to: DAT/DDS, Mammoth, DLT i MLR. Format DDS na taśmach DAT (obie te nazwy są często używane zamiennie) posiada już obecnie swoją czwartą wersję, czyli DDS-4, która oferuje gęstość zapisu ponad 20-krotnie większą niż DDS-1. W typowych napędach DAT/DDS używana jest taśma o szerokości 4 mm. Główne zalety formatu DAT/DDS to duża gęstość zapisu, a więc niska cena nośników oraz zgodność nowych i starszych formatów - taśmy zapisane w formacie DDS-1 można z powodzeniem odczytać w napędach DDS-4. Wadą DAT jest natomiast mała (w porównaniu np. z DLT) trwałość zapisu, spowodowana m.in. wrażliwością zapisu ukośnego na rozciągnięcie nośnika. Taśmy DAT o szerokości 8 mm, znane dzisiaj głównie w wersji Mammoth posiadają znacznie większą pojemność (od 20 GB bez kompresji) i są stosowane m.in. do przechowywania bardzo dużych zbiorów danych w bibliotekach taśmowych (pojemności rzędu kilku terabajtów).
 

Zasada działania

Jak w każdych systemach pamięci wykorzystujących nośnik z warstwą magnetyczną, zasada działania jest podobna. Pod specjalną głowicą wykonaną z materiału magnetycznie miękkiego, zawierającą uzwojenia przesuwa się materiał z naniesioną warstwą magnetyczną. Sygnał elektryczny reprezentujący infomację jest doprowadzony do uzwojenia głowicy i wytwarza w jej szczelinie pole magnetyczne, którego kierunek i natężenie zależy od prądu płynącego przez uzwojenie. Wytworzone pole powoduje przemagnesowanie przesuwającego się w nim nośnika i zarejestrowanie informacji odpowiadającej sygnałowi doprowadzonemu do uzwojenia. Aby odczytać zapisaną informację należy namagnesowany nośnik przesunąc z odpowiednią prędkośćią pod analogiczną lub nawet tą samą głwicą, która służyła do jej zapisania. W uzwojeniu głowicy zaindukuje się wówczas napięcie odpowiadające namagnesowaniu nośnika. Wielkość tego napięcia zależy od szybkości zmian pola magnetycznego w głowicy, a zatem od gęstości namagnesowania nośnika i od szybkości jego ruchu.
Na rysunku znajduje się typowy zespół głowic (w tym przypadku składający się z 9 niezależnych głowic). Głowica składa się z dwóch części: zapisującej i odczytującej. Każda głowica posiada niezależne uzwojenie.

Struktura danych na taśmie

Fizyczny poczatek informacji wyznacza specjalny znacznik odblaskowy naklejony na taśmie. Podobny znacznik znajduje się także przy końcu pełniący tę samą funkcję. Organizacja zapisu danych między tymi znacznikami zależy już właściwie od określonych wymagań osoby archiwizującej dane, jednakże pewne właściwości fizyczne urządzenia wymuszają podział zapisywanej informacji na bloki. Chodzi tu o krótki (lecz znaczący) czas potrzebny na rozpędzenie lub wyhamowanie taśmy. W tym czasie taśma przesuwa się pod glowicami o pewien odcinek, który nie jest ani odczytywany, ani zapisywany. Ten odcinek nazywa się przerwą międzyblokową. Podobny lecz dłuższy odcinek wykasowanej taśmy oraz specjalny znak oddziela pliki. Plik składa się z mniejszych jednostek zwanych blokami, a te z rekordów. Jest, więc to najmniejsz jednostka informacyjna, którą można zapisać (odczytać). Przy dosępie sekwencyjnym zarówno pliki, jak i rekordy je tworzące muszą być wyszukiwane w takiej kolejności w jakiej zostały zapisane. Jak już było powiedziane, wpływa to na efektywność pracy streamera.

Standardy

Wszerz i wzdłuż

Współczesne napędy taśmowe korzystają najczęściej z jednej z pięciu popularnych technik zapisu. Streamery mogą różnić się już na pierwszy rzut oka kształtem kasety przechowującej magnetyczne medium. Również wśród samych nośników można znaleźć przynajmniej kilka odmian charakteryzujących się różną szerokością taśmy oraz stosowaną metodą zapisu informacji. W celu silniejszego upakowania informacji na nośniku, stosuje się większą liczbę ścieżek, a za precyzyjne pozycjonowanie głowic odpowiadają tzw. ścieżki wspomagające (servo-tracks).

Zapis liniowy

W części urządzeń korzysta się z techniki zapisu liniowego, w której taśma przesuwana jest przed nieruchomą głowicą. Aby zwiększyć szybkość pracy streamerów, stosuje się tzw. zespół zapisująco-odczytujący (kilka pracujących równolegle głowic), dzięki czemu jednocześnie może zostać "obsłużonych" więcej ścieżek. Taśma przesuwana jest ze stosunkowo dużą prędkością, dlatego konstrukcja urządzenia, jak i sam nośnik narażone są na poważne obciążenia mechaniczne. Zapis liniowy stosowany jest w streamerach typu SLR/MLR oraz DLT.

SLR/MLR (Single/Multiple Linear Recording)

Taśma o szerokości ok. 6 mm przechowywana jest w zamkniętej kasecie (QIC). Nośnik przez cały cykl pracy pozostaje w kasecie, przez co znacznemu skróceniu uległ czas rozpoczynania operacji odczytu/zapisu. Za przesuw medium odpowiada rolka dociskowa oraz pasek przekaźnikowy, który porusza obie szpule.

Nośnik SLR/MLR Zamknięta kaseta oraz proste prowadzenie taśmy zmniejszają ryzyko uszkodzenia nośnika.
W systemie SLR dane zapisuje pojedyncza głowica na maks. 46 ścieżkach. W MLR3 wykorzystywane są trzy pracujące równolegle głowice: dwie zapisujące i jedna odczytująca, co pozwala na weryfikowanie zapisywanych danych niezależnie od kierunku przesuwania się taśmy. Szybkość transferu danych wynosi 2 MB/s, a pojedyncza taśma mieści do 25 GB danych bez kompresji (MLR3: 144 ścieżki + 24 ścieżki synchronizujące). Technologie SLR i MLR stosują m.in. firmy Tandberg i Overland.

DLT (Digital Linear Tape)

Technologia DLT, znana ze streamerów Quantum i HP, pochodzi ze świata dużych maszyn i komputerów mainframe DEC. Nośnik o szerokości nieco ponad centymetr znajduje się na pojedynczej szpuli. Czytnik, w momencie załadowania, wciąga koniec taśmy, którą nawija na drugą, zewnętrzną szpulę.

Taśma DLT Taśma DLT przechowywana jest na pojedynczej szpuli. Oszczędność materiału?

Za odczyt i zapis danych odpowiadają cztery zestawy głowic, których charakterystyczną cechą jest oryginalne rozmieszczenie - pod różnymi kątami do kierunku ruchu taśmy - chroniące gęsto położone ścieżki danych przed możliwością wystąpienia zakłóceń w trakcie odczytu. Taśma o pojemności 35 GB przesuwana jest z bardzo dużą prędkością, co w połączeniu z wydajnym systemem zapisu zapewnia transfer na poziomie ok. 5 MB/s.

Zapis helikalny

Często spotykana technika zapisu helikalnego przypomina nieco sposób funkcjonowania np. magnetowidów VHS. Podstawowym elementem konstrukcji czytnika jest zespół głowic odczytujących i zapisujących, umieszczony ukośnie w stosunku do nośnika. Wirowanie głowic oraz równomierny przesuw taśmy decydują o powstaniu ukośnych ścieżek zapisu. Ze względu na znaczne zagęszczenie informacji na powierzchni nośnika medium przesuwane jest powoli. Nie ma również potrzeby stosowania długich taśm, co w konsekwencji powoduje, że czas przewijania jest przeważnie znacznie krótszy niż w przypadku urządzeń korzystających z techniki zapisu liniowego.

DDS3 (DAT - Digital Audio Tape)

Helikalny standard zapisu DDS3 stosowany jest w czteromilimetrowych taśmach DAT i umożliwia przechowanie do 12 GB informacji na pojedynczej kasecie. Taśmy DAT są profesjonalnym standardem przechowywania dźwięku w cyfrowej postaci. Transfer danych w technologii DDS3 odbywa się ze średnią prędkością 1 MB/s, a za poprawność zapisu odpowiada metoda korekcji read-after-write, polegająca na odczytywaniu i weryfikowaniu danych bezpośrednio po przeprowadzonym zapisie. W momencie wykrycia błędu następuje ponowne skopiowanie informacji na nośnik. Dane kodowane są z użyciem znanej z dysków twardych techniki PRML (CHIP 9/96, s. 68). Napędy DDS3 mogą również zapisywać i odczytywać dane w jednym z wcześniejszych standardów - DDS1 i DDS2 - różniących się od DDS3 pojemnością nośnika (mniejsze skondensowanie danych na pojedynczej ścieżce).

AIT (Advanced Intelligent Tape)

Technologia AIT jest w pewnym sensie rozwinięciem koncepcji zastosowanych po raz pierwszy w taśmach DAT. Taśma AIT o długości 170 metrów mieści do 25 GB danych (bez kompresji) i wykonana jest w technice AME (Advanced Metal Evaporation - proces pokrywania nośnika cieńką warstwą metalu). Dane zapisywane są ze średnią prędkością 3 MB/s. Za bezpieczeństwo przechowywanych informacji odpowiadają dwa zastosowane mechanizmy korekcji - odczyt-po-zapisie oraz ECC (error correction code). Pierwszy z nich zapewnia poprawność zapisu, drugi zaś umożliwia rekonstrukcję danych i odczyt informacji z uszkodzonego nośnika. Unikatową cechą taśm MIC (Memory In Cassette), wykorzystywanych przez napędy AIT, jest układ pamięci zainstalowany wewnątrz kasety.

Kasety DAT, MIC (AIT) Wirujący zespół głowic odczytująco--zapisjących umieszczony jest pod pewnym kątem do osi szpul z taśmą. Przechowuje on informacje o aktualnej zawartości nośnika wraz ze szczegółową lokalizacją zbiorów na powierzchni taśmy. Rozwiązanie takie zapewnia niemal błyskawiczny dostęp do przechowanych danych. Technologię AIT opracowała firma Sony na potrzeby urządzeń wizyjnych. AIT powszechnie stosowana jest również w streamerach Seagate.

Mammoth

Dla swoich urządzeń firma Exabyte opracowała własną technologię 8 mm, w której używa podobnego nośnika co AIT. Pojedyncza kaseta mieści 20 GB danych, które zapisywane są z prędkością 3 MB/s. Napędy 8 mm są kompatybilne z wcześniejszymi modelami (odczyt), dzięki czemu najnowsze urządzenia Exabyte bez problemu odczytują nawet najstarsze taśmy. Streamery Exabyte, podobnie jak urządzenia AIT, korzystają ze 170-metrowej taśmy.

Pojemny streamer

Bardzo duża pojemność streamera (15 GB bez kompresji, 30 GB z kompresją) pozwala na zapisanie większej liczby informacji niż przy użyciu innych nośników. Przepustowość nagrywarek jest również większa niż np. napędów FDD - 2,5 MB/s przy zapisie i 3 MB/s przy odczycie z włączoną kompresją. Kasetki streamerów charakteryzuje duża trwałość, szacowana na ponad 500 tys. cyklów zapis/odczyt, co daje aż 30-letnią trwałość zapisu magnetycznego. Nośnik ten cechuje też znaczna wytrzymałosć. Średni bezawaryjny czas pracy streamera wynosi ponad 80 tys. godzin ciągłej pracy urządzenia. Niezawodność zapisu zapewnia stosowany w każdym napędzie mechanizm wykrywania i korekcji błędów ECC. Wszystko to czyni streamery urządzeniami używanymi w specjalistycznych celach. Streamery znajdują zastosowanie w: Długoterminowej archiwizacji danych w specjalnych bibliotekach (long-term off-line i off-line data storage). Pracy w ramach tzw. systemów hierarchicznego składowania i zarządzania danymi komputerowymi HSM (Hierarchical Storage Manager) typu near-line, w których to systemach na streamery DLT przenoszone są rzadko używane dane z dysków twardych. W ten sposób unika się straty cennego miejsca na dyskach, a jednocześnie umożliwia szybkie ponowne przeniesienie danych, kiedy są one potrzebne. Tworzeniu kopii zapasowych wszystkich informacji na dysku, a szczególnie efektów pracy. Bardzo często także streamery używane są do zapisywania wszystkich informacji, znajdujących się na dyskach serwerów w sieci komputerowej. Mimo tych zalet, streamery nigdy nie staną się powszechnym nośnikiem danych, głównie ze względu na wolny zapis i odczyt. Streamer bowiem musi najpierw wyszuać żądaną informację i przewinąć do tego miejsca taśmę, podobnie jak w magnetofonie z kasetą. Niemniej, jako pojemny nośnik, streamery nadal będą stosowane do archiwizowania dużych ilości informacji.