磁带数据存储

磁盘数据存储是一种用于使用数字记录将数字信息存储在磁带上的系统。

胶带是早期计算机中主要数据存储的重要媒介，通常使用7轨，后来9轨胶带的大型开放式卷轴。现代磁带最常见的是弹药筒和盒式磁带，例如广泛支撑的线性磁带（LTO）和IBM 3592系列。执行数据写入或阅读的设备称为磁带驱动器。自动加载器和磁带库通常用于自动化墨盒处理和交换。兼容性对于启用传输数据很重要。

磁带数据存储现在用于系统备份，数据存档和数据交换。磁带的低成本使其可用于长期存储和档案。

打开卷轴

最初，用于数据存储的磁带在10.5英寸（27厘米）的卷轴上缠绕。大型计算机系统的标准一直持续到1980年代后期，由于较薄的底物和编码变化，其容量稳步增加。从1970年代中期开始使用胶带弹药筒和盒式磁带，并经常与小型计算机系统一起使用。随着1984年引入IBM 3480墨盒，被描述为“大约四分之一的尺寸……但它存储了多达20％的数据”，大型计算机系统开始从开放式胶带胶带转移到墨盒。

Univac

磁带首先用于1951年在Univac I上记录计算机数据。 Uniservo Drive记录介质是一种薄金属条，镀镍磷青铜为0.5英寸（12.7毫米）。记录密度为八个轨道上的每英寸128个字符（每一字符198微米），线性速度为100英寸（2.54 m/s），产生的数据速率为每秒12,800个字符。在八首曲目中，有六个是数据，一个是奇偶校验，一个是时钟或正时轨道。为胶带块之间的空白空间提供津贴，实际传输速率约为每秒7,200个字符。一小卷胶带胶带在金属胶带和读/写头之间提供了分离。

IBM格式

1950年代的IBM计算机使用了类似于音频记录中使用的铁氧化胶带。 IBM的技术很快成为事实上的行业标准。磁带尺寸为0.5英寸（12.7毫米），可移动卷轴的伤口。有不同的胶带长度，有1,200英尺（370 m）和2,400英尺（730 m）的MIL ，而一半的厚度有些标准。在1980年代，使用较薄的宠物膜可用较长的胶带长度，例如3600英尺（1,100 m）。大多数磁带驱动器可以支撑10.5英寸（267毫米）的最大卷轴尺寸。对于较小的数据集（例如软件分布），所谓的迷你元素很常见。这些是7英寸（18厘米）的卷轴，通常没有固定的长度 - 胶带的尺寸适合记录在其上的数据量的量。

CDC使用IBM兼容1⁄2英寸（13毫米）磁带，但也提供了1英寸宽（25毫米）的变体，带有14个曲目（12个数据轨道，与CDC 6000系列的12位单词相对应CDC 626驱动器中的外围处理器，以及2个奇偶校验。

早期的IBM磁带驱动器，例如IBM 727和IBM 729 ，是机械精致的落地驱动器，使用真空柱用于缓冲磁带的长U形环路。在功能强大的卷盘电动机的伺服控制，低质量的Capstan驱动器以及真空柱的低摩擦和受控张力之间，可以在磁带到头接口处的​​磁带快速启动和停止。可以快速加速，因为真空柱中的胶带质量很小。圆柱缓冲的胶带长度提供了加速高惯性卷轴的时间。当活跃时，两个胶带卷轴因此将胶带从真空柱中喂入或从真空柱中拉出，间歇性地以快速，非同步的突发旋转，从而产生了视觉上惊人的动作。具有讽刺意味的是，在电影和电视中代表计算机，这种真空柱驱动器的股票拍摄被讽刺地代表计算机。

磁带长度沿着磁带长度有七个平行的数据轨道，允许6位字符以及整个磁带上写的1位奇偶校验。这被称为7轨胶带。随着IBM System/360大型机的引入，引入了9轨磁带，以支持其使用的新的8位字符。文件的末端由称为磁带标记的特殊记录的图案指定，并通过两个连续的磁带标记在磁带上记录的数据的末端。可用胶带的物理起点和末端是通过放置在背面的铝箔的反射粘合条来指示的。

记录密度随时间增加。普通的7轨密度从每英寸（CPI）200个字符开始，然后是556，最后800个。 9轨磁带的密度为800（使用NRZI ），然后是1600（使用PE ），最后是6250（使用GCR ）。这可以转化为每标准长度（2,400英尺，730 m）胶带的大约5兆字节至140兆字节。随着7轨胶带卷轴上的3⁄4英寸（19毫米）的标称，在6250 bpi 9轨道胶带上从7 ⁄4英寸（19.6毫米）上的标称4英寸（19毫米）下降，有效密度也会增加。 。

至少部分是由于系统/360的成功，以及在8位角色代码和字节上的结果标准化，在1970年代和1980年代，整个计算机行业都非常广泛使用9轨磁带。 IBM停止了新的卷卷到卷饼产品，从1984年介绍基于墨盒的3480家族的基于墨盒的产品。

DEC格式

Linctape及其衍生物Dectape是此“圆胶带”的变体。它们本质上是一种个人存储介质，使用的胶带为0.75英寸（19毫米），并具有固定格式的轨道，与标准胶带不同，它使得可以重复读取和重写块可行。 Lincapes和Dectapes的容量和数据传输速率与流离失所的磁盘具有相似的能力和数据传输速率，但是它们的访问时间为30秒至一分钟。

墨盒和盒式盒子

在磁带的背景下，术语盒式或墨盒是指带有一个或两个卷轴的塑料外壳中的磁带长度，用于控制胶带的运动。包装的类型会影响负载和卸载时间以及可以持有的胶带的长度。在单盘弹药筒中，驱动器中有一个装饰卷轴，而双卷轴墨盒在弹药筒中既有装饰和供应卷轴。磁带驱动器使用一个或多个控制的电动机将胶带从一个卷轴缠绕到另一个卷轴，并像这样传递读/写头。

无尽的胶带弹药筒是另一种类型，它在特殊的卷轴上有连续的胶带缠绕，允许胶带从卷轴的中心撤回，然后包裹在边缘，因此无需倒带即可重复。这种类型类似於单卷盒，因为磁带驱动器内部没有带卷轴。

1961年推出的IBM 7340 Hypertape Drive使用了一个双卷轴盒，其磁带板宽1英寸（2.5厘米），每个录音带可容纳200万个六位字符。

在1970年代和1980年代，音频紧凑型录音带经常用作家庭计算机的廉价数据存储系统，或者在某些情况下用于诊断或引导代码的较大系统（例如Burroughs b1700） 。紧凑型盒在逻辑上是逻辑上是顺序的。它们必须从一开始到加载数据。在个人计算机具有负担得起的磁盘驱动器之前，早期可以用作随机访问设备，并可以自动绕过和定位磁带，尽管访问时间为许多秒。

1984年，IBM推出了3480个单卷筒和磁带驱动器家族，然后至少在2004年由许多供应商制造，最初每盒每盒200兆字节提供200兆字节，随着时间的推移，家庭容量增加到了2.4千兆内的cartridge。 DLT （数字线性磁带）也是基于墨盒的磁带，从1984年开始可用，但截至2007年，未来的开发被停止了LTO。

2003年，IBM推出了3592家族，以取代IBM 3590 。虽然名称相似，但3590和3592之间没有兼容性。就像3590和3480之前一样，此磁带格式具有1⁄2英寸（13毫米）胶带，将胶带移至单个卷轴盒中。最初引入的支持300 GB，2018年发行的第六代人支持20吨的本地容量。

线性磁带（LTO）单卷墨盒于1997年以100千兆字节宣布，其第八代宣布，在同一大小的墨盒中支持12个Terabytes。截至2019年，LTO已在计算机应用程序中完全取代了所有其他磁带技术，除了一些高端IBM 3592家族外。

技术细节

线性密度

每英寸字节（ BPI ）是将数据存储在磁介质上的密度的度量。 BPI一词可以参考每英寸钻头，但通常是指每英寸字节。

当特定格式的轨道通过字节组织（如九轨磁带中）时，BPI一词可能意味着每英寸字节每英寸。

胶带宽度

介质的宽度是磁带技术的主要分类标准。一半英寸（13毫米）历史上一直是用于高容量数据存储的磁带最常见的宽度。存在许多其他尺寸，并且大多数尺寸都具有较小的包装或更高的容量。

记录方法

录制方法也是对磁带技术进行分类的重要方法，通常分为两类：线性和扫描。

线性

线性方法将数据安排在跨越胶带长度的长期平行轨道中。多个胶带头同时在单个介质上编写平行胶带轨道。该方法用于早期磁带驱动器。这是最简单的记录方法，但也具有最低的数据密度。

线性蛇形录制的线性技术变化是，它使用的轨道比胶带头更多。每个头仍然一次写一条曲目。通过整个磁带的整个长度，所有头部都略微移动，并在反向方向上再进行另一个通过，并编写了另一组轨道。重复此过程，直到读取或编写所有曲目为止。通过使用线性蛇纹石方法，磁带介质比读/写头可以具有更多的曲目。与简单的线性记录相比，使用相同的磁带长度和相同数量的头部，数据存储容量要高得多。

扫描

扫描记录方法在磁带介质的宽度上，而不是沿着长度上编写简短的轨道。胶带头放在鼓或磁盘上，该鼓或磁盘迅速旋转，而相对缓慢的胶带则将其传递。

一种比流行线性方法更高的数据速率的早期方法是横向扫描。在这种方法中，将带有胶带头嵌入外边缘的胶带头的旋转盘垂直于胶带路径。此方法用于AMPEX的DCRSI仪器数据记录仪和旧的Ampex四倍体录像带系统中。另一种早期方法是弧形扫描。在这种方法中，头部位于旋转磁盘上，该磁盘贴在胶带上。胶带头的路径形成弧。

螺旋扫描记录以对角线的方式写了简短的曲目。几乎所有当前的录像带系统和几种数据磁带格式都使用了此方法。

块布局和速度匹配

以典型的格式，将数据写入磁带中，它们之间的块间隙间隔间隔间隔为块，每个块都以单个操作写入，在写入过程中，磁带连续运行。但是，由于编写数据或读取到磁带驱动器的速率随着磁带驱动器而变化由它的主人。

已经单独使用了各种方法，并结合使用以应对这种差异。如果主机无法跟上磁带驱动器的传输速率，则可以停止磁带驱动器，备份并重新启动（称为鞋子闪闪发光）。大型内存缓冲区可用于排队数据。过去，主机块大小影响了磁带上的数据密度，但是在现代驱动器上，数据通常被组织成固定尺寸的块，这些块可能会被压缩或可能不会被压缩或加密，并且宿主块大小不再影响磁带上的数据密度。现代磁带驱动器提供了速度匹配功能，该功能可以根据需要动态降低物理磁带速度，以避免鞋子闪烁。

过去，块间间隙的大小是恒定的，而数据块的大小基于主机块大小，影响磁带容量，例如，在计数键数据存储上。在大多数现代驱动器上，情况不再如此。线性磁带开路类型驱动器使用固定尺寸的磁带（固定块架构），独立于主机块大小，并且间间隙间隙是可变的，可以在写入过程中协助速度匹配。

在压缩的驱动器上，数据的可压缩性将影响容量。

顺序访问数据

磁带的特征是对数据的顺序访问。尽管磁带可以提供快速的数据传输，但加载盒式磁带并将磁带头放置在选定的数据中需要数十秒钟。相比之下，硬盘技术可以在数十毫秒（快3个数量级）中执行等效的动作，并且可以将其视为可以随机访问数据。

文件系统需要数据和元数据存储在数据存储介质上。像基于磁盘的文件系统一样，将元数据存储在一个地方，而在另一个地方将元数据存储在另一个位置，则需要重新定位活动。结果，大多数磁带系统都使用简化的文件系统，其中文件是按数字解决的，而不是通过文件名来解决的。元数据（例如文件名或修改时间）通常根本不存储。磁带标签存储了这种元数据，它们用于互换系统之间的数据。已经创建了文件归档器和备份工具将多个文件以及相关元数据包装到一个磁带文件中。 Serpentine Tape驱动器（例如， QIC ）通过切换到适当的轨道提供了改善的访问时间；磁带分区用于目录信息。线性磁带文件系统是将文件元数据存储在磁带的单独部分上的一种方法。这使得可以将文件或目录复制到磁带上，就好像是磁盘一样，但不会改变磁带的基本顺序访问性质。

访问时间

磁带的随机访问时间很长，因为甲板必须平均磁带长度从一个任意位置移到另一个磁带长度。磁带系统试图减轻使用索引的内在长延迟，其中维护单独的查找表（磁带目录），从而为给定数据块编号提供物理磁带位置（serpentine驱动器的必不可少），或通过标记具有带有的块高速缠绕胶带时可以检测到的胶带标记。

数据压缩

现在，大多数磁带驱动器都包含某种无损数据压缩。有几种算法可提供相似的结果： LZW （广泛支持），IDRC（Exabyte），ALDC（IBM，QIC）和DLZ1（DLT）。这些嵌入在磁带驱动器硬件中，一次压缩一个相对较小的数据缓冲区，因此即使是高度冗余的数据也无法达到极高的压缩。 2：1的比率是典型的，一些供应商声称2.6：1或3：1。实际获得的比率取决于数据的性质，因此在指定设备能力时，不能依赖压缩比，例如，声称压缩能力为500 GB的驱动器可能不足以备份500 GB的实际数据。已经有效存储的数据可能不允许任何明显的压缩，并且稀疏数据库可能会提供更大的因素。软件压缩可以通过稀疏的数据获得更好的结果，但是使用主机计算机的处理器，如果主机计算机无法像编写数据一样快速压缩，则可以减慢备份。

低端产品中使用的压缩算法并非最佳有效，并且可以通过关闭硬件压缩和使用软件压缩（以及根据需要加密）获得更好的结果。

纯文本，原始图像和数据库文件（ TXT ， ASCII ， BMP ， DBF等）通常比存储在计算机系统上的其他类型的数据要好得多。相比之下，如果应用数据压缩，通常会增加大小的加密数据和预压缩数据（ PGP ， ZIP ， JPEG ， MPEG ， MP3等）。在某些情况下，此数据扩展可能高达15％。

加密

存在标准来加密磁带。使用加密，以便即使胶带被盗，小偷也无法使用磁带上的数据。关键管理对于维持安全至关重要。如果在加密之前完成压缩，则更有效，因为由于引入了加密数据，因此无法有效地压缩加密数据。一些企业磁带驱动器包括可以快速加密数据的硬件。

墨盒记忆和自我识别

一些磁带墨盒，尤其是LTO墨盒，内置了较小的相关数据存储芯片，以记录有关磁带的元数据，例如编码类型，存储，日期和其他信息的大小。磁带墨盒在标签上具有条形码以协助自动磁带库也很常见。

可行性

磁带在现代数据中心仍然可行，因为：

1. 它是存储大量数据的最低成本介质；
2. 作为可移动介质，它允许创建可以防止数据被黑客入​​侵，加密或删除的气隙的气隙；
3. 它的寿命允许扩展数据保留，这可能是监管机构可能需要的。

胶带可以支持云存储的最低成本层。

高密度磁介质

2002年， Imation获得了美国国家标准与技术研究院的1,190万美元赠款，用于研究磁带的数据能力。

2014年，索尼和IBM宣布，他们能够通过使用新的真空薄膜形成的新型磁带媒体来录制每平方英寸的148千兆g，能够形成极高的晶体颗粒，这是一种磁带存储技术，具有最高的磁性磁性胶带数据密度为148 Gbit/in²（23 Gbit/cm²），可能允许胶带容量为185 tb。索尼进一步开发了2017年的公告，报告的数据密度为201 GBIT/IN²（31 GBIT/CM²），标准压缩胶带容量为330 TB。

2014年5月，富士夫妇跟随索尼，并宣布将与IBM结合使用154 TB胶带弹药筒，该磁带的数据存储密度为85.9 GBIT/英寸/英寸（133亿位每CMPITS），在线性磁性颗粒胶带上。 Fujifilm开发的技术（称为纳米尺寸）减少了BAFE磁带的颗粒体积，同时增加了胶带的平滑度，从而在读取过程中增加了信号与噪声比，同时启用高频响应。

2020年12月， Fujifilm和IBM宣布了技术，该技术可能会导致磁带盒，其容量为580吨的磁带，并使用肾横纹铁氧管作为录音介质。

胶带格式的时间顺序清单

也可以看看

• 计算机数据存储
• 数据扩散
• 信息存储库
• 线性胶带开放
• 磁性存储
• 胶带驱动器
• 胶带标记