【結合讀取排序最佳化技術，改善磁帶離散存取的先天弱點】磁帶存取加速技術的擴展

不同於刻版印象，磁帶的速度其實並不慢，單論持續循序傳輸速率來說，磁帶其實還勝過機械式硬碟一籌。問題在於，一旦遇上隨機、離散的存取應用，磁帶的存取速度便會大幅降低，大量時間將耗費在反覆的讀寫頭重新定位上。

而從IBM 3592系列磁帶應用的「建議存取順序（RAO）」技術，正是為了解決磁帶離散存取效能的問題而誕生，透過重新排列分散資料的存取順序，可以大幅減少讀寫頭重新定位的時間，進而顯著改善磁帶存取分散資料的效率。

現在，這項技術也被應用到使用最普遍的LTO磁帶上，最新一代的LTO-9磁帶，引進了建議存取順序（RAO）技術的開放版本：開放建議存取順序（oRAO）技術，讓當前兩大主流磁帶規格——LTO與IBM 3592，都具備同樣的離散檔案存取順序最佳化功能，對於大量依靠磁帶的備份與歸檔應用來說，都能帶來相當大的助益，可有效提高資料還原或歸檔檢索作業速度。

磁帶存取效能的優勢與劣勢

磁帶存取離散資料效能低落的問題，源自磁帶的先天架構。

磁帶是以條捲型式，收納在卡匣內轉軸上的帶狀磁性儲存媒體，透過轉軸帶動磁帶，來與讀寫頭的磁頭接觸，利用磁頭以線性或螺旋的方式掃描磁帶，在磁帶的磁軌上記錄與讀取資料。

由於磁帶是一條連續的帶狀磁性物質，因然也讓磁帶的存取作業具備循序的特性——隨著磁帶的捲動，讓磁頭依序地在磁帶上讀取與寫入資料，而這樣的特性，也給磁帶存取效能帶來制約。

磁帶的優勢

由於磁帶的存取機制，先天上便是循序性的，因此最適合磁帶發揮的場合，便是連續資料的循序寫入與讀取，也就是每一筆資料的存取順序與存取位置，是依序且連續的，磁帶機只需簡單地順向捲動磁帶，就能讓磁頭持續地存取資料。在這種連續循序存取情境下，當前的主流磁帶規格，效能並不遜於機械式硬碟，甚至更勝一籌。

舉例來說，當前機械式硬碟的循序持續傳輸速率，最高大約在250MB/s～300MB/s之間，大部分機械式硬碟產品的持續傳輸速率都在200MB/s上下，而兩大主流磁帶規格——LTO與IBM 3592，早在7、8年以前便已超過了這個速度。

以LTO來說，LTO-7未壓縮傳輸率為300MB/s，LTO-8提高到360MB/s，到了LTO-9，更達到400MB/s。

在IBM 3592系列方面，2014年推出的第5代機型TS1150，達到360MB/s，最新第6代機型TS1160，達到400MB/s。

雖然說前述磁帶傳輸速率，都是官方規格數字，與實際表現存在一些落差。以磁帶匣供應商Fujifilm簡報中提供的數據為例，以寫入1GB檔案為基準時，LTO-8的實際寫入速率只達到216MB/s，IBM 3592的實際寫入速率則為280MB/s，相當於官方規格數字（360MB/s與400MB/s）的6、7成。

但另一方面，機械式硬碟的實際傳輸速度，其實也達不到規格數字（只有在存取碟片最外圈資料時，才能達到接近規格數字的最大傳輸率），前面同一份Fujifilm的簡報也指出，以寫入1GB檔案為基準時，最大傳輸速率規格216 MB/s的硬碟，實際寫入速率只有84MB/s，只達到規格數字的4成。

所以，無論就規格數字還是實際表現來說，較新款的磁帶機的連續循序存取速度，都已超過多數機械式硬碟產品。

磁帶的劣勢

當磁帶的循序存取架構，遇上了離散或隨機存取情境時，便會出現大麻煩。

在這種情境下，所要存取的每一筆資料，是分散位於磁帶上不同位置，且存取順序也不是依序的，因而磁帶機必須不斷將磁帶捲動到不同位置，重新定位磁頭，才能分別存取不同位置上的資料，因而必須在捲動磁帶、重新定位磁頭等作業上，耗費大量機械動作的時間，也造成存取效率的大幅降低。

利於寫入、不利於讀取

在當前的企業IT環境中，磁帶最主要的應用場合，是資料備份與長期歸檔。而磁帶長於循序、連續存取，短於離散、隨機存取的特性，反映到實際應用環境時，便會形成有利於備份、歸檔寫入作業，不利於還原與檢索讀取作業。

備份或歸檔資料的寫入，大都是將連續的資料區塊，有序、持續的寫入磁帶，正好對應磁帶的循序記錄特性，可以發揮較高的傳輸效能。

然而當要從備份或歸檔的磁帶中，還原或檢索資料時，很少會有需要把整卷磁帶資料倒出來的連續區塊讀取情境，更常見的，是對於特定歸檔資料的檢索，或是還原某些個別的備份檔案，這類讀取作業，往往就不是循序的，而是隨機、離散性的。

當要從磁帶中還原與檢索特定的個別資料時，這些資料往往是分散存放在磁帶上不同位置，將會導致磁帶機必須不斷地來回捲動磁帶，以便讓磁頭讀取不同的磁帶位置，更進一步，這些資料可能位於彼此相距很遠的磁帶區段，當磁頭讀取上一筆資料後，接著磁帶必須捲動很長的距離，才能讓磁頭讀取下一個檔案，如此一來，也導致磁帶讀取效率的嚴重低落，大量時間都耗費在搜尋資料與磁帶頭重新定位上。

解決離散讀取效率低落的老問題

建議存取順序（RAO）問世，正是為了解決磁帶離散讀取效率低落老問題。

RAO這項技術，最初是由IBM 3592磁帶家族的第4代產品TS1140率先引進，目的是透過讀取排序的最佳化，來改善磁帶讀取離散分布檔案的效率。

如同前面提到的，磁帶機同時讀取磁帶上多個離散分布的檔案時，將耗費大量時間重新定位磁頭，導致整體效率的嚴重低落，所以要改善離散讀取多個檔案的效率，著眼點便在於如何減少磁頭重新定位的時間。

而RAO技術的基本概念，便是藉由重新排列多個檔案的讀取順序，藉此將移動磁頭重新定位所需的時間，降到最小，進而達到縮短讀取時間的目的。

建議存取順序（RAO）技術原理

RAO技術的原理，是在磁帶讀取多個檔案的時後，藉由讀取順序的最佳化，來縮短磁頭重新定位的時間。

而為實現縮短磁頭重新定位時間的目的，RAO採取這3項機制：

（1）透過用戶資料區段（UDS）格式，記錄個別檔案在磁帶的區塊實體位置。

（2）基於UDS位置，透過演算法估算磁頭定位每個檔案移動時間。

（3）針對用戶端所要讀取的多個檔案，藉由加權計算，重新排列讀取每一個檔案時的先後次序，計算出可以在最短時間內，移動磁頭讀取所有檔案的「建議存取順序」。

而在實際運作上，RAO的運作是透過GRAO指令（Generate RAO），以及RRAO指令（Receive RAO）來運作。

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，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」。

RAO計算檔案存取順序時，考量的因素包括檔案的大小、在磁帶上的位置（位於磁帶的哪個線帶（Wrap）、哪個條帶（Band）等），以及磁帶機的特性（傳輸速率等），給予這些因素不同加權，計算出個別檔案存取順序優先度。

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。

在RAO的實際成效方面，一些文件給出了可減少40～60%搜尋時間的數據。從RAO的運作概念來說，要從磁帶上讀取的檔案數量越多時，需要移動磁頭、重新定位的次數也越多，此時透過RAO的最佳化讀取排序，所能得到的存取加速效果，理應也會更為顯著。

LTO磁帶匣供應商Fujifilm提供的測試結果，也證實了這樣的趨勢。以開啟小量資料（2或3個檔案）為基準時，相較於傳統的循序存取，RAO技術可以加快20%的速度；而在開啟平均大小為10GB的15個檔案時，RAO技術則可以加快30%的速度。Fujifilm引用的測試資料還指出，在極為密集、頻繁的存取環境下，RAO技術還能讓磁帶機節省多達50%的磁頭定位時間。所以說，若要讀取的檔案數量越多，則RAO技術能發揮的加速效益也越大。

不過在另一方面，RAO技術中所需要的檔案位置紀錄、讀取順序排列計算等功能，都是由磁帶機的嵌入式微處理器與記憶體來承擔，所以只有特定款式、型號的磁帶機，才能支援這項功能。

RAO技術的擴散應用

繼IBM 3592磁帶，Oracle的T10000磁帶也含相似的「建議存取順序」功能，接著磁帶設備大廠Spectra Logic在自身自動化磁帶設備提供類似功能。

Spectra Logic的存取排序功能稱作「基於時間的存取順序系統（TAOS）」，Spectra Logic旗下包括T950與TFinity ExaScale系列磁帶櫃都支援這項功能，基本原理與運作方式都與IBM的RAO相同，但TAOS技術提供了更深度的磁頭定位時間估算，與讀取順序計算能力。

對於RAO這類技術來說，要實現將磁頭搜尋資料時間縮到最短目的，關鍵在於須盡可能精確估算磁頭在讀取多個檔案時，重新定位每一個檔案所需時間，如此才能得出正確的讀取順序排列。

Spectra Logic特別針對該公司磁帶櫃搭配使用的3種磁帶機；LTO-7、LTO-8與IBM TS1155，收集了超過10萬個磁頭讀取移動作業的資料點，每個資料點都包括11個參數（包括磁頭移動的起始條帶（Band）位置、目的地條帶位置、移動所需的線性距離、操作時間、磁帶機是否需要倒轉等），然後透過機器學習模型的幫助，建立一個模型，可以預測磁頭在磁帶上任意2點移動所需的時間。

Spectra Logic宣稱，他們透過機器學習所產生的模型，所估算出的磁頭移動定位時間，與實際定位時間之間的平均誤差只有44.54毫秒（ms）。以此為基礎，TAOS技術再結合最鄰近搜索演算法（Nearest Neighbor algorithm），計算出磁頭移動讀取每個檔案的最短路線，得出讀取多個檔案時，最佳的讀取順序。

Spectra Logic提供的實測結果顯示（100MB檔案隨機讀取，最多500個檔案），TAOS可以縮短4倍的讀取時間，並縮短13倍的磁帶移動距離。

不過Spectra Logic的TAOS技術，須配合磁帶機內整合的專屬磁帶櫃處理器來運作，所以也只適用於該公司的磁帶櫃產品，而不適用於一般的LTO磁帶機。

至於使用最普遍的LTO磁帶方面，一直沒有RAO之類的功能，直到新近推出的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。

依據IBM的LTO磁帶機操作文件（IBM除了自身專屬的3592磁帶以外，也是LTO磁帶機的主要供應商之一），oRAO基本上可視為IBM 3592系列磁帶的RAO功能，移植到LTO上的「開放」版本，運作原理與操作指令都相同，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，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。

但要注意的是，若RAO、oRAO或TAOS這類技術需發揮效用，主機端應用程式（備份或歸檔管理軟體）須支援GRAO、RRAO等指令，才能啟用磁帶機上的RAO或oRAO功能。

 磁帶的基本構造 

資料來源：iThome整理，2022年5月

磁帶離散存取效能低落源自磁帶先天架構，所以若要理解RAO技術如何解決這問題，須先認識磁帶基本構造。

以LTO-8磁帶為例，磁帶上下兩端邊緣被用於磁頭定位的伺服帶（servo band）占用，在伺服帶中間共含用於記錄資料的6,656條資料磁軌（track），這些磁軌分為208條線帶（Wrap），其中104條是由前往後正向記錄資料，其餘是由後往前反向記錄資料。而磁帶讀寫磁頭一次只能覆蓋讀取1/4寬度的磁帶，也就是52條線帶（Wrap），這樣一個讀取單位被稱為條帶（Band），整個磁帶一共分為4個條帶，讀寫頭必須上下移動覆蓋寬度，才能讀取到整個磁帶寬度。

由於磁帶是以線性方式，捲動磁帶到讀寫頭的位置上存取，所以，當讀寫頭從一條線帶（Wrap）移動到相同方向的另一線帶時，由於不需要倒轉捲動磁帶，因而要比移動到另一方向的線帶更快。而在同一條帶（Band）內的線帶（Wrap）之間移動時，由於都在讀寫頭覆蓋範圍內，不需要移動讀寫頭覆蓋的範圍，因而也比移動到另一條帶時更快。

 磁帶離散存取效能低落的問題 

資料來源：iThome整理，2022年5月

當應用程式要讀取離散磁帶中的多個檔案時，若用傳統的線性循序存取方式，將會遭遇嚴重的效率低落問題。

以上圖為例子，依序讀取A到F這6個分散檔案，首先須耗費時間T1捲動幾乎整個磁帶的長度（960公尺），才能讀取到檔案A，接著又要耗費T2時間，倒轉幾乎整個磁帶的長度來讀取檔案B，然後又須倒帶捲動大半個磁帶長度來讀取檔案C，依此類推。若讀取6個檔案在搜尋與定位耗費的總體時間，約等於捲動5千公尺長度磁帶的時間。

 ​透過最佳化排序來存取離散檔案 

資料來源：iThome整理，2022年5月

透過RAO、oRAO、TAOS這些技術，可以算出存取離散檔案的最佳順序，從而大幅縮短資料搜尋與重新定位的時間。

以上圖為例，耗時最短的存取順序，應先讀取檔案F、然後是檔案B，再來依序是D、C、E、A，總計只要耗費略多於捲動1000公尺磁帶的時間。比起從A到F的線性順序讀取方式，改用這個調整後的存取順序，同樣能讀取全部檔案，但總體時間至少節省70%以上。

率先引進RAO技術的IBM 3592家族
IBM 3592磁帶機家族的第4代產品TS1140，率先引進「建議存取順序（RAO）」技術，可以顯著改善讀取多個離散分布檔案的效率，這個磁帶機家族接下來的TS1150、TS1155與TS1160等產品，也都支援這個功能。圖片來源／IBM

 

提供專屬TAOS技術的Spectra Logic磁帶設備
Spectra Logic的磁帶櫃產品T950，以及TFinity ExaScale系列，內含「基於時間的存取順序系統（TAOS）」技術，可以提供與RAO技術相同的多重檔案存取排序最佳化功能。圖片來源／Spectra Logic

導入oRAO技術的LTO-9磁帶
在使用最普遍的LTO磁帶方面，到了最新一代的LTO-9，也終於引進「開放建議存取順序（oRAO）」技術，與IBM 3592系列具備同樣的多重檔案存取加速能力。圖片來源／IBM