Технологии накопления и хранения данных. Информационные хранилища. Технологии защиты данных Технологии накопления и хранения данных
Любая социальная деятельность людей построена на создании, передаче, обработке и хранении информации. Большинство электронных информационных ресурсов постоянно пополняется и длительно хранится на различных носителях. Важное значение для данных имеют методы накопления и хранения.
Накопители информации различаются по физической структуре и представляют собой: магнитные, полупроводниковые, диэлектрические и др. носители информации. Вариант классификации носителей информации, используемых в компьютерной технике, представлен на Рис. 7.1.
Рис. 7.1. Классификация носителей информации, используемых в компьютерной технике.
По типу материала выделяют: бумажные, пластмассовые, металлические, комбинированные накопители информации, а по форме представления данных – это печатные, рукописные, магнитные, перфорационные накопители информации.
По принципу считывания данных накопители информации классифицируют как: механические, оптические, магнитные и электрические, а по конструктивному исполнению – это ленточные, дисковые и карточные.
Накопители информации можно классифицировать и по виду хранящихся на них сообщений.
Одной из известных технологий накопления и хранения данных, информации и знаний является использование фотоматериалов и особенно фотографических микроформ. С первой половины XIX века фотоматериалы зарекомендовали себя как надежные накопители информации, способные в специальных условиях долговременно ее сохранять. Фотографическая запись позволяет формировать коллекции микроизображений документов в виде микрофильмов и микрофишей, т.е. микроформ. Эта технология поучила название микрофильмирование.
Под микрофильмированием понимается совокупность процессов изготовления, хранения, накопления и использования носителей микроизображений информации. Первые микрофильмы появились в 1920–1930-х гг.
Микроизображением считается изображение, которое можно прочитать только при помощи оптических средств при увеличении до 40 крат (40x).
Изображение обычной страницы документа формата А4 в микроформе может занимать площадь менее 1 см кв. Микроформы служат защитной копией подлинника. По виду изображения микроформы являются негативными или позитивными. Поиск нужного изображения производится пользователем с помощью читального аппарата (экран, соединенный с увеличителем).
Для накопления электронных информационных ресурсов (ЭИР) широко используются программно-технические средства записи (записи, дозаписи, обновления, «горячей» замены) и долговременного хранения различных видов машиночитаемой информации на внешних носителях информации (магнитных лентах, ZIP, CD-, DVD-, сменных жестких дисках, устройствах твердотельной памяти и др.).
Такое деление условно. Так, например, с помощью специальных устройств на компьютерах можно работать с обычными аудио и видеокассетами, а устройства для записи и долговременного хранения данных (стримеры) используют общеизвестные магнитные носители (магнитные ленты) и т.п.
Традиционно в компьютерных технологиях использую накопители с технологией магнитной записи/считывания данных на магнитной ленте – стримеры (англ. «streaming type»), позволяющие записывать на одну кассету от десятков Мб до сотен Гб. Ленточные библиотеки или библиотеки на магнитных лентах предназначены для автоматизированного накопления данных. Основным недостатком их является последовательный (медленный) доступ к данным и относительно невысокая надежность носителя. В современных системах предлагается использовать технологию создания виртуальных ленточных библиотек, эмулирующих операции с лентой в дисковых массивах. Такая технология при незначительных дополнительных вложениях позволяет повысить производительность и надежность служб защиты данных.
Наибольшую популярность до сих пор сохраняют диски. Дисковые накопители представляют гибкие и жесткие, сменные и несменные, магнитные, магнитооптические и оптические диски и дискеты.
Магнитный диск (дискета) – это носитель информации в виде алюминиевого или пластмассового диска, покрытого магнитным слоем. Информация фиксируется посредством магнитной записи. Магнитные диски делятся на: гибкие и жесткие, сменные (переносные) и несменные.
Гибкие магнитные диски (дискеты) предназначены для временного хранения информации и переноса ее на другие компьютеры. В настоящее время почти не используются.
Жесткие магнитные диски предназначены для накопления и постоянного хранения информации, часто используемой в работе и представляют пакет жестко скрепленных между собой нескольких дисков, размещенных в герметическом корпусе.
ZIP-накопители представляют сменные магнитные или магнитооптические диски размером с 3,5” дискету, имеющие высокую плотность записи и быстродействие до 7 Мб/с. Первые обеспечивают длительность хранения данных до 5 лет. Последние обладают повышенной надежностью хранения данных и длительностью до 30 лет без перезаписи.
Магнитооптические диски (МО) появились в 1988 г. Такой диск заключен в пластиковый конверт (картридж) и является устройством произвольного доступа. Запись данных в них осуществляется лазером в магнитном слое. Под воздействием температуры в месте нагрева в магнитном слое уменьшается сопротивляемость изменению полярности, и магнитное поле изменяет полярность в нагретой точке на соответствующую двоичной единице. По окончании нагрева сопротивляемость увеличивается, но установленная полярность сохраняется. Стирание создает в магнитном поле одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. При этом лазерный луч последовательно нагревает стираемый участок. Считывание записанных данных в слое производится лазером с меньшей интенсивностью, не приводящей к нагреву считываемого участка. При этом, в отличие от компакт-дисков, поверхность диска не деформируется. Они выдерживают огромное число циклов перезаписи (10 млн.), не чувствительны к внешним магнитным полям и радиации, гарантируют сохранность записанной информации в течение 50 лет.
Современные подобные накопители обычно являются внешними периферийными переносными устройствами, оснащенными USB интерфейсом и возможностью записи, дозаписи, перезаписи и стирания данных. Они могли бы найти широкое использование, особенно с точки зрения защиты информации, если бы не высокая их стоимость.
Оптические накопители Первыми из них появились компактные лазерные диски. Стандартная емкость такого компактного диска (CD) диаметром 120 мм составляет 700 Мб (80 мин).
CD накопители делятся на диски: только для чтения (англ. «Compact Disk–Read Only Memory» CD-ROM) с предварительно (заводским методом) записанной на него информацией; для однократной записи англ. « (Compact Disk Recordable», CD-R) и многократной перезаписи (англ. «Compact Disk ReWritable», CD-RW).
Цифровой универсальный диск (англ. «Digital Versatile Disc», DVD) применяется для накопления видеоизображений и больших объемов любой компьютерной информации. Как и CD, DVD делятся на диски: только для чтения, однократной записи и многократной перезаписи. В них используется луч красного спектра с длинами волн 650 нм и 535 нм (в зависимости от толщины диска).
Двухсторонний DVD представляет два склеенных нерабочими поверхностями диска толщиной 0,6 мм каждый. Емкость одностороннего однослойного диска – 4,7 Гб (133 мин. видео), одностороннего двухслойного диска 8,5 Гб (240 мин. видео), двухстороннего однослойного диска 9,4 Гб (266 мин. видео), а двухстороннего двухслойного диска 17 Гб (481 мин. видео).
Дальнейшим развитием этой технологии явился выпуск компакт-дисков с меньшей длиной волны (голубой лазер, англ. «blue-violet laser») – 405 нанометров, получивших название «Blu-Ray Disc». Это перезаписываемые диски диаметром 12 см с максимальной емкостью записи на один слой и одну сторону до 27 Гб и общей емкостью до 100 Гб.
Другое устройство, использующее лазер с меньшей, чем DVD длиной волны (голубой или синий лазер) – FMD (англ. «Fluorescent Multilayer Disk») – значительно превосходит DVD. На стандартном диске диаметром 12 см могут вмещать более 100 Гб данных. Его толщина по вертикали условно разделена на несколько слоев (англ. «layers»), аналогично секторам и дорожкам магнитных дисков. Внешне это прозрачные диски, материал которых не отражает (как в CD и DVD), а излучает записанные данные.
В устройствах FMD используется синий лазер с длиной волны 480 нм. Запись в них основана на использовании явления фотохромизма – это свойства ряда веществ под действием активирующего излучения обратимо переходить из одного состояния в другое. При этом изменяются физические свойства этих веществ (цвет, флюоресцентность и др.). Стирание данных (исчезновение свойства флюоресценции) производится под действием лазера с другой длиной волны. Для этого выбирается уникальная частота стирания, т.е. не встречающаяся в повседневной жизни.
Для накопления и хранения огромных массивов данных в локальной, глобальной и иных компьютерных информационных сетях их размещают в накопителях, расположенных на серверах. Поскольку эти массивы постоянно растут, то на одном сервере стало не хватать емкостей обычных накопителей на жестких магнитных дисках (HDD).
Решение проблемы было найдено в сохдании информационных хранилищ - применении «батареи» жестких и/или библиотеки оптических дисков и др.
Первые, создаваемые с этой целью, накопители разработаны в 1987 г. в США (Калифорнийский университет) и получили название RAID (англ. «Redundant Array of Inexpensive Disks», в некоторых редакциях «Redundant Arrays of Independent Disks» – избыточный массив независимых дисков).
RAID-система представляет «этажерку» жестких магнитных дисков (несколько физических дисков, объединенных в одно устройство), управляемых специализированным контроллером, рассматривающим их как единый логический накопитель информации. В результате обычно пользователи воспринимают RAID-систему как один логический диск. При записи информации происходит ее дублирование и одновременное сохранение на нескольких дисках, поэтому выход из строя одного из дисков не приводит к потере данных. Такое решение позволяет распределять основные и системные данные между несколькими накопителями (дисками), в том числе дублировать данные – часть его резервируется для обеспечения восстановления данных в случае неисправности дискового массива.
Библиотеки оптических дисков – «Роботизированные библиотеки» (CD и DVD-библиотеки, Jukebox или чейнджеры). Они представляют собой внешний дисковый массив хранения информации. Их можно подключить к корпоративному серверу и, тем самым, увеличить объем дисковой памяти, доступной пользователям в режиме онлайн. К одному или нескольким серверам можно подключить несколько дисковых систем или массивов. Существует информационное хранилище, включающее десятки таких библиотек. Вся такая библиотека представляет единую структуру или том, а каждый диск – отдельный каталог в томе.
Подобные технологии позволяют не только повысить устойчивость системы к различным сбоям, но и, моментально переключившись на другую часть массива, поддерживать постоянную работоспособность системы, что наиболее часто используется в работе серверов.
К твердотельным накопителям относят голографические накопители, флеш-память и др. Основной проблемой широкого внедрения таких накопителей является отсутствие уверенности у пользователей (да и у их создателей), что подобные устройства позволят долговременно хранить и сохранять записанные на них ЭИР.
Голограмма – это пластина, с кристаллами ниобата лития или фотополимерная пленка. Голографическая память, в отличие от технологии компакт-дисков, представляет весь объем запоминающей среды носителя, при этом элементы данных накапливаются и считываются параллельно. Она позволяет разместить 1 Тб (триллион байт) в кристалле размером с кубик сахара, то есть информацию объемом более 1000 компакт-дисков. Современные голографические устройства хранения получили название HDSS (англ. «holographic data storage system»).
Технология флэш-памяти (флеш-памяти) появилась в 1988 г. Накопитель, использующий такую технологию, представляет собой микросхему с электронной энергонезависимой памятью, способную хранить записанную информацию в течение неограниченного времени и сохранять свое состояние до подачи на выводы электрического сигнала иной полярности.
В накопителях на флэш-памяти выделяют два типа: NOR и NAND. Микросхемы NOR хорошо работают совместно ОП RAM, поэтому чаще используются для BIOS. С середины 1990-х годов появляются NAND микросхемы в виде твердотельных дисков (SSD).
С точки зрения времени доступа у SDRAM оно составляет 10–50 мкс, у флэш-памяти – 50–100 мкс, а у жестких дисков – 5000–10000 мкс.
Флэш-память может заменить любой из перечисленных накопителей. Разновидности подобных накопителей минимального размера используются в мобильных телефонах, КПК, цифровых камерах и т.п. Основным недостатком таких устройств является более низкая скорость их работы.
Существуют мобильные накопители (мобильные устройства хранения данных – англ. «Mobile Data Storage Products») и индивидуальные хранилища данных. Традиционно ранее к последним обычно относили коллекции файлов на дискетах. Ныне эти ненадежные и малоемкие носители в данном качестве практически не применяются. Наиболее часто вместо них используют компакт-диски типа CD и DVD, а также твердотельную память. Последняя еще называется «карманным накопителем». При тех же размерах и весе, она отличается от обычных USB-устройств с флеш-памятью возможностью сохранять профили данных и на их основе синхронизовать всю хранящуюся в этих устройствах информацию. Таким образом можно сохранять и переносить на любой совместимый компьютер не только собственно данные, но и всю среду их обработки. Подобные устройства обладают парольной защитой и программным инструментарием, препятствующим несанкционированному доступу к хранящимся в них данным. В этом случае данные устройства становятся индивидуальными переносными хранилищами информации – устройствами, заменяющими жесткие диски и позволяющими не только эффективно хранить и сохранять свои данные, но защищать их от несанкционированного использования любыми пользователями.
К накопителям информации предъявляются разные требования по их эксплуатации и хранению (климатические, санитарно-гигиенические, противопожарные, технические, технологические и др.).
Одним из способов оптимизации методов накопления является создание корпоративных накопителей (хранилищ) данных и организация нескольких (зеркальных) серверов , хранящих совершенно одинаковые программы и данные, что позволяет не только сохранять информацию, но и обеспечивать бесперебойную работу пользователей с интересующими их данными.
К техническим устройствам, обеспечивающим корпоративные накопители информации, данных и знаний относят RAID-системы (массивы), «роботизированные библиотеки» и др.
Другим вариантом является создание в сети распределенных баз данных, доступ к которым может быть обеспечен с любых компьютеров сети. Удобство его использования объясняется и теми факторами, что, во-первых, при обращении пользователя к необходимой ему информации не требуется соединяться с общим сервером, а можно обращаться непосредственно к тому компьютеру сети, на котором располагается информация. Во-вторых, именно на таком компьтере информация первична, наиболее часто обновляема (актуализируема) и достоверна.
