Аппаратные средства хранения больших объёмов данных

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ХРАНЕНИЯ БОЛЬШИХ ОБЪЁМОВ ДАННЫХ

Р.В. Шарапов

Введение

Одной из важнейших проблем, возникающих при хранении больших объёмов данных, является рациональный выбор носителей информации. Среди них можно выделить: магнитную ленту, CD, DVD Blu-ray диски, накопители на жёстких магнитных дисках, накопители на флэш-памяти (твердотельные накопители). Каждый из этих носителей имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Цель исследования — оценить возможности применения каждого вида носителей в цифровых хранилищах больших объёмов данных с учетом надёжности, скоростных характеристик и стоимости хранения.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте — запоминающие устройства, основанные на принципе магнитной записи на ленточных носителях, осуществляющие последовательный доступ к данным.

Магнитная лента — один из старейших носителей информации, применяемых в компьютерной технике. Основная область применения — долговременное хранение резервных копий и больших архивов информации.

Основные достоинства накопителей на магнитной ленте (стримеров): низкая стоимость данных, способность хранить большие объёмы данных, высокая стабильность работы, надёжность, неприхотливость к условиям хранения носителей, невысокое потребление энергии. К недостаткам стоит отнести низкую скорость доступа к произвольным данным и высокую стоимость накопителей.

В настоящее время для построения накопителей на магнитных лентах используются несколько стандартов. Один из них — стандарт LTO (Linear Tape-Open), разработанный в 1998 году компаниями IBM, Hewlett-Packard и Seagate Technology. Для записи данных в стандарте LTO используется формат Ultrium, оптимизированный под наиболее производительную запись данных. В современных накопителях используется LTO пятого поколения (получивший название LTO-5). LTO-5 позволяет записывать на 1 картридж до 1,5 Тб данных (3 Тб при использовании аппаратного сжатия). Картриджи LTO обеспечивают срок хранения от 15 до 30 лет, поддерживают около 260 полных записей ленты и около 5000 загрузок/выгрузок в накопитель. Скорость доступа к данным в LTO-5 достигает 180 Мб/с. Применение интерфейса SAS позволяет передавать информацию со скоростью 3 или 6 Гбит/с. При стоимости картриджа ёмкостью 1,5 Тб (3 Тб в сжатом виде) в 50$, хранение 1 Гб информации обходится в 0,033 $ (без учета стоимости оборудования, техобслуживания и расхода электроэнергии).

Компания IBM использует для производства ленточных накопителей свой закрытый стандарт IBM 3592 [1]. Стандарт ориентирован не только на резервное копирование больших объёмов данных, но и на быстрый произвольный доступ к данным. В стандарте IBM 3592 используется оптимизация производительности в старт-стопном режиме записи за счёт кэширования данных и многоскоростного движения ленты (до 7 скоростей). Накопители, построенные на основе стандарта, позволяют работать с картриджами ёмкостью в 4 Тб несжатых данных и обеспечивают скорость передачи до 250 Мб/с. При стоимости картриджа в 240$ хранение 1 Гб информации обходится в 0,06 $.

На базе накопителей на магнитной ленте строятся так называемые ленточные библиотеки [2]. Такие системы могут использовать сотни, а иногда и тысячи картриджей, автоматически загружаемых в устройства чтения/записи с помощью роботов (называемых автозагрузчиками). Картриджи снабжаются специальными штрих-кодами, по которым их и идентифицирует робот. Ленточные библиотеки могут работать сразу с несколькими накопителями, что ускоряет процесс работы с магнитными лентами. По сравнению с

другими системами, ленточные библиотеки способны хранить огромные массивы данных с наименьшими затратами. По исследованиям аналитиков, при объёме данных в несколько петабайт, их хранение с использованием ленточных библиотек обходится в 23 раза дешевле, чем при использовании дисковых массивов. Потребление электроэнергии ленточных библиотек при этом меньше в 290 раз [3]!

Одна из последних разработок компании Oracle StorageTek SL8500 Modular Library System способна использовать до 100000 картриджей и хранить до 1эксабайта (1000 петабайт) данных (при использовании аппаратного сжатия). Эта ленточная библиотека может включать в себя до 640 устройств чтения/записи.

Таким образом, ленточные накопители могут с успехом использоваться для хранения архивных копий данных [4]. Ленточные библиотеки являются неплохими кандидатами для использования в многоуровневых цифровых хранилищах в качестве нижнего уровня (обеспечивающего долговременное хранение больших массивов данных и не критичного к скорости доступа).

Оптические накопители

Компакт-диск (Compact Disc, CD) — оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи и считывания информации которого осуществляется при помощи лазера.

Компакт-диски имеют ёмкость 650 или 700 Мб. Единица скорости чтения/записи CD (1x) равна 150 Кб/с. При скорости 52х накопитель CD обеспечивает скорость передачи информации в 7,62 Мб/с. При использовании бюджетных дисков за 0,17$ стоимость хранения 1 Гб составляет 0,24$. Стоимость хранения на перезаписываемых дисках несколько выше: при цене в 0,6$ за диск, хранение 1 Гб информации будет стоить в 0,8$.

К сожалению, ёмкость CD в настоящее время недостаточна для хранения более или менее больших объёмов информации.

DVD (Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск) — носитель информации, выполненный в форме диска с размерами компакт-диска, имеющий более плотную структуру рабочей поверхности, позволяющую хранить больший объём информации. DVD накопители позволяют обеспечивать произвольный доступ к данным.

Единица скорости чтения/записи DVD (1x) равна 1,32 Мб/с. При скорости 16х накопитель DVD обеспечивает скорость передачи информации в 21,12 Мб/с, а при скорости 24х — 31,7 Мб/c. При использовании бюджетных дисков за 0,30$ стоимость хранения 1 Гб составляет 0,063$.

Существуют так называемые DVD библиотеки, позволяющие работать с тысячами дисков, автоматически загружаемых в накопители (аналогично ленточным библиотекам). Общий объём данных, хранимых подобными библиотеками может достигать нескольких десятков терабайт. Например, DVD библиотека Kubota SA 2154-4 позволяет работать с 2154 дисками, автоматически загружаемыми в 4 накопителя. К сожалению, в современной ситуации такие объёмы являются недостаточными, и рассматривать вопросы применение DVD библиотек в современных цифровых хранилищах данных не следует. Производительность подобных систем также достаточно невелика и прямо пропорциональна числу используемых накопителей.

Blu-ray Disc (BD) — новый формат оптических носителей, используемый для записи данных с повышенной плотностью. Blu-ray использует диски того же размера, что и CD/DVD. В дисках Blu-ray может использоваться несколько слоёв для хранения информации (известны прототипы с несколькими десятками слоёв). Фактически получили распространение однослойные диски ёмкостью 25 Гб, двухслойные диски ёмкостью 50 Гб, трехслойные ёмкостью 100 Гб и четырехслойные ёмкостью 128 Гб. Единица скорости чтения/записи Blu-ray (1x) равна 4,5 Мб/с. При скорости 12х накопитель Blu-ray обеспечивает скорость передачи информации в 54 Мб/c.

При цене 2$ за Blu-ray диск ёмкостью в 25 Гб, стоимость хранения 1 Гб информации (без учета стоимости оборудования) составляет около 0,08$. При использовании дисков емкостью 50 Гб с ценой в 7$, стоимость хранения 1 Гб составляет

0,14$.

В настоящее время в продажу стали поступать Blu-ray библиотеки. Они позволяют работать с сотнями Blu-ray дисков ёмкостью до 128 Гб, автоматически загружаемых в накопители с помощью робота. Аппаратно они похожи на DVD библиотеки с замененными на Blu-ray накопителями и носителями информации. Часто Blu-ray библиотеки позволяют одновременно работать не только с Blu-ray дисками разной ёмкости, но и с CD и DVD носителями.

Одна из таких библиотек, DISC/NSM BD-7000 Blu-ray Library, позволяет хранить до 690 дисков различного типа, использовать одновременно до 14 накопителей. Суммарный объём хранимых данных может достигать 69 Тб (при использовании Blu-ray дисков ёмкостью 100 Гб). Blu-ray библиотеки могут служить неплохой альтернативой ленточным библиотекам в организациях, оперирующих данными в несколько десятков терабайт.

Дисковые накопители

Накопитель на жёстких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD) — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Благодаря своей надёжности и высокой скорости работы, накопители на жёстких дисках стали основными устройствами хранения информации в компьютерах.

К достоинствам накопителей на жёстких магнитных дисках относятся: высокая скорость доступа к данным, большая ёмкость носителей, небольшая удельная стоимость хранения информации.

К недостаткам накопителей на жёстких магнитных дисках можно отнести: чувствительность к механическим воздействиям, перегрев носителей, достаточно высокое энергопотребление, снижение производительности по мере использования накопителей вследствие дефрагментации данных.

При стоимости бюджетного накопителя на жёстких магнитных дисках ёмкостью 2 Тб в 110$, стоимость хранения 1 Гб информации составляет 0,055$ (без учета стоимости дополнительного оборудования и расходов на электроэнергию). Стоимость серверных накопителей несколько выше. Так Hitachi Ultrastar 15K600 ёмкостью в 600 Гб, имеющий интерфейс SAS 2.0 и скорость вращения шпинделя 15000 оборотов в минуту, стоит 300$. Стоимость хранения 1 Гб информации при этом составляет 0,5$.

Накопители на жёстких магнитных дисках используются в различных видах систем хранения информации: RAID массивах, сетевых системах хранения данных, сетях хранения данных.

В многоуровневых цифровых хранилищах накопители на жёстких магнитных дисках могут использоваться на различных уровнях [5]: от самых верхних (быстрых) до нижних (архивных), в зависимости от конкретных задач.

Твердотельный накопитель (SSD, solid-state drive) — запоминающее устройство с функциями жёсткого диска, не содержащее движущихся элементов. В качестве запоминающих устройств в таких накопителях чаще всего используется энергонезависимая флэш-память (существуют накопители на основе энергозависимой памяти).

К достоинствам твердотельных накопителей относятся: высокая скорость доступа к данным, нечувствительность к механическим воздействиям (вследствие отсутствия движущихся частей), малое потребление энергии, бесшумная работа, высокая стабильность работы даже при большой дефрагментации данных, широкий диапазон рабочих температур.

Недостатками твердотельных накопителей являются: ограниченное число циклов перезаписи информации (десятки тысяч циклов), высокая стоимость хранения информации, небольшая ёмкость по сравнению с накопителями на жёстких магнитных дисках.

Время доступа к данным в твердотельных накопителях составляет около 0,1 мс, что существенно ниже аналогичных показателей накопителей на жёстких магнитных дисках.

При стоимости бюджетного SSD накопителя ёмкостью 480 Гб в 410$, стоимость хранения 1 Гб информации составляет 0,854$. В связи с тем, что твердотельные накопители являются достаточно новой ветвью в хранении данных, можно ожидать совершенствования технологии и постепенного снижения стоимости подобных устройств.

Несмотря на высокую стоимость, твердотельные накопители можно использовать для хранения часто запрашиваемых данных, критичных ко времени доступа. В многоуровневых цифровых хранилищах твердотельные накопители лучше всего подходят для организации самого верхнего уровня, отвечающего за оперативный доступ к актуальным данным [6].

Выводы

Анализ показал, что существующие на сегодняшний день носители существенно отличаются друг от друга, как по стоимости хранения информации, так и по времени доступа к ней (см. таблицу 1).

Таблица № 1

__________________Сравнение носителей информации_____________________

Носитель Стоимость хранения 1 Гб Скорость передачи данных

Магнитная лента LTO-5 0,033$ 180 Мб/с

Магнитная лента IBM 3592 0,06$ 250 Мб/с

CD-R 0,24$ 7,62 Мб/с

DVD-R 0,063$ 31,7 Мб/c

Blu-ray 0,08$ 54 Мб/c

HDD 0,055$ 200 Мб/c*

SSD 0,854$ 1000 Мб/c*

'*----------------------------------------------------------

Ориентировочная достигаемая скорость передачи данных

По итогам анализа можно предложить следующие варианты использования носителей информации по уровням хранения в цифровых хранилищах (см. рис. 1):

— Твердотельные накопители могут применяться на самом верхнем уровне хранения в случае необходимости обеспечения сверхбыстрого доступа к оперативным данным.

— Накопители на жёстких магнитных дисках могут использоваться как основные носители для хранения оперативных данных. В зависимости от конкретных задач они могут образовывать несколько подуровней: современные быстрые накопители со скоростными интерфейсами SAS, SCSI и Fibre Channel; бюджетные накопители с интерфейсами SATA и ATA; устаревшие накопители.

— DVD и Blu-ray библиотеки могут образовывать нижний уровень для архивного хранения данных средних объёмов (десятки терабайт).

— Ленточные библиотеки могут использоваться в качестве нижнего уровня для хранения сверхбольших объёмов данных (сотни терабайт и более).

Рис. 1. - Применение носителей информации на различных уровнях.

Можно заметить, что по мере перехода от верхних уровней к нижним, скорость доступа к хранимым данным снижается, а объёмы данных растут. Стоимость хранения также снижается, достигая 0,03$ на нижнем уровне.

Литература:

1. Kadleck B., Coutts C. IBM TotalStorage Enterprise Tape 3592: Presentation Guide (February 2004) [Текст]. — 2б p.

2. Osuna A., Sharma R., Silvestri M., Wiedemann S. IBM System Storage Tape Library Guide for Open Systems. Eighth Edition (June 2011) SG24-5946-07 [Текст] — Vervante, 2011.

— 566 p.

3. Reine D., Kahn M. Disk and Tape Square Off Again — Tape Remains King of the Hill with LTO-4 [Текст] // Clipper Notes, Report #TCG2008009LL, 13.02.2008. — 13 p.

4. Шарапов Р.В. Вопросы применения ленточных библиотек в многоуровневых системах хранения экологических данных [Текст] // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности, 2011. — № 2. — С.33-36.

5. Шарапов Р.В. Аппаратные средства организации верхнего уровня оперативного хранения часто используемых экологических данных в многоуровневых системах хранения [Текст] // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности, 2011. — № 3. — С.28-33.

6. Шарапов Р.В. Некоторые вопросы использования многоуровневых систем хранения изображений в задачах мониторинга окружающей среды [Текст] // Современные наукоемкие технологии, 2011. — № 2. — С. 50-52.