Оптические библиотеки Panasonic и Sony

В ушедшей эпохе мы были официальным партнером Panasonic.

Сейчас о тех временах нам напоминает просроченный партнерский сертификат и Приказ N 3042 т 21 июля 2022 г. о возможностях параллельного импорта.

Мы продолжаем реализовывать проекты на базе оборудования Panasonic. Теперь – по новым правилам.

По вопросам реализации проектов пишите на navigator@nav-it.ru

1. Анализ технологий и оценка места применения библиотек на оптических дисках в современной архитектуре ЦОДа

Технология хранения данных на оптических дисках известна давно. К настоящему времени уже сложилась определенная иерархия уровней хранения данных в зависимости от того, насколько «горячими» они являются.

На верхнем уровне для хранения наиболее часто используемых данных, а также данных, обращение к которым происходит в произвольном случайном порядке, а время доступа критично для решаемой задачи, используются твердотельные технологии (SSD, NVME, Flash).

Следующие 2 уровня – вращающиеся (шпиндельные) магнитные диски стандартов SAS (15 и 10 тыс оборотов в минуту) и SATA (7200 об/мин), а также различные гибридные и переходные варианты, например, NearLine SAS 7,2 Krpm. На этом уровне на быстрых, но дорогих и имеющих сравнительно малую емкость дисках SAS хранятся более «горячие» данные с меньшим временем доступа, а на медленных, но недорогих и имеющих большой объем дисках SATA, хранятся «теплые» данные. Там же хранятся данные с потоковым методом доступа и «теплые» архивы. В процессе работы СХД данные могут мигрировать с одного уровня на другой в зависимости от своего рейтинга ( частота обращения и требуемое время доступа). Этот процесс обеспечивается функцией тиринга (tiereing), которая у разных производителей может быть реализована по-разному, и, с точки зрения конкретной области применения СХД, является более или менее эффективной.

Наконец, последний уровень – как раз ему и посвящен данный материал – это уровень архивного хранения. Именно на этом уровне и конкурируют широко известные ленточные библиотеки и описываемые здесь библиотеки на оптических дисках (ODL – Optical Disk Library). Вкратце рассмотрим достоинства и недостатки обеих технологий, с точки зрения применения их для хранения архивных данных. Отметим, что и достоинства, и недостатки в значительной мере неотделимы друг от друга и являются следствием физических принципов, положенных в основу каждой из технологий. Следует также иметь в виду, что ODL компаний Sony и Panasonic являются плодом частично совместной разработки и в значительной мере аналогичны на уровне фундаментальных характеристик, ввиду применения одних и тех же дисков, но отличаются в типах и возможностях приводов, а также имеют разную архитектуру блоков и модулей системы, в целом.

Необходимо отметить, что, в отличие от широко известных бытовых оптических дисков классов CD, DVD и BlueRay, которые имеют записываемый/перезаписываемый слой на основе органических соединений, имеющих ограниченный срок хранения данных ( порядка 7-10 лет), информационный слой специализированных дисков ArchivalDisc © изготовлен на основе неорганических материалов, которые, во-первых, обеспечивают срок хранения данных более 50 лет (расчет на основе ускоренных испытаний на искусственное старение показывают срок до 100 лет), а во-вторых, могут быть записаны только однократно без возможности перезаписи, т.е. технология WORM (однократная запись – многократное считывание, Write Once Read Many) в них реализована по умолчанию.

Емкость одного съемного носителя. Одна кассета широко распространенного стандарта LTO-7 имеет «сырую» емкость, т.е. физическую емкость без учета сжатия данных, 6 TB. Кассеты нового стандарта LTO-8 имеет сырую емкость 12,8 TB. Оптические диски Archival Disc © нового поколения имеют емкость 300 GB и собираются в картриджи по 11 ( у Sony) или по 12 (у Panasonic) шт, обеспечивая емкость картриджа 3.3 TB у Sony и 3.6 TB у Panasonic.

Метод доступа. У магнитных лет – последовательный, у дисков – прямой. Это дает возможность организовывать на оптических дисках «горячий» архив, допускающий случайную выборку данных с очень хорошим временем доступа.

Надежность хранения данных. Магнитные ленты, как и картриджи с оптическими дисками, можно вынимать из системы и хранить отдельно, но требования к условиям хранения лент по температуре и влажности существенно жестче, чем для оптических дисков: типичный допуск по температуре в помещении для хранения лет составляет (+16 …+35 С ), а для дисков (-10 …+60 С ) . Известны случаи, когда помещения ЦОДов в результате природных катастроф ( ураган Катрина, США ; авария и цунами на АЭС Фукусима, Япония) бывали затоплены морской водой - и все магнитные носители в результате такого воздействия потеряли все данные, а оптические диски выдержали довольно длительное хранение в морской воде и успешно сохранили данные. Известно также требование о регулярной перемотке магнитных лент в процессе хранения, в то время, как оптические диски ни в каком дополнительном обслуживании не нуждаются. Кроме того, в силу конструктивных особенностей некоторых дисковых приводов (Panasonic), на оптических дисках возможно построение RAID-массивов, что также повышает надежность хранения данных.

Еще одно замечание касается технологии WORM, абсолютно необходимой для хранения эталонных архивов, в частности, данных, имеющих юридическую силу. Магнитная лента по физике своей является перезаписываемым носителем. Производители, ленточных систем применяют разнообразные ухищрения для обеспечения защиты по записи кассет с магнитной лентой, но все они, по крайней мере теоретически, могут быть обойдены – вопрос только в наличии необходимой аппаратуры и квалификации персонала. Оптические же диски ArchivalDisk © в силу используемых физических принципов их работы даже теоретически могут быть только уничтожены или полностью сожжены, но данные на них не могут быть подправлены, подчищены, перезаписаны и т.д.

Смена поколений аппаратуры и миграция данных. Смена стандартов носителей данных на магнитных ленах и соответствующая смена поколений аппаратуры LTO происходит довольно быстро : в среднем через каждые 3 - 5 лет. При этом обратная совместимость LTO по чтению составляет 2 поколения, а по записи – 1 поколение назад: например, привод LTO-7 может читать кассеты LTO-6 и -5, а записывать только LTO-6. Это обстоятельство вынуждает при длительном хранении данных помимо замены оборудования также не реже 1 раза в 8-10 лет проводить миграцию данных с кассет поколения N-2 на поколение N. В то же время современная аппаратура приводов BlueRay может читать даже CD первого поколения (650 MB), которые появились в 1982 г.

ССВ (Совокупная Стоимость Владения, английский термин: TCO – Total Cost of Ownership). На этот показатель влияют 2 фактора: первоначальная стоимость покупки и стоимость поддержания работоспособности системы в течение заданного срока. Последний класс факторов требует учета многих обстоятельств, таких как: требования к обслуживанию и, соответственно, к квалификации и уровню зарплаты персонала ; потребляемая мощность питания, включая «инженерную обвязку ЦОДа», т.е. системы бесперебойного питания, вентиляции и кондиционирования ; временной цикл замены оборудования и миграции данных, стоимость новых носителей, и новой аппаратуры и т.д.

Рис.1. ССВ хранения данных для HDD, LTO и оптических библиотек

• Хранение всех данных в течение 20 лет (магазин на 100ГБ дисках)
• Цикл миграции носителей HDD: 5 лет, LTO: 10 лет, библиотека: 50 лет
• Цикл замены оборудования HDD/LTO: 5 лет, библиотека: 10 лет(на 5 лет больше)
• Начальная стоимость, стоимость миграции и замены, оборудование, кондиционирование

Как показано на рис.1., (данные предоставлены фирмой Panasonic) первоначальная стоимость покупки ODL выше, чем у библиотек на LTO, но в процессе эксплуатации за счет более редкой смены оборудования и отсутствия необходимости миграции данных со старых носителей у оптических библиотек, график ССВ для LTO обгоняет показатели ODL.

Выводы. Применение библиотек на оптических дисках целесообразно в тех случаях, когда требуется:

• Долгосрочное хранение эталонных архивов;
• 100% уверенность в невозможности изменения хранимых данных;
• Хранение архивных данных с возможностью быстрой выборки в случайном порядке;
• Обеспечение минимальной совокупной стоимости хранения информации на длительных (20 и более лет) интервалах хранения.

2. Сравнение архитектуры и характеристик библиотек на оптических дисках Sony и Panasonic

Как уже говорилось, ODL от обеих участвующих в данном обзоре фирм, являются частично плодом совместной разработки и на первый взгляд весьма похожи друг на друга. Но тем не менее разница есть.

Архитектура на уровне блоков (модулей) и приводов. На Рис. 2., 3., 4., 5. показаны некоторые конструктивные особенности блоков библиотек Panasonic LB-DH8 и Sony PetaSite.

Рис. 2. Лотки с картриджами Panasonic

Рис.3. Блок приводов Panasonic

Рис. 4. Транспортер картриджей Panasonic

Диски собраны в картриджи (по 11 шт у Sony и по 12 шт у Panasonic ), картриджи уложены в лотки, лотки выдвигаются из блока и, таким образом, можно добавлять / извлекать / заменять картриджи. В библиотеке Panasonic в модуле стоит 1 блок приводов, куда одномоментно загружается 3 диска. В соседнем модуле стоит такой же блок, в который загружаются еще 3 диска – итого, половина картриджа. Вторая половина картриджа временно помещается в технологический слот лотка.

За счет этого лотки, находящиеся рядом с блоком приводов, короче и туда можно разместить меньшее количество картриджей, чем в полноразмерные лотки. Чтение-запись осуществляются одновременно с 12 поверхностей на 6-ти дисках.

При этом на дисках возможна организация RAID-массива различных форматов вплоть до RAID-6, с соответствующим повышением надежности хранения информации, за что, как обычно, приходится платить снижением объема «полезного дискового пространства» по отношению к «сырой» емкости дисков. Как вариант – RAID-0, который дает увеличение скорости доступа к данным.

Рис. 5. Блоки чтения/записи Sony: 4 блока 2 головки – 8-канальное чтение / запись

В библиотеке Sony в блоке может стоять до 4-х приводов, в каждый из которых можно загрузить только 1 диск – картридж в приводе разбирается и привод работает по принципу широко известного бытового CD-ченджера.

Каждый привод (блок приводов) имеет свой собственный внешний интерфейс. У Sony это либо FC 8 Gb/sec, либо USB 3.0, причем FC используется в приводах для библиотек, а USB используется в одиночных автономных приводах. У Panasonic в библиотеках последнего поколения Disk Archiver DA-3 (LB-DH7) используется интерфейс SAS 12Gb/sec. Каждый блок приводов имеет по 2 порта SAS, которые подключаются к портам SAS-контроллера в управляющем сервере с помощью кабелей SAS от Panasonic.

Макро-архитектура на уровне системы. Библиотеки обоих производителей имеют схожую макро-архитектуру: в состав каждой входит 1 базовый блок (модуль), содержащий привода оптических дисков и какое-то количество слотов для хранения картриджей. Базовый блок может быть дополнен некоторым количеством модулей расширения двух типов: модули, содержащие привода и картриджи, и модули, содержащие только картриджи. 

Рис. 6. Варианты масштабирования библиотеки Sony PetaSite – до 6 модулей  в шкафу 42U

Как уже было упомянуто выше, каждый привод имеет самостоятельный интерфейс ввода-вывода, которым он соединяется с внешними потребителями. В зависимости от требований к конкретной системе, определяемых типом решаемых задач и характером нагрузки, состав модулей расширения может смещаться либо в сторону обеспечения максимального объема хранимых данных ( при этом достигается минимальная стоимость хранения $ / 1 TB), либо в сторону максимального количества приводов в системе, что дает несколько меньший объем и большую стоимость в расчете на 1 TB, но зато обеспечивает максимальную скорость выборки данных и пропускную способность системы в целом. На рис.6 приведены варианты масштабирования библиотеки Sony PetaSite.

Модули имеют высоту 7U. В системе обязательно должен присутствовать 1 базовый модуль ODS-L30M, которому можно подключить до 5 модулей расширения, из которых не более 4-х могут быть типа ODS-L60E (привода и картриджи) и остальные – типа ODS-L100E (только картриджи).

ODS-L30M Базовый модуль	Модули расширения		Max количество картриджей в системе	Max емкость системы в TB
	ODS-L60E Приводы+картриджи	ODS-L100E Только картриджи
1
	0	5	535	1765,5
	1	4	495	1633,5
	2	3	455	1501,5
	3	2	415	1369,5
	4	1	375	1237,5

Таб.1 . Варианты конфигурации библиотеки Sony PetaSite.

Если в системе Sony присутствует, помимо базового, еще хотя бы один блок расширения, то в состав спецификации надо включить еще плату расширения ODBK-103. Максимальное количество приводов в системе Sony равно 18 шт ( 2 в базовом блоке + max 4 модуля ODS-L60 по 4 привода в каждом).

В библиотеке Panasonic модули имеют высоту 6U, но помимо базового блока LB-DH70A0R, в спецификации должен присутствовать еще один «нижний блок» LB-DF81Z1R высотой 4U. Модули расширения с блоками приводов должны входить в спецификацию в нечетном количестве, т.е. блоки приводов ставятся парами, а в базовом модуле, который присутствует всегда, 1 блок приводов есть. Всего в систему ODL от Panasonic может входить 7 модулей: (Нижний + Базовый модуль) + 6 модулей расширения, из которых 1, 3 или максимум 5 могут быть модулями с приводами и остальные – модули расширения без приводов. Общая высота такой системы составляет 46U и в 49U-шкафу остается еще 3U для управляющего сервера и блока питания. Базовый блок Panasonic управляет модулями расширения по кабелям USB, для чего в нем имеется 8 портов. Схема подключения модулей – звезда.

Подключение ODL библиотек Sony и Panasonic к потребителям. Схема подключения Sony PetaSite показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема подключения ODL Sony PetaSite через коммутатор FC

К коммутатору Fibre Channel подключаются привода ODL, так же, как и хосты / ПК потребителей. Отдельные хосты могут подключаться к портам приводов ODL напрямую.

Блоки приводов Panasonic имеют по 2 порта SAS, и каждая пара приводов подключается к портам в SAS-карте управляющего сервера следующим образом: порты 0 и 3 пары приводов подключаются к портам SAS хост-контроллера прямым SAS-кабелем, а порты 1 и 2 – половинками SAS-кабеля Y-типа, который своей «ножкой» также подключается к порту SAS на хост-контроллере. Таким образом, каждая пара блоков приводов занимает на хост-контроллере SAS 3 порта. Наличие управляющего сервера в составе ODL Panasonic обязательно, все внешние потребители подключаются через него. На каждый шкаф, содержащий ODL Panasonic требуется свой сервер.

Максимальный объем хранимых данных в ODL Panasonic и Sony составляет, соответственно, 1 915, 2 TB и 1 765,5 TB.

Скорость работы системы. Конфигурация с максимальным количеством приводов обеспечивает для ODL Panasonic суммарную скорость по всем приводам 1080 MB/sec , для Sony в конфигурации с 18-ю приводами: по чтению = 2Gb/sec*18/8= 4,5 GB/sec, по записи в 2 раза меньше: 2,25 GB/sec.

В заключение следует отметить, что конфигурация ODL Panasonic и Sony – процесс достаточно сложный. Изложенных в настоящей статье сведений достаточно для приблизительной оценки стоимости и макро-параметров конкретной конфигурации, но окончательный расчет цены конфигурации с учетом управляющих серверов и ПО рекомендуется производить с участием специалистов.