掌握“盘带技术”――比较磁盘存储和磁带存储

掌握“盘带技术”――比较磁盘存储和磁带存储

2008-04-12 12:50:25

　标签： 磁盘存储 磁带存储　　　 [ 推送到技术圈]

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大家看到这篇文章的时候，中国足球队世界杯外围赛已经有过几场比赛了，桑丘估计比赛的情况不容乐观。在足球比赛里，球员的盘带技术是一门基本功，巴西队的德尼尔森就是因为优秀的盘带技术为广大的球迷所喜爱。其实，“盘带技术”在网络中同样存在，我们可以把磁盘和磁带这两个存储技术简称为“盘带技术”。在足球中，盘球和带球是两个动作，那么在网络中，磁盘技术和磁带技术又有什么区别？各自有什么优缺点？适用于什么样的环境？ 一、磁盘技术和磁带技术区别 磁盘和磁带都是计算机数据备份的设备，他们各有优势和劣势，不同的用户适用不同的方式，只有因地制宜，综合两种技术的优点，扬长避短，根据用户具体情况提供最适合的方案，才是解决备份问题的根本办法，那么目前磁盘和磁带又有哪些技术，又有什么区别呢？ （一）磁带技术 目前在磁带存储技术上主要应用的技术有四种： DDS （ Digital Data Storage ，数字数据存储）、 LTO （ Linear Tape-Open ，开放线性磁带）、 DLT （ Digital Linear Tape ，数码线性磁带）和 AIT （ Advanced Intelligent Tape ，先进智能磁带）。 （ 1 ） DDS （数字数据存储）是一种由 DAT （数字音频磁带）演变而来的数据存储格式，是专门为计算机数据存储的可靠性而设计。数字数据存储不单定义为一种国际标准并被众多厂家所采用，更重要的是，作为一种公认的全面协作测试程序，可确保某个制造商写入的磁带能被其它厂家读取。它有两种协作测试程序，一种是 DDS 驱动器，另一种是 DDS 媒体。 DDS 驱动器经过严格的测试，以便符合格式和数据交换；而 DDS 媒体通过全面的测试，旨在确保只有满足 DDS 标准苛刻的环境和耐用性要求的盒式磁带才能标识 DDS 商标。索尼和 IBM 公司使用 DDS 较多。 （ 2 ） LTO （开放线性磁带）是一种全新的磁带格式规范方式，旨在将开放式标准以及更高的可扩展性、可靠性和自动化推向开放系统磁带备份市场。 LTO 规范是由三家世界领先的存储器制造商― IBM 、 Hewlett-Packard 和 Seagate 共同开发。 LTO 有两种格式―― Ultrium 和 Accelis 。前者的特点是高容量，后者的特长在于存取速度快。惠普主要研制 Ultrium 格式的产品， Ultrium 采用单轴 1/2 英寸磁带，非压缩存储容量 100GB 、传输速率最大 20MB/s 、压缩后容量可达 200GB ，而且具有增长的空间。 Ultrium 结合了线性多通道双向磁带格式的优点，基于服务系统、硬件数据压缩、优化的磁道面和高效率纠错技术，以提高磁带的能力和性能，广泛应用于高端服务器、大型数据库等领域。而 Accelis 格式磁带是为了实现数据的快速读取而对开放线性磁带技术所进行的优化，它具有卓越的可靠性。它在磁带的中央位置使用了双轴盒式磁带，以最大限度地减少数据读取时间。 Accelis 格式磁带的应用领域是自动化环境，并能够保证各种“在线”数据查询以及检索程序的运行需求。 （ 3 ） DLT （数字线性磁带技术）源于 1/2 英寸磁带机。 1/2 英寸磁带机技术出现很早，主要用于数据的实时采集，如程控交换机上话务信息的记录，地震设备的震动信号记录等等。 DLT 磁带由 DEC 和 Quantum （昆腾）公司联合开发。由于磁带体积庞大， DLT 磁带机全部是 5.25 英寸全高格式。 DLT 产品由于高容量，主要 定位于中、高级的服务器市场与磁带库系统。目前 DLT 驱动器的容量从 10GB 到 80GB 不等，数据传送速度相应由 1.25MB/ 秒至 10MB/ 秒。昆腾公司 2001 年推出了基于 DLT 的 Super DLT （ SDLT ）格式的磁带技术，它在 DLT 技术基础上结合新型磁带记录技术，使用激光导引磁记录（ LGMR ）技术，通过增加磁带表面的记录磁道数使记录容量增加。目前 SDLT 的容量为 160GB ，近 3 倍于 DLT 磁带系列产品，传输速率为 11MB/s ，是 DLT 的 2 倍。 （ 4 ） AIT （先进智能磁带），具有螺旋扫描、金属蒸发带等先进技术， AIT 的数据保护性能比较突出， AIT 已经发展到目前的 AIT-3 ，目前开发 AIT 技术的索尼公司和专注在 AIT 技术上开发产品的 Spectra Logic 公司都在大力的推广采用 AIT 的产品。 AIT 采用的是螺旋扫描方式进行记录，与家用录像机的工作原理一样，在整个磁带机中，只有磁鼓是高速旋转，其它部件，如磁带、伺服机构都是低速运动的。这样的结构紧凑合理、易于设计和维护。而 LTO(Linear Tape Open) 、 DLT(Digital linear Tape) 、 SDLT(Super Digital linear Tape) 都是线性记录，像录音机一样，磁头是固定不动的，磁带直线运动通过磁头。与录音机不同的是，磁带机要保证记录速度，就要让磁带高速通过磁头，为此，就需要复杂机构控制磁带抖动、冷却高速运动的各种部件和轴承。在相同材料下，采用螺旋扫描的方式能使材料寿命延长。从应用方面讲，对于企业级用户来说， AIT 磁带库可用于数据备份。与其它同容量、同传输速率的产品相比， AIT 机架式的带库具有体积小、能耗低、容量大、价格便宜的优点。对于中端用户， AIT 自动加载机是较好的选择。考虑到数据容量和自动备份等问题，可选用能容纳 4 盘磁带的自动加载机。 （二）磁盘技术 在前面介绍了目前磁带的主流技术，磁盘技术主要应用在硬盘中，在日常生活中，我们经常提到硬盘，硬盘主要采用了那一些技术呢？笔者就日常硬盘上提到的技术以及一些未提到的技术等知识进行介绍。 1 ． SATA 与 SATA2 SATA 的全称是 Serial Advanced Technology Attachment ，是由 Intel 、 IBM 、 Dell 、 APT 、 Maxtor 和 Seagate 公司共同提出的硬盘接口规范，在 IDF Fall 2001 大会上， Seagate 宣布了 Serial ATA 1.0 标准，正式宣告了 SATA 规范的确立。 SATA 规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了 150MB/s ，比 PATA 标准 ATA/100 高出 50% ，比 ATA/133 也要高出约 13% 。在市场上看到的 SATA 也就是 Serial ATA 1.0 标准。 SATA 接口需要硬件芯片的支持，例如 Intel ICH5(R) 、 VIA VT8237 、 nVIDIA 的 MCP RAID 和 SiS964 ，如果主板南桥芯片不能直接支持的话，就需要选择第三方的芯片。 SATA 具有支持热插拔、传输速度快以及执行效率高等特点，使用 SATA 口的硬盘又叫串口硬盘，串口硬盘是一种完全不同于并行 ATA 的新型硬盘接口类型，它以连续串行的方式传送数据，一次只会传送 1 位数据，这样能减少 SATA 接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。 2007 年制定了 SATA2 及 SATA2.5 标准，速度达到 300MB/s ，整整比第一代的速度提高了一倍。 2 ． GMR 巨磁阻磁头 GMR （ Giant Magneto Resistive ，巨磁阻）磁头与 AMR 磁头一样，其工作原理是基于磁阻效应来工作的，核心是一片特殊金属材料，其电阻随磁场的变化而变化，虽然其变化率不足 2% ，但由于磁阻元件连接着一个十分敏感的放大器，因此可以测出微小的电阻变化，通过这种微小的变化就可以读出盘片上记录的数据。只不过 GMR 磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比 AMR 磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而实现更高的存储密度，现有的 MR 磁头能够达到的盘片密度为 3Gbit-5Gbit/in2( 千兆位每平方英寸 ) ，而 GMR 磁头可以达到 10Gbit-40Gbit/in2 以上。目前 GMR 磁头已经成为最流行的磁头技术。　　 3 ．更高的主轴电机转速。 　　目前大多数硬盘的主轴电机转速一般都在 5400 转以上。理论上来说，转速越快，硬盘的速度越快，但提高转速受到散热、稳定性等多方面的制约，因此硬盘转速的提高是有限度的。 E-IDE 接口硬盘大约会以 10000 转 / 分为限。随着硬盘转速的提高，平均等待时间和平均寻道时间随之下降，平均寻道时间缩短到 9ms 以下。而 SCSI 接口的硬盘转速已提高到 15000 转 / 分以上。 　　 4 ．高速缓存技术。 　　缓存是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有比硬盘磁头快得多的存取速度，它是硬盘内部存储和外接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度差异较大，缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的出现，大幅度地提高了硬盘的整体性能。缓存主要有 3 个功能：一是预读取，二是对写入动作进行缓存，三是临时存储最近访问过的数据。值得注意的是，大容量的缓存只有配合高效的算法才能更好地发挥作用，否则只会适得其反。目前在硬盘上广泛采用了多段先行读出式超高速缓存器，多段先行读出式超高速缓存器可在读出和先行读出作业中，数据被存入超高速缓存器中，主机不必通过磁盘驱动器便可以直接使用这些数据，由于每一段都可以用作一个独立的缓冲器，可以在多任务环境中大大提高系统的吞吐性能。因此即使是 E-IDE 接口的硬盘，为了提高性能，最好也要拥有 256KB 的高速缓存。由于高速缓存可以提高硬盘性能，所以随着硬盘容量的加大，高速缓存就显得越来越重要。 　　 5 ．垂直磁记录（ Perpendicular Magnetic Recording ）技术 　　目前硬盘所使用的记录技术都是纵向或称水平磁记录（ LMR ， Longitudinal Magnetic Recording ），每个存储位的磁极粒子平辅在一个平面上；而 PMR 技术可以改变纵向记录的磁盘排列，将与盘片平行改为与盘片表面垂直，这样做可以在以前只能放一个磁场的空间内，放置更多的垂直磁场，可以在相同的单元间隔里把数据存取位元密度提高，因为在相同的单元间隔下，垂直记录硬盘可存储更多的数据位，因此在相同的硬盘转速下，采用垂直记录技术的硬盘拥有更快的连续读取优势。 6 ．平均寻道时间 　　平均寻道时间是 Average Seek Time 的缩写，是指硬盘在接受到系统指令后，磁头从开始移动到移动到数据所在磁道所需要的平均时间，单位为毫秒（ ms ）。这是衡量硬盘好坏的一个重要参数，其数值越小，则性能越好。现在主流硬盘的寻道时间都在 5ms 左右。寻道时间是由硬盘转速，单碟容量等多个因素综合决定的一个参数。读写文件的大小对寻道时间的敏感的影响是不同的，在读写大量的小文件时，硬盘对寻道时间非常敏感，而在读写大文件或连续存储的大量数据时，寻道时间则不太重要。 7 ． NCQ 技术 NCQ 是 Native Command Queuing 的缩写，即原生命令队列的意思，是 SATA II 最先进和最令人期待的特性，是 SATA Ⅱ规范中的重要组成部分，也是 SATA Ⅱ规范唯一与硬盘性能相关的技术，它是在硬盘负载日益增加的情况下提高硬盘性能和稳定性的技术。当用户的应用程序发送多条指令到用户的硬盘上时， NQC 硬盘可以优化完成这些指令的顺序，从而降低机械负荷，达到提升性能的目的。实际应用中，开启 NQC 比不开启回有 7% 左右的性能增幅，对于小块数据读取效果更为明显。据相关媒体报道，拥有 NCQ 技术的新款硬盘相对没有 NCQ 技术的旧版硬盘产品。整体性能可以提升 5%~20% 。 　　 8 ．硬盘内多盘片封装技术 　　当平均存取时间和记录密度一定时，盘片数加倍则单位区域内的容量加倍，移动磁头寻道的可能性将减小，性能将提高。一般 E-IDE 接口的硬盘最多为四片盘。 　　 9 ． OAW 技术 　　在传统磁盘技术发展的上存在一个“超顺磁极限”。传统磁记录驱动器的面记录密度越来越大，当它达到 20 ～ 40Gb ／平方英寸时，磁盘上的磁介质就无法保持稳定的磁畴，这就是传统磁盘技术发展的理论极限。但信息技术发展对信息存储的要求却没有极限。 OAW 技术达到的面记录密度远高于今天的硬盘驱动器，最终将突破超顺磁极限即传统磁技术的面记录密度的理论极限。 OAW 技术在驱动器业界首次把光技术、磁技术和通信技术集成在一起，构成新一类的经济实惠的高容量驱动器产品。 OAW 技术能突破超顺磁级所限制的驱动器性能。 OAW 系统由：先进的光输送系统、独特的磁头设计、全新的伺服系统、等新一代记录介质子系统组成。 　　 10 “湿盘” (wetdisk) 技术 　　当我们要把磁盘密度进一步增大，目前以金属薄膜盘片以及玻璃基片的“温盘技术”便无能为力了。我们知道，当磁盘密度达到一定程度时，信号便会变得更加微弱，并且相邻信号之间的干扰也更为严重。要解决只能把磁头进一步贴近盘片，但目前的磁头飞高已不到 0.08 微米，要进一步令磁头靠近盘片非常困难，因为这要克服磁头抖动及盘片细微凹凸等引起问题。为此，有人提出干脆把磁头紧贴磁盘 (Contactrecording) ，就象录音机那样。但对盘片及磁头而言，这种接触是致命的，磁头与盘片会两败俱伤。于是，一种全新的盘片 -- “湿盘” (wetdisk) 被提上的研发日程，“湿盘”可以最大限度地减少磁头与盘片的磨擦，但其中还有不少技术上与工艺上的问题有待解决。 　　 11 ．数据保护技术 　　（ 1 ） S.M.A.R.T （自动检测、分析及报告）技术 　　 SMART 技术（ Self-Monitoring Analysis and Report Technology ，自我检测、分析、报告技术）是从 Compaq 的 Interllisafe （智能保护）技术和 IBMDE PFA （ Predictive Failure Analysis, 错误预报分析）技术发展而来的。 SMART 技术的原理就是一个需要人工参与的闭环控制过程，该闭环制的期望值就是把硬盘故障带来的损失最小化， SMART 技术可以减少数据丢失，预先报警能让用户掌握硬盘的性能状况，提高硬盘存储数据的安全性。 　　（ 2 ） SPS 和 DPS 技术 　　震动保护系统（ SPS ， Shock Protection System ）是由昆腾公司开发，使硬盘在受到撞击时，保持磁头不受震动，磁头和磁头臂停泊在盘片上，冲击能量被硬盘其他部分吸收，这样能有效地提高硬盘的抗震性能，使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。目前第二代保护系统（ SPSII ）也推出，可以更有效的防止由于外界的震动所引起的硬盘损坏。 数据保护系统（ DPS ）是 Data Protection System 的简称，在昆腾火球八代硬盘中首次被采用。 DPS 可快速自动检测硬盘的每一个扇区，在硬盘的前 300MB 内存放操作系统等重要信息， DPS 可在系统出现问题后的 90 秒内自动检测恢复系统数据，若不行则用 DPS 软盘启动后它会自动分析故障，尽量保证数据不丢失。配合 QDPS 测试软件，可以方便、正确的检测硬盘是否有损坏。 　　（ 3 ） ShockBlock 和 MaxSafe 技术 　　 ShockBlock 是迈拓公司在其金钻二代硬盘上使用的防震技术，它的设计思想和昆腾的 SPS 相似，采用先进的设计制造工艺，在意外碰撞发生时，尽可能避免磁头和磁盘表面发生撞击，减少因此而引起的磁盘表面损坏。 　　 MaxSafe 同样也是金钻二代拥有的独特数据保护技术，它可以自动侦测、诊断和修正硬盘发生的问题，提供更高的数据完整性和可靠度。 Maxsafe 技术的核心是 ECC(ErrorCorrectionCode 错误纠正代码 ) 功能，它在数据传输过程中采用特殊的编码算法，加入附加的 ECC 检验位代码并保存在硬盘上，当数据重新读出或写入时，通过解码方式去除额外的检验位和原来保存的数据对照，如果编码和解码过程中发生错误，将重新读出数据并保持数据的完整性。 （ 4 ） Seashield 和 DST 技术 　　 Seashield 是希捷公司推出的新防震保护技术。 Seashield 提供了由减震弹性材料制成保护软罩，配合磁头臂及盘片间的加强防震设计，为硬盘提供了高达 300G 的非操作防震能力。另一方面它也提供了印刷电路底板静电放电硬罩及其他防损害措施，保证硬盘的可靠性。 　　 DriveSelfTest(DST ，驱动器自我测试 ) 功能是希捷新增的数据保护技术，它内建在硬盘的固件中，提供数据的自我检测和诊断功能，在用户卸下硬盘时先进行测试诊断，避免数据无谓的丢失。 　（ 5 ） DFT 技术 　　 DFT(DriveFitnessTest ，驱动器健康检测 ) 技术是 IBM 公司为其 PC 硬盘开发的数据保护技术，它通过使用 DFT 程序访问 IBM 硬盘里的 DFT 微代码对硬盘进行检测，可以让用户方便快捷地检测硬盘的运转状况。 DFT 微代码可以自动对错误事件进行登记，并将登记数据保存到硬盘上的保留区域中。 DFT 微代码还可以实时对硬盘进行物理分析，如通过读取伺服位置错误信号来计算出盘片交换、伺服稳定性、重复移动等参数，并给出图形供用户或技术人员参考。这是一个全新的观念，硬盘子系统的控制信号可以被用来分析硬盘本身的机械状况。 　　（ 6 ）“热拔插”技术。 　　热拔插 SCSI 连接 / 断接功能深受市场的欢迎。在开启或关闭电源时，硬盘在活跃的 SCSI 总线上不会造成电源瞬变或数据失误的情况，因此热拔插功能特别适用于阵列应用程式，在拆机安装硬盘时，阵列仍可照常运作而不会中断。目前 IBM 、 Compaq 、 HP 等品牌服务器都采用了 80 针热拔插硬盘，并配有专用的硬盘架和电源。 　（三）磁带磁盘存储优势对比 磁带存储与硬盘存储相比，具有四个优势：首先，在安全性上，磁带存储更易于加密、压缩，保密性好，磁带设备可以实现数据和读写设备的分离；其次，磁带存储的移动性更好，存储单位面积成本低；再次，磁带存储的成本更加低廉；最后，磁带存储的空间大，更利于历史数据的保存、归档。 普通磁盘的优势在于价格相对低廉，使用简单。但是其缺点也很明显，一是使用文件系统进行数据备份，数据容易遭受病毒、黑客以及其他因素的侵害，二是容易产生磁盘碎片，影响备份恢复性能。同等存储空间大小的磁盘价格高于磁带价格。目前 400G 主流磁带价格在 450 元左右， SCSI 300GB 磁盘价格在 2400 元左右以上， 400G 移动硬盘价格在 1750 元左右， 300G 普通磁盘价格也在 500 以上。相对而言使用磁盘技术的产品价格要高于同等条件下使用磁带价格。磁带备份人工参与程度较高，而磁盘备份人工参与程度较低。作为传统的备份手段，磁带备份存在很多缺陷。首先，磁带库和磁带驱动器都是机电设备，不可避免地普遍存在机械故障率过高的特点；其次，磁带介质本身也比较脆弱，容易受到温度、湿度以及粉尘、电磁等的影响，虽然理论上金属磁带使用寿命很长，但实际操作中卡带、绞带是频发的问题；另外，使用磁带的过程需要过多人工因素的参与，不但导致高昂的人工成本，也引入了诸多人为的不安全因素。 磁盘作为全密闭的电子设备，故障率要远远低于磁带设备，不但降低了维护成本，也减少了维护人员的工作压力。磁盘备份目前面临的主要问题是一次性投入仍然居高不下，但是如果考虑磁带设备的维护成本，以总体拥有成本进行比较，磁盘备份的成本并没高出多少。 （四）磁盘磁带选择建议 　    1 ．磁带备份 一般来讲，如果用户的备份数据量不大，或者时间窗口非常宽裕，可以选择磁带备份。另外，希望将数据异地离线长期保存的用户，也应该选择磁带备份。 2 ．磁盘备份 磁盘备份一般适用于大型数据中心，特点是数据量大，而备份窗口相对较小，所以对备份设备的性能和可靠性要求很高。 在实际使用过程中，可以使用磁盘和磁带交叉备份，即先用磁盘快速进行备份，然后使用磁带备份，将数据和设备进行分离。 本文出自 “ simeon的技术专栏” 博客，请务必保留此出处 [url]http://simeon.blog.51cto.com/18680/71188[/url] 本文出自 51CTO.COM技术博客