剛過去不久的2021年,是近期LTO磁帶發展的關鍵轉折點。首先,LTO磁帶的出貨容量紀錄締造了新高峰,既打破了2019年的就銷售紀錄,也一掃2020年因疫情影響導致衰退的陰霾。

其次,最新一代的LTO-9磁帶設備,也自2021年下半年開始出貨,讓LTO磁帶的應用進入新世代。

不過,相較於前幾個世代的LTO磁帶規格發展,LTO-9在容量與傳輸速度方面的提升都相對有限。

最初,LTO每一世代的容量與傳輸率,都比上一代提升一倍,因而新一代規格雖然容量加倍,但由於傳輸速率也同步加倍,所以寫完一整卷磁帶所費的時間仍維持不變。然而,從10年前的LTO-5與LTO-6起,規格提升幅度便開始減緩,不再能維持容量與傳輸速率同步倍增的升級。

而到了LTO-9,比起上一代的LTO-8,容量只提升50%,單卷未壓縮與壓縮容量只從LTO-8的12 TB與30 TB,提高到18 TB與45 TB,傳輸速率更只增加了區區11%,未壓縮與壓縮傳輸率從LTO-8的360 MB/s與900 MB/s,略為提高到400 MB/s與1000 MB/s。

由於傳輸率只增加11%,單卷容量卻提高50%,所以完整讀取或寫入一整卷LTO-9磁帶,所費的時間其實比LTO-8增加不少。

但是,LTO-9在效能提升方面並非毫無建樹,因為這當中引進了稱作「開放建議存取順序」(Open Recommended Access Order,oRAO)的技術,可以提高檢索與存取多個檔案的速度。

離散讀取效率低落的老問題

oRAO技術的問世,是為了解決磁帶離散讀取效率低落的老問題,而這個狀況的產生,又是源自磁帶本身的架構。

由於磁帶是一條連續的帶狀磁性物質,自然也讓磁帶的存取作業具備循序的特性——必須依序捲動磁帶,才能讀取與寫入資料。而這樣的特性,也對讀取作業造成制約,因為,無論要讀取的資料位於磁帶上的哪個區段,都需要依序捲動磁帶到該區段的位置,才能讓磁頭讀取其中的資料。

就傳輸速率來說,磁帶其實並不慢,2014、2015年以後推出的主流規格磁帶,如LTO的LTO-7以後,以及IBM 3592系列的TS1150以後,持續傳輸速率都已超過了機械式硬碟。但問題在於,在先天的循序存取操作制約下,磁帶也只能在如此的使用模式下發揮效能。

當磁帶遭遇隨機、離散性的存取要求,例如對於特定規檔資料的檢索,或是還原某些備份檔案,便會遭遇效能大幅衰減的問題,這類讀取作業所需要的資料,往往是分散存放在磁帶上不同位置,如果上一個要讀取的檔案與下一個讀取的檔案,位於彼此相距很遠的磁帶區段時,將會導致磁帶機必續不斷地來回捲動磁帶,以便讓磁頭讀取不同的磁帶位置,大量時間都耗費在搜尋資料與磁帶頭重新定位上。

解決老問題的新手段

LTO-9引進的「開放建議存取順序」(oRAO)功能,其實並非新技術,而是源自IBM在其3592磁帶家族的第4代產品TS1140中,率先引進稱作「建議存取順序(Recommended Access Order,RAO)」技術。兩者的基本原理與運作方式相同,都是透過磁帶機的嵌入式微處理器與記憶體,以「用戶資料區段(User Data Segments,UDS)」的格式,記錄個別檔案對應在磁帶上的區塊位置。

當用戶端應用程式要讀取同一卷磁帶上多個離散分布的檔案時,可以透過GRAO指令(Generate RAO),向磁帶機發送所要存取檔案的UDS列表,接著,磁帶機便會估計磁頭移動定位每個檔案所在區段所需的時間,藉由調整檔案間的讀取順序,算出一個可以在最短時間內讀取所有檔案的「建議存取順序」。

隨後用戶端應用程式再透過RRAO指令(Receive RAO),接收磁帶機計算出的「建議存取順序」(RAO)結果,只要依據RAO的指示執行,便能在最短時間內完成多個檔案的讀取。

至於使用最普遍的LTO磁帶方面,在LTO-9之前,一直沒有類似功能,唯一例外是磁帶設備大廠Spectra Logic,在自身的自動化磁帶設備上,為LTO磁帶機提供了類似功能。

Spectra Logic的存取排序功能稱作「基於時間的存取順序系統(Time-Based Access Order System,TAOS)」,Spectra Logic旗下包括T950與TFinity ExaScale系列磁帶櫃都支援這項功能,運作方式與IBM的RAO技術相同,適用於該公司的LTO-7與LTO-8磁帶機。不過TAOS功能是Spectra Logic專屬技術,也僅適用於該公司的磁帶設備,而不適用於一般的LTO磁帶機。

在LTO方面,直到LTO-9,才正式引進「開放建議存取順序」(oRAO)功能,讓一般LTO磁帶機也具備離散資料存取排序最佳化技術。oRAO基本上就是IBM 3592系列磁帶的RAO功能,移植到LTO上的「開放」版本,IBM宣稱藉由oRAO技術,可讓存取時間減少73%之多。

當LTO-9引進oRAO功能後,也讓LTO與IBM 3592兩大主流磁帶規格都具備了同樣的離散資料存取最佳化功能,讓這項技術普及到整個磁帶應用領域。

但另一方面,這項功能的應用也存在限制:

首先,只有特定的磁帶硬體裝置能支援這項功能,例如LTO-9以後的LTO磁帶機,TS1140以後的3592系列磁帶機,或Spectra Logic公司的某些機型。

其次,主機端應用程式(備份或歸檔管理軟體等)也必須支援GRAO、RRAO等指令,才能啟用磁帶機上的RAO或oRAO功能。

最後,這項存取加速技術,只對多個離散資料的存取有效。如果是單一資料的存取,或是連續性的循序資料讀取,RAO或oRAO功能都無法發揮存取順序排序最佳化的效益。不過就實務上來說,多個離散資料的讀取,是很常見的需求(反倒是需要讀取的資料,都剛好位於連續區段,從而形成循序讀取的理想情況很少見),因而這類技術將能對日常的磁帶存取發揮很大的幫助,將成為日後LTO磁帶應用領域不可或缺的功能。

 

當要從磁帶上讀取多個分散的檔案時,相較於傳統的磁帶資料搜尋與讀取方式,oRAO模式可減少讀寫頭的移動距離與時間,顯著加快對於多檔案的存取速度。依IBM的說法,甚至可以加快73%之多。

圖片來源:IBM。


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