RAFAŁ KOGUCIUK WOJCIECH ZABIEROWSKI ANDRZEJ NAPIERALSKI DATA STORAGE TECHNOLOGIES TECHNOLOGIE ARCHIWIZACJI DANYCH Streszczenie W pierwszej części artykułu zostały przedstawione nowoczesne rozwiązania w dziedzinie przechowywania. Następnie przedstawiono ich zestawienie oraz porównanie począwszy od ich parametrów przez wydajność oraz możliwe zastosowania skończywszy na kosztach. obszarów magnetycznych, wprowadzone została koncepcja zapisu poprzecznego. Słowa kluczowe Technologie archiwizacji, technologie optycznego zapisu, technologie magnetycznego zapisu, technologie magneto-optyczne, technologie holograficzne. 1 Nowoczesne technologie magnetycznego zapisu Kategorie urządzeń wykorzystujących zapis magnetyczny można z grubsza podzielić na dwa rodzaje: napędy o nośnikach stałych napędy o nośnikach wymiennych. 11. Napędy stałe o zapisie magnetycznym Główną grupą urządzeń zaliczanych do napędów o nośnikach stałych są dyski twarde. Urządzenia te są obecnie jednym z najpowszechniej wykorzystywanych sposobów przechowywania oraz tworzenia kopii zapasowych nie tylko do domowego użytku ale również w profesjonalnych rozwiązaniach (macierze dyskowe). Można się pokusić o stwierdzenie iż dysk twardy jest obecny w praktycznie każdym komputerze PC. Centralna częścią dysku twardego a jednocześnie nośnikiem na którym przechowywane są wszystkie zapisane na dysku dane jest zespól sztywnych talerzy pokrytych materiałem magnetycznym, obracających się ze stałą prędkością dookoła własnej osi. Do zapisu i odczytu służy zespól głowic zamontowanych na specjalnym ramieniu. Jako, że talerze dysku są obustronnie wykorzystywane, na każdy talerz przypada dwie głowice zapisująco-odczytujące. Do sterowania ruchami głowic i ustawiania ich nad konkretna ścieżką służy pozycjoner głowic. Najnowszym rozwiązaniem w dziedzinie zapis w dyskach twardych jest tzw. zapis prostopadły (ang. Perpendicular recording). Z powodu osiągnięcia granicy w zapisie wzdłużnym, po przekroczeniu której dane zapisane ta metoda mogły samoistnie zanikać z powodu zbyt małych rozmiarów pojedynczych Rys.1. Idea zapisu poprzecznego w porównaniu z zapisem wzdłużnym Dzięki uporządkowaniu obszarów magnetycznych w ten sposób udało się podwoić gęstość zapisu oraz zlikwidować efekt samoistnego zaniku. Pierwsze dyski twarde w których wykorzystuje się ta metodę zapisu już są dostępne na dysku. Szacuje się, iż metoda ta pozwoli na zwiększenie gęstości zapisu z 200 Gb/cal (metoda zapisu wzdłużnego) do nawet 1 Tb/cal. 12. Napędy wymienne o zapisie magnetycznym Główną grupą urządzeń zaliczanych do napędów o nośnikach wymiennych są wszelkiego rodzaju napędy dyskietek. Wielu producentów sprzętu pracowało nad następcą napędu dyskietek 1.44 MB, w rezultacie czego powstało wiele standardów niekompatybilnych ze sobą, większość z nich nie była kompatybilna również ze swoim poprzednikiem. Główne standardy nowoczesnych napędów dyskietek to: Napędy Zip Drive Napędy Laser Servo, LS-120 oraz LS-240 Napędy HiFD Wszystkie z wyżej wymienionych standardów dysponowały pojemnościami dużo większymi od swojego pierwowzoru, jednak żaden z nich nie upowszechnił się na taka skala jak w przypadku napędu dyskietek 1.44 MB. 2 Nowoczesne technologie magneto-optycznego zapisu
K. Koperski, W. Zabierowski, A. Napieralski Systemy klasy CRM w małych i średnich przedsiębiorstwach Początki technologii magneto-optycznej sięgają roku 1985 kiedy to została wprowadzona na rynek. Początkowo standard umożliwiał jedynie jednokrotny zapis (ang. WORM - Write Once Read Many) jednak z czasem zostały wprowadzone napędy oraz nośniki umożliwiające wielokrotny zapis. Urządzenia wykorzystujące technikę magnetooptyczna jak i nośniki dostępne są w dwóch standardowych rozmiarach 3,5 oraz 5,25 cala. 3 Nowoczesne technologie optycznego zapisu Do grupy tej zaliczyć należy kilka technologii: technologie DVD (ang. Digital Versital Disk) technologie Blu-Ray technologie HD-DVD. technologie HVD (ang. Holographic Versatile Disc). Technologia DVD zaprezentowana została w 1996 roku przez stowarzyszenie firm na którego czele stały firmy Philips, Sony oraz Toshiba. Technologia DVD jest bardzo podobna do swojego pierwowzoru czyli technologii CD, obie wykorzystują dyski o średnicy 12 cm, metoda odczytu jak i budowa nośnika jest praktycznie taka sama. Rys.2. Zasada działania napędu magneto-optycznego, źródło: "Upgrading and Repairing Pcs", 17th Edition, Scott Mueller, 2006 Dysk magnetooptyczny podzielony jest na dwie warstwy: warstwę materiału magnetycznego oraz warstwę podłoża. W kierunku warstwy podłoża skierowany jest laser zmiennej mocy, natomiast od strony warstwy magnetycznej znajduje się głowica magnetyczna służąca wyłącznie do zapisu. Proces zapisu informacji polega na wykorzystaniu lasera ustawionego na zwiększoną moc, tym samym na rozgrzaniu obszaru podłoża dzięki czemu możliwe jest zapisanie informacji w warstwie magnetycznej wykorzystując głowicę zapisującą. Kasowanie zawartości nośnika odbywa się poprzez rozgrzanie obszarów z których dane maja być usunięte do temperatury około 200 C. Temperatura ta to tzw. punkt Curie w którym powierzchnia magnetyczna traci swoje właściwości magnetyczne, w tym właśnie momencie następuje usuniecie. Proces odczytu zawartości dysku polega na wysłaniu wiązki spolaryzowanych promieni lasera (ustawionego na niska moc) w kierunku powierzchni dysku. Obszary dysku magnetooptycznego przechowujące binarna jedynkę odbijają promienie lasera w inny sposób niż obszary dysku przechowujące binarne zero, jest to tzw. efekt Kerra. W starszych modelach tego typu napędów aby zapisać nowe informacje na uprzednio już zapisanym dysku należało wcześniej skasować zawartość dysku. W nowszych napędach dzięki zastosowaniu tzw. metody LIMDOW (ang. Light intensity modulated direct overwrite). Jak sama nazwa metody wskazuje umożliwia ona bezpośrednie nadpisywanie za pomocą modulowanej wiązki promieni laserowych. Wada tej metody jest fakt ze wykorzystywać ja można tylko ze specjalnymi rodzajami nośników. Nośniki technologii magnetooptycznej są bardzo żywotne, nośnik zamknięty jest w specjalnej obudowie przypominającej budową obudowę dyskietki. Trwałość informacji zapisanej na dysku magnetooptycznym wynosi około 30 lat. Rys.3. Budowa napędu optycznego, źródło: "Upgrading and Repairing Pcs", 17th Edition, Scott Mueller, 2006 Występuje jednak kilka znaczących różnic dzięki którym pojemności nośników DVD są prawie 7 razy (a w przypadku nośników dwuwarstwowych nawet 12 razy) większe od pojemności nośników CD. Zasadniczą różnicą jest fakt użycia lasera o mniejszej długości fali, położonego znacznie bliżej powierzchni nośnika niż miało to miejsce w przypadku standardu CD. Kolejna różnicą jest fakt, iż w technologii DVD opracowano zapisu oraz odczytu nośników zbudowanych z dwóch warstw (ang. Dual Layer). Dzięki zastosowaniu dwóch warstw pojemność takiego nośnika jest dwukrotnie większa od pojemności standardowego nośnika DVD. Każda z warstw takiego nośnika powlekana jest cienka warstwa metalu aby odbijała promienie lasera. Dodatkowo zewnętrzną warstwę takiego nośnika pokrywa warstwa metalu na tyle cienka aby laser (ustawiony do odczytu warstwy wewnętrznej) mógł przez nią przeniknąć. Ponadto twórcy standardu DVD opracowali nośniki dwustronne oraz dwustronnedwuwarstwowe. Technologie Blu-ray oraz HD-DVD stanowią najnowocześniejsze rozwiązania w dziedzinie technologii optycznych. Oba standardy opierają się na wykorzystaniu niebieskiego lasera o mniejszej długości fali (w stosunku do technologii DVD) przez co pojemności oferowane przez owe standardy są wielokrotnie większe aniżeli pojemność oferowana przez nośniki DVD. Standard Blu-ray znany również jako Blu-ray Disc (BD) opracowany został przez grupę firm tworząca organizacje Blu-ray Disc Association (BDA). Format ten opracowany został z myślą o przechowywaniu dużych
ilości jak również wysokiej rozdzielczości filmów. Pojedynczy nośnik oferuje pojemność ponad pięciokrotnie wyższa niż tradycyjny nośnik DVD i potrafi pomieścić do 25 GB (dysk jednowarstwowy), 50 GB (dysk dwuwarstwowy) oraz nawet 100 GB (dysk czterowarstwowy). Podczas gdy technologie takie jak DVD opierają się na użyciu czerwonego lasera standard Blu-ray wykorzystuje niebieski laser o długości fali wynoszącej 405 nm. Zastosowanie tego typu lasera umożliwia dużo większą gęstość zapisu, na dysku tej samej wielkości co dysk CD czy DVD. Drugim z nowych standardów jest HD-DVD który został opracowany przez grupę firm pod przewodnictwem firmy Toshiba. Początkowo standard nazywał się AOD (ang. Advanced Optical Disc) jednak jego nazwa została zmieniona na HD-DVD gdy organizacja DVD Forum ogłosiła ów format jako następcę technologii DVD. Standard HD-DVD również oparty jest na technologii niebieskiego lasera, dodatkowo jest tez wstecznie kompatybilny ze standardami CD oraz DVD W roku 2004 zaprezentowany przez konsorcjum HVD Alliance został prototyp nowego urządzenia wykorzystującego tzw. technologie holografii współliniowej (ang. Collinear Holography), technologia ta polega na wykorzystaniu dwóch promieni lasera o rożnych długościach fali. Zielony laser o długości fali 532 nm służący do odczytu oraz zapisu informacji oraz czerwony laser o długości fali 650 nm służący do adresowania oraz pozycjonowania. W odróżnieniu od starszych rozwiązań, wiązka służąca do odczytu oraz zapisu informacji oraz wiązka służąca do adresowania oraz pozycjonowania są kierowane na dysk poprzez jedną, a nie dwie soczewki. Dzięki temu budowa urządzenia odtwarzającego i zapisującego została uproszczona. Główną różnicą w porównaniu do obecnych metod zapisu, które umożliwiają odczyt zapisanych na warstwie, holografia daje możliwość zapisu i odczytu z całej głębokości nośnika. Jak widać na poniższym rysunku nośnik HVD składa się z kilku warstw: warstwy ochronnej chroniącej warstwę przechowującą dane warstwy foto-polimeru w tej warstwie przechowywane są zapisane na dysku holograficznym dane warstwa odbijająca promienie zielonego lasera warstwa na której zapisane są informacje służące do pozycjonowania mechanizmu odczytu warstwa aluminium odbijająca promienie czerwonego lasera Rys 4. Budowa nośnika HVD, źródło: http://www.hvdalliance.org/abouthvd/technology.html 4 Porównanie nowych technologii archiwizacji Dyski twarde są obecnie najbardziej rozpowszechniona grupa urządzeń służących do przechowywania, ich zastosowania są bardzo zróżnicowane począwszy od głównej pamięci nie ulotnej przeciętnego komputera poprzez bardzo pojemne macierze dyskowe skończywszy na dyskach zapasowych (tryby RAID). Dyski maja wiele zalet: oferują dość duże pojemności rzędu 500 GB stosunkowo niskie koszty za 1 MB pojemności przenośność (w przypadku dysków zewnętrznych opartych o interfejs USB) Poza prędkością przesyłania wadami dysków twardych są: awaryjność wrażliwość na wstrząsy i uszkodzenia Koszt jednego megabajta powierzchni dysku twardego to już ułamki jednego grosza, nawet w przypadku profesjonalnych urządzeń opartych na droższych interfejsach SCSI czy SAS koszt ten nie przekracza dwóch groszy za megabajt. Ponieważ pojemności dzisiejszych dysków są rzędów kilkuset tysięcy megabajtów koszt urządzenia wynosi od kilkuset do kilku tysięcy złotych w zależności od pojemności urządzenia jak i od zastosowanego interfejsu oraz innych parametrów dysku (jak np. prędkość obrotowa, rozmiar pamięci cache). Nowoczesne napędy dyskietek pomimo dość dużych pojemności rzędu kilkuset MB jak i prędkości przesyłu rzędu kilku MB/s nigdy nie stały się na tyle powszechne aby można było je spotkać w każdym komputerze PC. Na ten fakt złożyło się kilka czynników głównym była awaryjność samych urządzeń jak i wysoka podatność nośników na utratę. Jednocześnie na niekorzyść tej klasy urządzeń na rynku pojawiło się wiele rożnych standardów niekompatybilnych ze sobą. Dodatkowa wada tego typu rozwiązań były dosyć wysokie koszty. Technologia magneto-optyczna (MO) pomimo swojej niewielkiej popularności jest ciągle rozwijana i stanowi doskonałą alternatywę dla technologii optycznych.
K. Koperski, W. Zabierowski, A. Napieralski Systemy klasy CRM w małych i średnich przedsiębiorstwach Koszty nośników oraz napędów są bardzo rożne w zależności od producenta, są jednak wyższe niż odpowiedniki w technologii optycznej. Technologia MO posiada wiele zalet: długa żywotność zapisanych na nośnikach MO mniejsza podatność na uszkodzenia nośników. duża pojemność nośników urządzenia MO nie wymagają instalacji dodatkowego oprogramowania odporność na różnego rodzaju pola magnetyczne (ponieważ zapis tych dysków możliwy jest tylko w wysokiej temperaturze) Wadami technologii MO są: niska wydajność (prędkość odczytu oraz czas dostępu). Ponieważ dane po zapisaniu są weryfikowane czas zapisu wzrasta dwukrotnie. koszty urządzeń oraz nośników Technologia DVD jest obecnie bardzo powszechna i z powodzeniem sukcesywnie zastępuje technologie CD, na fakt ten wpływa kilka bardzo ważnych czynników które są jednocześnie zaletami DVD: niska cena nośników oraz urządzeń duża pojemność lepsze niż w przypadku CD parametry (prędkość przesyłu ) kompatybilność wsteczna ze standardami CD możliwość uruchomienia systemu korzystając z płyty startowej DVD wielokrotny zapis (DVD+/-RW, DVD-RAM) technologia nośników dwuwarstwowych nowe napędy potrafią odczytywać oraz zapisywać większość standardów DVD Do wad natomiast zaliczyć można: awaryjność podatność nośnika na wszelkiego typu uszkodzenia, zniszczenie ograniczona ilość razy jaka można zapisać dane na dysk DVD+/-RW (około 1000) kilka rożnych formatów DVD (+R, -R, +RW, -RW, -RAM) Podsumowując technologia DVD doskonale się do zarówno domowej archiwizacji, jak na przykład zapisywanie filmów nagranych cyfrowa kamera video czy galerii fotografii z naszego cyfrowego aparatu fotograficznego, jak i do wykorzystania w profesjonalnych rozwiązaniach. Rozwiązania oparte na technologii niebieskiego lasera maja jedna wspólna zaletę która jest dużo większą (od poprzedników) pojemność. Oba nowe standardy urządzeń są jeszcze mało popularne z uwagi na koszty napędów jak i nośników. Dodatkowo obydwa formaty prowadza wojnę o dominacje na rynku nośników i urządzeń. Wyprodukowano już pierwsze modele czytników potrafiących odczytywać oraz zapisywać obydwa standardy tj. Blu-ray oraz HD-DVD i oczywiście wszystkie uprzednie takie jak CD oraz DVD. To one najprawdopodobniej zastąpią za jakiś czas tak popularne obecnie urządzenia do zapisu CD oraz DVD. Obecny koszt napędów opartych na technologii niebieskiego lasera wącha się w granicach kilku tysięcy złotych. Dostępne rodzaje nośników Blu-ray: 1 12 cm, jednostronny, jednowarstwowy 25 GB 12 cm, jednostronny, dwuwarstwowy 50 GB 12 cm, dwustronny, jednowarstwowy 50 GB 12 cm, dwustronny, dwuwarstwowy 100 GB 8 cm, jednostronny, jednowarstwowy 7.8 GB 8 cm, jednostronny, dwuwarstwowy 15.6 GB 8 cm, dwustronny, jednowarstwowy 15.6 GB 8 cm, dwustronny, dwuwarstwowy 31.2 GB Trwają prace również na czterowarstwowymi nośnikami o pojemności 100 GB oraz eksperymentalnymi sześciowarstwowymi (33 GB na jednej warstwie) o pojemności 200 GB. Dostępne rodzaje nośników HD-DVD: 2 12 cm, jednostronny, jednowarstwowy 15 GB 12 cm, jednostronny, dwuwarstwowy 30 GB 12 cm, dwustronny, jednowarstwowy 30 GB 12 cm, dwustronny, dwuwarstwowy 60 GB 8 cm, jednostronny, jednowarstwowy 4.7 GB 8 cm, jednostronny, dwuwarstwowy 9.4 GB 8 cm, dwustronny, jednowarstwowy 9.4 GB 8 cm, dwustronny, dwuwarstwowy 18.8 GB Pomimo mniejszych od konkurencyjnego Blu-ray pojemności HD-DVD ma jedna olbrzymia zaletę, jest kompatybilny na poziomie pierwszej warstwy z urządzeniami DVD. Kompatybilność ta oznacza, że ów nośnik może być odczytany w standardowym czytniku DVD, jest to duża zaleta na przykład dla wytworni filmowych. Film byłby zapisany na takim nośniku w dwóch wersjach, wersji HD oraz wersji kompatybilnej ze standardem DVD. Opracowywany i ujednolicany jest w dalszym ciągu standard który w przyszłości zastąpi urządzenia oparte na niebieskim laserze, ów standard został nazwany HVD (ang. Holographic Versatile Disc). W przeciwieństwie do obecnych technologii CD/DVD, które umożliwiają odczyt lub zapis jednego bitu jednocześnie, HVD umożliwia odczyt do 60 000 bitów w jednym momencie. Dzięki temu prędkość transferu ma być znacznie większa niż w dotychczasowych technologiach. Planowana maksymalna pojemność jaka będzie możliwa do uzyskania na dysku o średnicy 12 cm ma wynosić 3.9 TB (1 TB = 1024 GB) czyli 6000 razy więcej niż pojedynczy dysk CD, 830 razy więcej niż pojedynczy dysk DVD i 160 razy więcej niż pojedynczy dysk Blu-ray. 1 http://www.blu-ray.com - oficjalna strona formatu Blu-ray 2 http://www.thelookandsoundofperfect.com - oficjalna strona formatu HD-DVD
5 Podsumowanie Zaprezentowane rozwiązania różnią się pojemnościami, parametrami, zastosowaniami jak i kosztami wdrożenia oraz użytkowania. Pomimo tak dużej liczby rozwiązań służących archiwizacji, czy tez tworzeniu kopii zapasowych, nie istnieje idealna metoda przechowywania informacji, korzystając z każdej dostępnej technologii jesteśmy narażeni na ryzyko utraty. Istnieje jednak kilka sposobów dzięki którym można owe ryzyko zminimalizować jak np. okresowe wymiany nośników przeniesienie ze starego nośnika na nowy, wykonywanie kilku kopii bezpieczeństwa. Istnieje kilka kluczowych czynników którymi należy się kierować przy wyborze technologii archiwizacji. Pierwszym z nich jest ilość, ważne jest aby odpowiednio do ilości dobrać metodę ich przechowywania. Drugim z czynników są parametry urządzeń na które się zdecydujemy, uwzględnić tu należy czy ważna jest dla nas prędkość przesyłu i czas dostępu do. Wreszcie kluczowym czynnikiem są koszty. Literatura [1] Piotr Metzger; Anatomia PC ; Helion; Warszawa 1998 [2] Robert Bruce Thompson, Barbara Fritchman Thompson; PC Hardware in a Nutshell, 3rd Edition ; O'Reilly 2003; [3] Scott Mueller; "Upgrading and Repairing Pcs"; 17th Edition; 2006