درون یک تیپ درایو LTO: از هد مغناطیسی تا ۳۰ ترابایت روی نواری به پهنای نیم اینچ

وقتی از «نوار» حرف می‌زنیم، خیلی‌ها یاد کاست‌های صوتی دهه‌ی شصت می‌افتند. اما نواری که امروز در مراکز داده‌ی بانک‌ها، شبکه‌های تلویزیونی و بزرگ‌ترین ارائه‌دهندگان خدمات ابری دنیا کار می‌کند، از نظر فناوری هیچ شباهتی به آن کاست‌ها ندارد. یک کارتریج LTO-10 به اندازه‌ی کف دست، ۳۰ ترابایت داده‌ی خام را روی نواری به پهنای حدود ۱۲٫۷ میلی‌متر نگه می‌دارد. هزاران شیار موازی روی آن نوشته می‌شود و هدی که این کار را می‌کند، فاصله‌اش را با نوار در حد نانومتر کنترل می‌کند.

این مقاله یک راهنمای خرید یا تبلیغ نیست. می‌خواهیم ببینیم یک تیپ درایو LTO واقعاً چطور کار می‌کند: داده چطور روی نوار نوشته می‌شود، چرا نوار با وجود دیسک‌های SSD و فضای ابری هنوز زنده است، چه چیزهایی آن را خراب می‌کند و یک مدیر زیرساخت پیش از خرید و نگهداری باید چه بداند. اگر با سرور، استوریج یا امنیت داده سروکار دارید، احتمالاً چند نکته‌ی تازه در این مطلب پیدا می‌کنید.

LTO چیست و چرا یک استاندارد باز است

LTO مخفف Linear Tape-Open است. اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ سه شرکت HP، IBM و Seagate (که بخش نوار آن بعدها به Quantum رسید) تصمیم گرفتند به‌جای رقابت میان فرمت‌های اختصاصی، یک استاندارد باز برای نوار داده بسازند. نتیجه، کنسرسیومی شد که مشخصات فنی را تعریف می‌کند و به سازندگان مختلف مجوز ساخت درایو و کارتریج می‌دهد.

همین «باز» بودن مهم‌ترین مزیت LTO است. کارتریج LTO-9 که امروز می‌خرید، فرقی نمی‌کند ساخت کدام برند باشد؛ در درایو HPE، IBM، Quantum یا هر سازنده‌ی دارای مجوز دیگری خوانده می‌شود. برای سازمانی که می‌خواهد آرشیوش را ده یا بیست سال نگه دارد، این یعنی وابسته نبودن به یک فروشنده. اولین نسل LTO در سال ۲۰۰۰ با ظرفیت ۱۰۰ گیگابایت عرضه شد و امروز به نسل دهم با ۳۰ ترابایت رسیده‌ایم؛ یعنی ظرفیت یک کارتریج در حدود ۲۵ سال، نزدیک به ۳۰۰ برابر شده است.

ضبط خطی مارپیچی؛ داده چطور روی نوار نوشته می‌شود

در هارد دیسک، داده روی شیارهای دایره‌ای یک صفحه‌ی چرخان نوشته می‌شود. در LTO، داده روی شیارهایی موازی با طول نوار نوشته می‌شود. نوار با سرعت ثابت از جلوی هد ثابت عبور می‌کند و هد ده‌ها شیار را هم‌زمان می‌نویسد. به این روش «ضبط خطی» می‌گویند.

اما نوار فقط از یک سر به سر دیگر نمی‌رود. وقتی هد به انتهای نوار می‌رسد، کمی جابه‌جا می‌شود و در مسیر برگشت، مجموعه‌ی دیگری از شیارها را می‌نویسد. این رفت‌وبرگشت ده‌ها بار تکرار می‌شود تا کل پهنای نوار پر شود. به هر رفت‌وبرگشت یک «Wrap» می‌گویند و به کل الگو «ضبط مارپیچی» (Serpentine). نتیجه، هزاران شیار موازی روی یک نوار است: در LTO-8 حدود ۶٬۶۵۶ شیار و در LTO-9 حدود ۸٬۹۶۰ شیار.

این روش دو پیامد مهم دارد. اول اینکه برای خواندن یک فایل خاص، نوار باید تا نقطه‌ی مورد نظر جلو یا عقب برود. زمان دسترسی تصادفی به همین دلیل از چند ثانیه تا یکی دو دقیقه است و نوار برای بازیابی تک‌فایل‌های کوچک ساخته نشده. دوم اینکه در نوشتن و خواندن پیوسته‌ی حجم بزرگ، نوار بسیار سریع است. یک درایو LTO-9 داده‌ی خام را با سرعت حدود ۴۰۰ مگابایت بر ثانیه می‌نویسد؛ سریع‌تر از بیشتر هاردهای مکانیکی.

باندهای سروو؛ چطور هد روی شیارهای میکرونی می‌ماند

وقتی هزاران شیار روی نواری به پهنای حدود ۱۲٫۷ میلی‌متر نوشته می‌شود، هر شیار فقط چند میکرون پهنا دارد. نوار هم یک جسم انعطاف‌پذیر است که هنگام حرکت کمی به چپ و راست می‌لرزد. پس هد چطور دقیقاً روی شیار درست می‌ماند؟

پاسخ، «باندهای سروو» است. هنگام تولید نوار، کارخانه الگوهای مغناطیسی ویژه‌ای روی پنج باند باریک در طول نوار می‌نویسد. این پنج باند، نوار را به چهار باند داده تقسیم می‌کنند. هد درایو علاوه بر المان‌های نوشتن و خواندن داده، المان‌هایی برای خواندن همین الگوهای سروو دارد. درایو از روی زمان‌بندی این الگوها، موقعیت دقیق عرضی هد نسبت به نوار را در هر لحظه محاسبه می‌کند و یک محرک دقیق، هد را صدها بار در ثانیه جابه‌جا می‌کند تا روی شیار بماند.

یک نکته‌ی عملی از همین‌جا می‌آید: الگوی سروو را کارخانه می‌نویسد و درایو نمی‌تواند آن را بازسازی کند. به همین دلیل کارتریج LTO را هرگز نباید با دستگاه‌های پاک‌کننده‌ی مغناطیسی (Degausser) «پاک» کرد و دوباره استفاده کرد. این کار الگوی سروو را از بین می‌برد و کارتریج برای همیشه بی‌استفاده می‌شود. Degauss فقط برای نابودی امن کارتریجی است که قرار است دور ریخته شود.

هد TMR و نوار باریم فریت؛ دو جهش نسل‌های اخیر

افزایش ظرفیت در هر نسل LTO فقط با فشرده‌تر نوشتن شیارها ممکن است. دو تغییر فناوری در نسل‌های اخیر نقش اصلی را داشته‌اند.

هدهای TMR

از LTO-8، هدهای خواندن از فناوری TMR (مقاومت مغناطیسی تونلی) استفاده می‌کنند؛ همان خانواده‌ی فناوری که سال‌ها پیش در هد هاردهای پرظرفیت جا افتاد. این هدها به میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف‌تر حساس‌اند و امکان خواندن شیارهای باریک‌تر را می‌دهند. بهای این حساسیت، شکنندگی بیشتر است: هد TMR در برابر ذرات گردوغبار، تخلیه‌ی الکتریسیته‌ی ساکن و سایش ناشی از کارتریج‌های آسیب‌دیده آسیب‌پذیرتر است.

ذرات باریم فریت (BaFe)

لایه‌ی مغناطیسی نوارهای قدیمی‌تر از ذرات فلزی ساخته می‌شد. از LTO-7 به بعد، نوارها از ذرات باریم فریت استفاده می‌کنند. این ذرات کوچک‌ترند، اکسید نمی‌شوند و در طول زمان پایداری مغناطیسی بهتری دارند. یکی از دلایلی که سازندگان برای نوار LTO عمر آرشیوی تا حدود ۳۰ سال در شرایط مناسب اعلام می‌کنند، همین ویژگی است.

بهینه‌سازی کارتریج در LTO-9؛ چرا اولین بار کند است

یکی از غافلگیری‌های رایج برای کسانی که اولین بار با LTO-9 کار می‌کنند این است که درایو با کارتریج نو بلافاصله شروع به نوشتن نمی‌کند. در LTO-9، اولین باری که یک کارتریج نو در درایو قرار می‌گیرد، درایو فرایندی به نام بهینه‌سازی رسانه (Media Optimization) انجام می‌دهد. نوار را بررسی می‌کند و ویژگی‌های آن را ثبت می‌کند تا جای شیارها را با دقت بیشتری تنظیم کند. این کار معمولاً حدود ۴۰ دقیقه و در بدترین حالت تا حدود دو ساعت طول می‌کشد و فقط یک بار برای هر کارتریج انجام می‌شود.

نکته‌ی عملی این است که اگر سازمانی برای اولین بار ده‌ها کارتریج LTO-9 خریده، بهتر است پیش از ورود آن‌ها به چرخه‌ی بکاپ، بهینه‌سازی را یک بار انجام دهد. در غیر این صورت اولین بکاپ‌های شبانه از پنجره‌ی زمانی بیرون می‌زنند و نرم‌افزار بکاپ ممکن است آن را خطا تشخیص دهد. در کتابخانه‌ها، می‌شود این کار را به‌صورت خودکار و پیش از استفاده انجام داد.

حافظه‌ی کارتریج؛ تراشه‌ای که سابقه‌ی نوار را نگه می‌دارد

در هر کارتریج LTO یک تراشه‌ی کوچک حافظه به نام Cartridge Memory قرار دارد که به‌صورت بی‌سیم و بدون تماس با درایو ارتباط می‌گیرد. این تراشه اطلاعاتی مثل شماره سریال کارتریج، تعداد دفعات بارگذاری، میزان خطاهای اصلاح‌شده، محل انتهای داده و نقشه‌ی محتوا را نگه می‌دارد. درایو با خواندن این اطلاعات، بدون نیاز به پیمودن کل نوار، سریع‌تر به نقطه‌ی مورد نظر می‌رسد.

برای تعمیرکار و مدیر سیستم، این تراشه یک پرونده‌ی پزشکی است. ابزارهای تشخیصی مثل HPE Library and Tape Tools می‌توانند این اطلاعات را بخوانند و نشان دهند یک کارتریج چقدر کار کرده، آیا خطاهای خواندنش رو به افزایش است و آیا وقت بازنشستگی آن رسیده است. خیلی وقت‌ها خرابی‌ای که به درایو نسبت داده می‌شود، در واقع از یک کارتریج فرسوده است و همین گزارش آن را نشان می‌دهد.

صحت داده؛ بخش کمتر شناخته‌شده‌ی LTO

یکی از دلایل اصلی اعتماد مراکز داده به نوار، سازوکارهای صحت داده‌ی آن است:

• خواندن هم‌زمان با نوشتن: هد LTO برای هر المان نوشتن، یک المان خواندن پشت سر آن دارد. درایو هر بلوک را بلافاصله پس از نوشتن می‌خواند و بررسی می‌کند. اگر بلوکی درست نوشته نشده باشد، همان لحظه دوباره در جای دیگری نوشته می‌شود. این کار بدون کاهش سرعت انجام می‌شود.
• کد تصحیح خطای دولایه: داده با دو لایه کد تصحیح خطا روی نوار نوشته می‌شود و در شیارهای مختلف پخش می‌شود. حتی اگر بخشی از نوار آسیب ببیند یا یک شیار کامل خوانده نشود، داده از روی بقیه بازسازی می‌شود.
• نرخ خطای بسیار پایین: سازندگان برای نسل‌های اخیر LTO، نرخ خطای اصلاح‌نشده‌ای در حد یک بیت در ۱۰^۱۹ تا ۱۰^۲۰ بیت اعلام می‌کنند که از هاردهای سازمانی چند مرتبه بهتر است.

فشرده‌سازی، رمزنگاری و WORM

فشرده‌سازی سخت‌افزاری

درایوهای LTO داده را پیش از نوشتن به‌صورت سخت‌افزاری فشرده می‌کنند. ظرفیت «فشرده» که روی کارتریج‌ها می‌بینید، از LTO-6 به بعد با فرض نسبت ۲٫۵ به ۱ محاسبه شده است؛ مثلاً ۴۵ ترابایت برای LTO-9 در برابر ۱۸ ترابایت خام. این عدد واقعی است، اما فقط برای داده‌ای که قابل فشرده‌سازی باشد. فایل‌های ویدیو، تصاویر JPEG، آرشیوهای ZIP و داده‌ای که پیش‌تر رمز شده، تقریباً فشرده نمی‌شوند. در برنامه‌ریزی ظرفیت، همیشه با ظرفیت خام حساب کنید.

رمزنگاری AES-256

از LTO-4، درایوها رمزنگاری سخت‌افزاری AES-256 دارند. رمزنگاری بعد از فشرده‌سازی و در خود درایو انجام می‌شود و سرعت را کم نمی‌کند. ترتیب این دو مهم است: اگر داده را پیش از ارسال به درایو با نرم‌افزار رمز کنید، فشرده‌سازی درایو دیگر اثری ندارد. مدیریت کلید معمولاً با نرم‌افزار بکاپ، خود کتابخانه یا یک سامانه‌ی مدیریت کلید انجام می‌شود و مهم‌ترین مسئولیت مدیر سیستم، نگهداری امن و دوجایی همین کلیدهاست.

کارتریج WORM

از LTO-3، کارتریج‌های WORM (یک بار نوشتن، چند بار خواندن) وجود دارند. منطق WORM هم در کارتریج و هم در درایو پیاده شده است، پس حتی با دسترسی کامل به سیستم نمی‌شود داده‌ی نوشته‌شده را پاک یا بازنویسی کرد. برای لاگ‌های امنیتی، اسناد مالی و داده‌هایی که الزامات قانونی نگهداری دارند، این یک تغییرناپذیری واقعی است که در برابر باج‌افزار هم کار می‌کند.

LTFS؛ نوار مثل یک فلش‌مموری بزرگ

از LTO-5، کارتریج‌ها را می‌شود به دو پارتیشن تقسیم کرد. سیستم فایل LTFS (Linear Tape File System) از همین امکان استفاده می‌کند: یک پارتیشن کوچک، فهرست فایل‌ها را نگه می‌دارد و پارتیشن بزرگ، خود داده را. نتیجه اینکه نوار در سیستم‌عامل مثل یک درایو معمولی دیده می‌شود و می‌شود فایل‌ها را بدون نرم‌افزار بکاپ خاص، با کشیدن و رها کردن رویش کپی کرد.

LTFS به‌خصوص در صنعت رسانه محبوب است. استودیوها و شبکه‌های تلویزیونی آرشیو تصاویر خام را روی نوار با فرمت LTFS نگه می‌دارند تا هر سیستمی در آینده، بدون وابستگی به یک نرم‌افزار خاص، بتواند آن را بخواند. البته برای بکاپ منظم سرورها، نرم‌افزارهای بکاپ همچنان انتخاب بهتری‌اند، چون نسخه‌بندی، زمان‌بندی و مدیریت کارتریج‌ها را انجام می‌دهند.

نسل‌ها و سازگاری؛ قانونی که در LTO-8 شکست

تا سال‌ها قانون ساده‌ای وجود داشت: هر درایو LTO کارتریج دو نسل قبل را می‌خواند و کارتریج یک نسل قبل را می‌خواند و می‌نویسد. LTO-8 این قانون را شکست. به دلیل تغییر فناوری هد، درایو LTO-8 فقط کارتریج LTO-7 را می‌خواند و می‌نویسد و دیگر LTO-6 را نمی‌خواند. LTO-9 هم کارتریج LTO-8 را می‌خواند و می‌نویسد. LTO-10 از این هم فراتر رفت و فقط با کارتریج LTO-10 کار می‌کند.

نسل	ظرفیت خام	ظرفیت فشرده (۲٫۵:۱)	سرعت خام	سازگاری
LTO-7	۶ ترابایت	۱۵ ترابایت	۳۰۰ مگابایت بر ثانیه	خواندن LTO-5، خواندن و نوشتن LTO-6
LTO-8	۱۲ ترابایت	۳۰ ترابایت	۳۶۰ مگابایت بر ثانیه	خواندن و نوشتن LTO-7
LTO-9	۱۸ ترابایت	۴۵ ترابایت	۴۰۰ مگابایت بر ثانیه	خواندن و نوشتن LTO-8
LTO-10	۳۰ ترابایت	۷۵ ترابایت	۴۰۰ مگابایت بر ثانیه	فقط LTO-10

این تغییرها یک پیامد جدی برای آرشیوهای بلندمدت دارند. سازمانی که آرشیو ده‌ساله‌اش روی LTO-5 یا LTO-6 است، با خرید درایو LTO-9 دیگر نمی‌تواند آن آرشیو را بخواند. یا باید یک درایو قدیمی سالم برای خواندن آرشیو نگه دارد، یا پیش از کنار گذاشتن آن درایو، آرشیو را به نسل جدید منتقل کند. انتخاب بین نسل‌ها به حجم داده، بودجه و آرشیو موجود بستگی دارد. مقایسه‌ی کامل LTO-10، LTO-9 و LTO-8 این تفاوت‌ها را با جزئیات بیشتر کنار هم گذاشته و برای هر ترکیب درایو و کارتریج می‌توانید جدول سازگاری LTO را ببینید.

Shoe-shining؛ دشمن پنهان عمر درایو

یکی از مهم‌ترین نکته‌هایی که در راه‌اندازی بکاپ نواری نادیده گرفته می‌شود، تطبیق سرعت است. درایو LTO برای نوشتن بهینه، به جریان پیوسته‌ی داده با سرعت بالا نیاز دارد. اگر سرور یا شبکه نتواند داده را به‌اندازه‌ی کافی سریع برساند، بافر درایو خالی می‌شود. درایو مجبور است نوار را متوقف کند، کمی به عقب برگرداند و دوباره شروع کند. این رفت‌وبرگشت مکرر که به آن Shoe-shining یا Back-hitching می‌گویند، هم سرعت را به‌شدت پایین می‌آورد و هم سایش هد و نوار را چند برابر می‌کند.

درایوهای مدرن LTO تا حدی سرعت حرکت نوار را با سرعت ورود داده تطبیق می‌دهند، اما این تطبیق حد پایینی دارد. چند راه برای پیشگیری:

• بکاپ دومرحله‌ای: ابتدا روی دیسک (Disk-to-Disk) و سپس از دیسک روی نوار. در این حالت داده با سرعت کامل به درایو می‌رسد.
• اتصال مستقیم و درست: درایو باید با کارت HBA از نوع SAS به سرور وصل شود، نه کارت RAID. کارت RAID برای دیسک طراحی شده و معمولاً تیپ درایو را درست پشتیبانی نمی‌کند.
• اجتناب از بکاپ فایل‌های بسیار کوچک به‌صورت مستقیم: میلیون‌ها فایل کوچک سرعت خواندن از منبع را پایین می‌آورد. بسته‌بندی آن‌ها پیش از ارسال به نوار کمک می‌کند.

نحوه‌ی درست اتصال، انتخاب کارت و تنظیمات سیستم‌عامل در راهنمای اتصال تیپ درایو به سرور توضیح داده شده است.

درایو تکی، اتولودر یا کتابخانه

تیپ درایوها در سه شکل اصلی عرضه می‌شوند:

• درایو تکی: داخلی (در سرور) یا اکسترنال (در جعبه‌ی جدا). کارتریج‌ها دستی عوض می‌شوند. برای سازمان‌های کوچک و متوسط با یک یا دو کارتریج در هفته کافی است.
• اتولودر: یک درایو با یک مگزین چندکارتریجی و بازوی رباتیک ساده. برای بکاپ چندروزه بدون دخالت دستی مناسب است.
• تیپ لایبرری: چند درایو، ده‌ها تا هزاران اسلات کارتریج، بارکدخوان و رباتیک پیشرفته. کتابخانه‌های ماژولار مثل HPE MSL3040 یا Quantum Scalar i3 را می‌شود با افزودن ماژول بزرگ‌تر کرد.

انتخاب میان این‌ها به حجم داده، تعداد نسخه‌هایی که باید نگه دارید و میزان خودکارسازی مورد نیاز بستگی دارد. برای برآورد تعداد کارتریج و نسل مناسب می‌توانید از ماشین‌حساب بکاپ LTO استفاده کنید. فهرست درایوهای موجود هم در دسته‌ی تیپ درایو LTO آمده است.

 

تیپ لایبرری از درون

اگر تیپ درایو قلب سامانه‌ی بکاپ نواری است، تیپ لایبرری بدن آن است. یک کتابخانه‌ی نوار، از بیرون شبیه یک سرور رکی است، اما درونش یک کارخانه‌ی کوچک کار می‌کند:

• اسلات‌ها و مگزین‌ها: کارتریج‌ها در مگزین‌های کشویی یا ردیف‌های ثابت قرار دارند. در کتابخانه‌های کوچک، مگزین‌ها از جلو بیرون کشیده می‌شوند تا کارتریج‌ها دسته‌جمعی عوض شوند.
• رباتیک و Picker: بازویی که کارتریج را از اسلات برمی‌دارد، در درایو قرار می‌دهد و بعد برمی‌گرداند. در کتابخانه‌های ماژولار، یک آسانسور عمودی Picker را میان ماژول‌های روی هم جابه‌جا می‌کند.
• بارکدخوان: هر کارتریج یک برچسب بارکد دارد که پسوند آن نسل کارتریج را نشان می‌دهد؛ مثلاً L9 برای LTO-9. کتابخانه با اسکن این برچسب‌ها فهرست موجودی (Inventory) را می‌سازد و نرم‌افزار بکاپ از روی همین فهرست می‌داند کدام نسخه روی کدام کارتریج است.
• Mailslot: دریچه‌ای که اپراتور از آن کارتریج‌ها را بدون توقف کتابخانه وارد یا خارج می‌کند؛ برای فرستادن نسخه‌های آفلاین به گاوصندوق ضروری است.
• Drive Sled: در کتابخانه‌ها، هر درایو داخل یک قاب استاندارد قرار دارد که با برق، رابط و ارتباطات کتابخانه هماهنگ است. تعویض یک درایو معیوب معمولاً بدون خاموش کردن کل کتابخانه انجام می‌شود.
• پارتیشن‌بندی منطقی: یک کتابخانه‌ی فیزیکی را می‌شود به چند کتابخانه‌ی منطقی تقسیم کرد تا چند سرور یا چند نرم‌افزار بکاپ هم‌زمان از آن استفاده کنند، بی‌آنکه به کارتریج‌های هم دسترسی داشته باشند.

بیشتر خطاهای کتابخانه، کد مشخصی دارند که روی پنل جلو یا در گزارش‌های مدیریتی ثبت می‌شود. خطاهای حرکت، گرفتن کارتریج، خواندن بارکد و سنسورها هر کدام به بخش مشخصی از همین اجزا اشاره می‌کنند و برای تعمیرکار، نقطه‌ی شروع عیب‌یابی‌اند.

ابزارهای تشخیصی؛ پیش از هر تعمیری لاگ را بخوانید

تیپ درایوها و کتابخانه‌ها اطلاعات تشخیصی زیادی ثبت می‌کنند که اگر درست خوانده شوند، علت بسیاری از خرابی‌ها را بدون باز کردن دستگاه نشان می‌دهند:

• TapeAlert: یک استاندارد صنعتی که درایو و کتابخانه با آن پیام‌های هشدار و خطا را به نرم‌افزار بکاپ می‌فرستند؛ از «نیاز به تمیزکاری» تا «کارتریج فرسوده» و «خطای سخت‌افزاری». خیلی از نرم‌افزارهای بکاپ این پیام‌ها را در گزارش‌هایشان نشان می‌دهند و کمتر کسی به آن‌ها توجه می‌کند.
• HPE Library and Tape Tools: ابزار رایگان HPE برای تست درایو و کتابخانه، خواندن لاگ‌ها، بررسی سلامت کارتریج و به‌روزرسانی فریمور.
• ابزارهای IBM: IBM هم ابزار تشخیصی مخصوص درایوها و کتابخانه‌های خود را دارد که کارکرد مشابهی ارائه می‌دهد.
• تیکت‌های RAS در Quantum: کتابخانه‌های Scalar خطاها را به‌شکل تیکت در پنل مدیریتی ثبت می‌کنند؛ متن کامل تیکت معمولاً علت را دقیق مشخص می‌کند.
• Drive Dump: یک گزارش کامل از وضعیت داخلی درایو که پس از خطا گرفته می‌شود و برای تحلیل دقیق خرابی ارزشمند است.

یک عادت ساده که هزینه‌ی تعمیر را پایین می‌آورد: هر وقت درایو یا کتابخانه خطا داد، پیش از خاموش و روشن کردن مکرر یا تلاش برای رفع مشکل، این لاگ‌ها را ذخیره کنید. بعضی اطلاعات با ری‌استارت از بین می‌روند.

یک سناریوی واقعی: طراحی بکاپ برای ۴۰ ترابایت داده

برای اینکه مفاهیم بالا ملموس شوند، یک نمونه را با عدد حساب کنیم. فرض کنید سازمانی ۴۰ ترابایت داده دارد که روزانه حدود ۵ درصد آن، یعنی ۲ ترابایت، تغییر می‌کند. سیاست نگهداری این است: ۴ نسخه‌ی کامل هفتگی، ۱۲ نسخه‌ی ماهانه، یک نسخه‌ی سالانه و نسخه‌های افزایشی روزانه برای ۴ هفته. برای اطمینان، با ظرفیت خام و بدون فشرده‌سازی حساب می‌کنیم.

با LTO-9 (۱۸ ترابایت خام)

• هر نسخه‌ی کامل: ۴۰ تقسیم بر ۱۸، یعنی ۳ کارتریج.
• نسخه‌های هفتگی: ۴ نسخه × ۳ کارتریج = ۱۲ کارتریج.
• نسخه‌های ماهانه: ۱۲ × ۳ = ۳۶ کارتریج.
• نسخه‌ی سالانه: ۳ کارتریج.
• نسخه‌های افزایشی: ۶ روز × ۲ ترابایت = ۱۲ ترابایت در هفته، یعنی یک کارتریج در هفته و ۴ کارتریج برای ۴ هفته.
• جمع: حدود ۵۵ کارتریج، به‌علاوه‌ی چند کارتریج یدکی و یک کارتریج تمیزکننده.

با LTO-10 (۳۰ ترابایت خام)

• هر نسخه‌ی کامل: ۲ کارتریج.
• هفتگی ۸، ماهانه ۲۴، سالانه ۲ و افزایشی ۴ کارتریج.
• جمع: حدود ۳۸ کارتریج.

زمان بکاپ

با سرعت خام ۴۰۰ مگابایت بر ثانیه، نوشتن ۴۰ ترابایت روی یک درایو حدود ۱۰۰ هزار ثانیه، یعنی نزدیک ۲۸ ساعت، طول می‌کشد. این عدد در تعطیلات آخر هفته جا می‌شود، اما حاشیه‌ی زیادی ندارد. با دو درایو در یک کتابخانه، زمان به حدود ۱۴ ساعت می‌رسد. بکاپ افزایشی روزانه‌ی ۲ ترابایتی، حدود یک ساعت و نیم طول می‌کشد. این محاسبه فرض می‌کند منبع داده می‌تواند با همان سرعت داده را برساند؛ اگر نتواند، Shoe-shining شروع می‌شود و بکاپ دومرحله‌ای روی دیسک ضروری است.

نتیجه‌ی طراحی

برای این سازمان، یک کتابخانه‌ی کوچک با دو درایو و حدود ۴۰ تا ۶۰ اسلات منطقی‌تر از یک درایو تکی است. نسخه‌های ماهانه و سالانه با رمزنگاری فعال نوشته و از طریق Mailslot بیرون آورده می‌شوند و در محلی جداگانه نگهداری می‌شوند. اگر سوابق مالی یا لاگ‌های امنیتی الزام نگهداری دارند، نسخه‌ی سالانه روی کارتریج WORM نوشته می‌شود. این همان نوع محاسبه‌ای است که پیش از هر خرید باید انجام شود؛ اغلب نتیجه با تصور اولیه‌ی خریدار متفاوت است.

مهاجرت آرشیو بین نسل‌ها

هر سازمانی که آرشیو بلندمدت روی نوار دارد، دیر یا زود با مهاجرت روبه‌رو می‌شود. چون هر درایو فقط چند نسل محدود را می‌خواند، آرشیوی که روی LTO-5 یا LTO-6 نوشته شده، باید پیش از کنار گذاشتن آخرین درایو سازگار، به نسل جدید منتقل شود. یک مهاجرت درست این مراحل را دارد:

1. فهرست‌برداری: چه کارتریج‌هایی، با چه نسلی، چه داده‌ای و با کدام نرم‌افزار بکاپ نوشته شده‌اند. نرم‌افزار قدیمی هم باید در دسترس باشد، چون فرمت نوشتن داده به آن وابسته است.
2. بررسی سلامت: پیش از انتقال، سلامت کارتریج‌های قدیمی و درایوی که آن‌ها را می‌خواند بررسی شود. کارتریجی که سال‌ها روی قفسه مانده، ممکن است به تمیزکاری یا خواندن با دقت بیشتر نیاز داشته باشد.
3. انتقال و تأیید: داده روی نسل جدید نوشته و با مقایسه‌ی هش یا بازگردانی آزمایشی تأیید شود.
4. نگه داشتن نسخه‌ی قدیمی: کارتریج‌های قدیمی تا مدتی پس از تأیید کامل نگه داشته شوند.

نکته‌ی مهم: نگه داشتن یک درایو قدیمی سالم برای خواندن آرشیو، معمولاً ارزان‌تر از این است که بعدها برای پیدا کردن یا تعمیر یک درایو نسل قدیمی به زحمت بیفتید. همین یکی از دلایلی است که تعمیر درایوهای نسل‌های قدیمی، حتی وقتی دیگر تولید نمی‌شوند، اهمیت دارد.

نگهداری کارتریج؛ چیزهایی که عمر نوار را کم می‌کند

عمر ۳۰ ساله‌ای که برای نوار LTO اعلام می‌شود، به شرط نگهداری درست است. عوامل اصلی آسیب:

• دما و رطوبت: برای نگهداری بلندمدت، دمای حدود ۱۶ تا ۲۵ درجه و رطوبت نسبی حدود ۲۰ تا ۵۰ درصد توصیه می‌شود. نوسان شدید دما و رطوبت از خود این اعداد مضرتر است.
• سازگار شدن با محیط: کارتریجی که از محیط سرد یا گرم آورده شده، باید پیش از استفاده چند ساعت در دمای اتاق سرور بماند. تغییر ناگهانی دما ممکن است روی نوار میعان ایجاد کند.
• ضربه: کارتریجی که از ارتفاع افتاده، ممکن است پین یا قرقره‌ی داخلی‌اش آسیب دیده باشد و در درایو گیر کند. چنین کارتریجی را پیش از بررسی در درایو نگذارید.
• میدان مغناطیسی: بلندگوها، موتورها و آهنرباهای قوی را از محل نگهداری دور نگه دارید.
• حالت نگهداری: کارتریج‌ها را ایستاده و در جعبه‌ی خودشان نگه دارید.

جزئیات بیشتر، از جمله نکات حمل‌ونقل و برچسب‌گذاری، در راهنمای نگهداری کارتریج LTO آمده است. فهرست کارتریج‌های داده و WORM نسل‌های مختلف هم در دسته‌ی کارتریج LTO قابل مشاهده است.

تمیزکاری هد؛ کمتر بهتر است

درایو LTO هر وقت تشخیص دهد هد نیاز به تمیزکاری دارد، با روشن کردن چراغ Clean درخواست می‌کند. پاسخ درست، استفاده از یک کارتریج تمیزکننده‌ی سازگار است. کارتریج تمیزکننده‌ی یونیورسال، مثل کلینینگ کارتریج HPE C7978A، برای همه‌ی نسل‌های LTO-1 تا LTO-9 کار می‌کند و تا حدود ۵۰ بار قابل استفاده است. در LTO-10 باید از کارتریج تمیزکننده‌ی مخصوص همان نسل استفاده کرد.

اشتباه رایج، تمیزکاری بیش از حد است. کارتریج تمیزکننده سطح هد را کمی سایش می‌دهد. تمیزکاری دوره‌ای بدون درخواست درایو، یا تکرار آن چند بار پشت سر هم وقتی چراغ Clean خاموش نمی‌شود، عمر هد را کم می‌کند. اگر بعد از یکی دو بار تمیزکاری چراغ Clean برگشت، یا چراغ Drive هم روشن شد، به احتمال زیاد هد آسیب دیده است. ادامه‌ی تمیزکاری فقط آسیب را بیشتر می‌کند و وقت آن است که دستگاه بررسی شود.

چه چیزهایی تیپ درایو را خراب می‌کند

تجربه‌ی کارگاه تعمیر نشان می‌دهد بیشتر خرابی‌ها از چند منبع تکراری‌اند:

• سایش و آلودگی هد: گردوغبار اتاق سرور، کارتریج‌های فرسوده و تمیزکاری بیش از حد. در هدهای TMR نسل‌های جدید، این آسیب سریع‌تر خودش را نشان می‌دهد.
• کارتریج آسیب‌دیده: کارتریجی که افتاده یا لبه‌ی نوارش آسیب دیده، می‌تواند هنگام بارگذاری گیر کند، نوار را دور هد بپیچد یا به هد آسیب برساند.
• کارتریج ناسازگار: قرار دادن کارتریج نسل نامناسب، به‌خصوص در LTO-10 که فقط کارتریج هم‌نسل خود را می‌پذیرد.
• Shoe-shining طولانی‌مدت: سایش تدریجی ناشی از تطبیق نبودن سرعت.
• مشکلات برق: نوسان برق یا قطعی ناگهانی هنگام نوشتن.
• جابه‌جایی بدون قفل حمل: در کتابخانه‌ها و اتولودرها، جابه‌جایی بدون قفل کردن رباتیک به مکانیزم آسیب می‌زند.

نکته‌ی امیدوارکننده این است که بیشتر این خرابی‌ها قابل تعمیرند. اما شرطش این است که دستگاه را پیش از ارسال درست مدیریت کنید: کارتریج گیرکرده را با ابزار بیرون نکشید، بیش از دو بار تمیزکاری نکنید و لاگ دستگاه (گزارش HPE Library and Tape Tools، Drive Dump یا تیکت RAS در کتابخانه‌های Quantum) را نگه دارید. این لاگ‌ها برای عیب‌یاب، مثل آزمایش خون برای پزشک‌اند.

تعمیر تا سطح قطعه؛ چرا تعویض کل دستگاه همیشه لازم نیست

تیپ درایو یک دستگاه یکپارچه‌ی جعبه‌سیاه نیست. هد، مکانیزم بارگذاری، موتورها، برد کنترلر، منبع تغذیه و فریمور هر کدام قطعه‌ی جداگانه‌ای‌اند. در تیپ لایبرری هم رباتیک، آسانسور، Picker، بارکدخوان، سنسورها و Drive Sled اجزای مستقل‌اند. تعمیر تا سطح قطعه یعنی به‌جای تعویض کل ماژول، همان قطعه‌ی معیوب پیدا، تعمیر یا تعویض و بعد با تست کامل خواندن و نوشتن تأیید شود.

این رویکرد چند مزیت دارد: هزینه‌ی کمتر نسبت به خرید دستگاه نو، حفظ دسترسی به آرشیوهای نسل‌های قدیمی که درایوشان دیگر تولید نمی‌شود، و نگه داشتن دستگاهی که با زیرساخت فعلی سازمان هماهنگ شده است. واحد تعمیر تخصصی تیپ درایو و تیپ لایبرری ایران تیپ درایو، تجهیزات HPE، IBM، Quantum، Dell، Tandberg و Overland را از LTO-3 تا LTO-10 و درایوهای قدیمی DLT و DAT به همین روش تعمیر می‌کند؛ با اعلام هزینه پیش از شروع کار، گارانتی تعمیر حتی برای هد، سرویس در محل در تهران و پذیرش دستگاه از همه‌ی شهرها.

نوار، دیسک و ابر کنار هم

هیچ‌کدام از این سه رسانه جای دیگری را کامل نمی‌گیرد. هر کدام برای کاری ساخته شده‌اند و یک معماری خوب از نقطه‌ی قوت هر سه استفاده می‌کند:

ویژگی	دیسک (هارد و SSD)	فضای ابری	نوار LTO
دسترسی به تک‌فایل	فوری	سریع، وابسته به اینترنت	چند ثانیه تا دو دقیقه
نوشتن پیوسته‌ی حجیم	سریع	محدود به پهنای باند	بسیار سریع
آفلاین بودن	معمولاً نه	نه	بله، به‌طور طبیعی
تغییرناپذیری	با تنظیمات خاص	با تنظیمات خاص	کارتریج WORM
هزینه‌ی نگهداری بلندمدت	متوسط تا بالا، برق و خنک‌کاری	ماهانه و پیوسته	پایین، بدون مصرف برق روی قفسه
عمر رسانه	چند سال	وابسته به ارائه‌دهنده	تا حدود ۳۰ سال
بهترین کاربرد	بازگردانی سریع روزمره	دسترسی توزیع‌شده	نسخه‌ی آفلاین و آرشیو بلندمدت

یک کارتریج روی قفسه هیچ برقی مصرف نمی‌کند و نیازی به خنک‌کاری ندارد. در مقیاس صدها ترابایت، همین تفاوت در هزینه‌ی برق و فضای مرکز داده، یکی از دلایل اصلی است که ارائه‌دهندگان بزرگ ابری لایه‌ی آرشیوی خود را روی نوار ساخته‌اند.

چند باور اشتباه درباره‌ی نوار

«نوار کند است»

در دسترسی تصادفی بله، در انتقال پیوسته نه. درایو LTO-9 با ۴۰۰ مگابایت بر ثانیه، داده‌ی خام را سریع‌تر از بیشتر هاردهای مکانیکی می‌نویسد. نوار برای بکاپ و آرشیو حجیم ساخته شده، نه برای باز کردن تک‌فایل‌ها.

«نوار منسوخ شده»

نسل دهم LTO در سال‌های اخیر عرضه شده و نقشه‌ی راه کنسرسیوم LTO نسل‌های بعدی را هم پیش‌بینی کرده است. بزرگ‌ترین ارائه‌دهندگان خدمات ابری دنیا، لایه‌ی آرشیوی ارزان خود را روی کتابخانه‌های نوار بنا کرده‌اند.

«فضای ابری جای نوار را گرفته»

فضای ابری و نوار دو کار متفاوت می‌کنند. ابر برای دسترسی سریع و توزیع‌شده عالی است، اما آفلاین نیست و هزینه‌ی نگهداری و به‌خصوص بازیابی حجم‌های بزرگ از آن می‌تواند زیاد باشد. نوار یک نسخه‌ی آفلاین، ارزان و بلندمدت فراهم می‌کند که در برابر حمله‌ی سایبری مصون است. خیلی از سازمان‌ها از هر دو استفاده می‌کنند.

«هر کارتریجی در هر درایوی کار می‌کند»

همان‌طور که دیدیم، سازگاری نسل‌ها محدود است و در LTO-8 و LTO-10 قواعد عوض شده است. پیش از خرید کارتریج، سازگاری را بررسی کنید.

پیش از خرید تیپ درایو، به این پرسش‌ها جواب دهید

1. حجم کل داده چقدر است و هر روز چقدر تغییر می‌کند؟
2. نسخه‌ها را چه مدت باید نگه دارید و آیا الزام قانونی برای نگهداری دارید؟
3. آرشیو قدیمی روی نسل‌های پیشین LTO دارید؟ درایو جدید باید آن را بخواند یا درایو قدیمی را نگه می‌دارید؟
4. سرور شما اسلات و کارت HBA مناسب دارد؟ درایو داخلی می‌خواهید یا اکسترنال؟
5. نرم‌افزار بکاپ شما از درایو و نسل مورد نظر پشتیبانی می‌کند؟
6. به رمزنگاری یا کارتریج WORM نیاز دارید؟
7. چه کسی تعویض کارتریج‌ها را انجام می‌دهد؟ اگر کسی نیست، اتولودر یا کتابخانه را در نظر بگیرید.
8. در صورت خرابی، تعمیر و قطعه‌ی یدکی از کجا تأمین می‌شود؟

پرسش‌های متداول

کارتریج LTO چند بار قابل استفاده است؟

کارتریج‌های داده برای هزاران بار بارگذاری و ده‌ها بار نوشتن کامل نوار طراحی شده‌اند. در عمل، تراشه‌ی حافظه‌ی کارتریج و گزارش‌های درایو نشان می‌دهند کی خطاهای خواندن رو به افزایش است و وقت جایگزینی کارتریج رسیده است.

می‌توانم کارتریج LTO-9 را در درایو LTO-8 بخوانم؟

نه. سازگاری فقط رو به عقب است: درایو LTO-9 کارتریج LTO-8 را می‌خواند و می‌نویسد، اما درایو LTO-8 کارتریج LTO-9 را نمی‌شناسد.

نوار چطور در برابر باج‌افزار محافظت می‌کند؟

کارتریجی که پس از نوشتن از درایو بیرون آورده شده، به هیچ شبکه‌ای وصل نیست و هیچ بدافزاری به آن دسترسی ندارد. اگر کارتریج WORM باشد، حتی کسی که دسترسی کامل به سیستم دارد هم نمی‌تواند داده‌ی آن را پاک کند. همین دو ویژگی، نوار را به آخرین خط دفاع بکاپ در برابر باج‌افزار تبدیل کرده است.

هر چند وقت یک بار باید بازگردانی را آزمایش کرد؟

دست‌کم هر سه ماه یک بار. بکاپی که آزمایش نشده فقط یک فرض است؛ آزمایش بازگردانی نشان می‌دهد کارتریج، درایو، کلیدهای رمزنگاری و نرم‌افزار بکاپ همه با هم کار می‌کنند.

تیپ درایو داخلی بهتر است یا اکسترنال؟

درایو داخلی در خود سرور نصب می‌شود و جای کمتری می‌گیرد، اما به اسلات خالی و جریان هوای مناسب در سرور نیاز دارد. درایو اکسترنال مستقل است، با کابل SAS وصل می‌شود و جابه‌جا کردن یا اتصال آن به سرور دیگر ساده‌تر است.

درباره‌ی ایران تیپ درایو

ایران تیپ درایو، برند فروش شرکت بایگان گستر آریا، فروشگاه تخصصی تجهیزات ذخیره‌سازی نواری و قطعات سرور است که از سال ۱۳۹۶ فقط روی Tape Storage کار کرده است. همان تیمی که سال‌ها زیر نظر دیجی اچ پی تیپ درایو و تیپ لایبرری تعمیر کرده، امروز همین تجهیزات را با شناخت کامل از درون عرضه می‌کند: پیش از فروش، سازگاری درایو با سرور، کارت HBA و نرم‌افزار بکاپ مشتری بررسی می‌شود. تیپ درایو، کارتریج LTO، تیپ لایبرری و قطعات سرور و استوریج HPE با گارانتی ۱۲ ماهه‌ی تعویض دیجی اچ پی و قابل استعلام با شماره سریال عرضه می‌شوند. مشاوره‌ی طراحی بکاپ پیش از خرید رایگان است و خریداران سازمانی پیش‌فاکتور رسمی به نام شرکت دریافت می‌کنند.

نویسنده‌ی این مطلب، علی بابادی (علی پوربابادی)، بنیان‌گذار و مدیرعامل ایران تیپ درایو است. او از سال ۱۳۹۶ روی طراحی سامانه‌های بکاپ و آرشیو LTO، تعمیر هد و رباتیک تیپ درایو و تیپ لایبرری، کتابخانه‌های HPE MSL و ESL، IBM TS و Quantum Scalar و مهاجرت آرشیو میان نسل‌های LTO کار کرده است.

جمع‌بندی

تیپ درایو LTO یکی از دقیق‌ترین دستگاه‌های ذخیره‌سازی است که امروز در مراکز داده کار می‌کند. هدی که روی شیارهای میکرونی می‌ماند، باندهای سروویی که در کارخانه نوشته می‌شوند، خواندن هم‌زمان با نوشتن، رمزنگاری سخت‌افزاری و تراشه‌ای که سابقه‌ی هر کارتریج را نگه می‌دارد، همه کنار هم کار می‌کنند تا ده‌ها ترابایت داده با هزینه‌ی کم و برای دهه‌ها حفظ شود. شناختن این جزئیات، از بهینه‌سازی کارتریج در LTO-9 تا Shoe-shining و سازگاری نسل‌ها، تفاوت میان یک سامانه‌ی بکاپ قابل اعتماد و یک دستگاه گران‌قیمت که مدام خطا می‌دهد را رقم می‌زند.