Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время наблюдается стремительное развитие технологий систем хранения данных, выбор которой в значительной степени зависит от размеров информационной сети и от необходимой оперативности доступа к файлам. Для резервного копирования файлов из локальных сетей обычно используются стриммеры, представляющие собой высокоинформативные накопители информации на ленточных носителях.
В иерархии массовой памяти - оперативной (on-line), почти оперативной (near on-line), автономной (off-line), удаленной (off-line) - практически везде можно найти магнитные ленты, и только оперативный режим работы оставлен за жесткими дисками. Для хранения информации диски вполне пригодны лишь в некоторых случаях кратковременных отказов, но абсолютно не приспособлены для восстановления данных при катастрофах: крайне неэкономично и непрактично сберегать в сейфе несколько поколений копий на жестких дисках. Напротив, с помощью давно проверенных методов данные можно эффективно и недорого хранить на магнитной ленте. Во-первых, сменные ленты занимают мало места и очень просто перезаписываются. Во-вторых, они обеспечивают достаточно высокую скорость передачи при создании резервных копий и восстановлении утерянных данных. В последнее же время благодаря технологическим достижениям отмечается значительный рост емкостей и скоростей. Уже сейчас имеются ленточные кассеты, способные вместить от 100 до 300 Гбайт, тем временем ведется разработка кассет еще большей емкости. А эффективные программные инструменты позволяют оптимизировать хранение данных.
Тенденция развития идет в направлении больших централизованных ленточных библиотек с автоматической загрузкой кассет. Поэтому администраторы теперь не используют носители с маленькой емкостью локально на каждом отдельном сервере. Количество необходимых для работы накопителей непрерывно падает. Однако объем подлежащих хранению данных растет параллельно с сохраняемым на дисках.
Технологическое разнообразие ленточных устройств настолько велико, что представить в рамках настоящей работы весь спектр применяемых решений не представляется возможным. И все же пока в качестве критерия для классификации можно выбрать ширину ленты. Этот параметр можно сравнить с объемом цилиндров в двигателе при оценке класса автомобиля. По каким-то отдельным параметрам устройства младшего класса могут превосходить более дорогие старшие, но в целом они обладают набором качеств, определяющих их принадлежность к определенному классу. Малый класс - ленты широтой 4 миллиметра, средний - 8-миллиметровые ленты, старший - полудюймовые ленты. Отдельное место занимают элитные продукты класса high-end - IBM 3480/3490, Storage Tec 9840, DTF и Ampex.
Однако на технологии, используемые при создании ленточных накопителей, оказывают влияние несколько обстоятельств. Во-первых, лента - это, по всей видимости, самое механическое, если так можно сказать, устройство из всей компьютерной периферии. Поэтому создателем новых устройств прихо-
дится решать целый ряд специфическ|хяіФ*ПШИвімав*вА*фго свойства. Им
rsfcffij
нужно выбрать оптимальную ширину ленты и метод размещения записи на ленте, обеспечить максимальную динамику движения и минимальное число перегибов при перематывании. Вторая проблема - собственно способ записи на ленту и метод считывания информации, в том числе и компрессии данных. Но самое главное заключается в том, чтобы найти оптимальное сочетание, обеспечивающее наиболее быстрый доступ к данным, высокую пропускную способность канала передачи и надежность хранения. В поисках оптимума каждый из производителей избирает собственное направление.
Любое из вышеперечисленных устройств хранения данных структурно включает динамические системы записи-чтения и механической развертки носителя информации. Последняя представляет из себя МТЛ, идентифицирующийся сложной многомерной колебательной системой, функционирующей в условиях воздействия на нее случайных возмущений.
Главной задачей при конструировании стриммеров является обеспечение высокой динамической точности МТЛ, поскольку именно он в большей мере, чем система записи-чтения информации, влияет на точность и качество отображения информации.
Объектом исследования являются сети хранения данных, устройства резервного копирования и хранения информации; инфокоммуникационные системы; механизм транспортирования ленты (МТЛ); диагностический комплекс информационно-измерительных средств для контроля динамической точности отображения информации; магнитная лента (МЛ).
Предметом исследования разработка технических средств для измерения перекоса, деформации, колебаний и неравномерности скорости движения ленты; математическая модель работы МТЛ со случайными помехами, погрешности записи и записи-воспроизведения, параметрическая надежность МТЛ, его инвариантность к дестабилизирующим факторам, система стабилизации скорости движения МЛ с цифровым регулятором, идентификация объекта управления, задача о плоском напряженном состоянии МЛ.
Цель работы - разработка и научное обоснование технических и методических решений, направленных на повышение динамической точности функ-циионирования устройств резервного копирования информации на магнитную ленту путем исследования инвариантности влияния дестабилизирующих их работу параметров на их параметрическую надежность и создание аппаратно-программных средств подсистемы встроенного контроля точности, внедрение которых позволит существенно уменьшить погрешности записи-чтения информации и повысить ее достоверность в сетях хранения данных инфокоммуника-ционных систем.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
провести анализ функциональных схем перспективных ленточных устройств хранения информации различного типа; выявить особенности конструирования МТЛ этих устройств;
определить условия инвариантности МТЛ стриммеров по отношению к возмущающим факторам для поддержания заданных точностных характеристик информационной части записываемого сигнала;
- разработать систему стабилизации скорости движения магнитной ленты
с цифровым регулятором минимальной дисперсии путем идентификации объ
екта регулирования и синтеза самого регулятора;
провести анализ потерь погрешностей записи и записи-чтения в случае, когда на стриммер действуют случайные помехи, которые являются количественной характеристикой суммарного влияния возмущений, возникающих во всех узлах и блоках стриммера;
вывести аналитические выражения для среднего и дисперсии установленных погрешностей; получить достаточно точные и удобные для применения оценки сверху для вероятности, что погрешности регистрации превысят заданный уровень, поскольку точный подсчет функций распределения погрешностей обычно невозможен;
построить математическую модель тракта МТЛ, описывающую влияние неравномерности скорости протягивания ленты в стриммерах на динамику ее перекосов с учетом ее проскальзывания в зоне записи-чтения информации;
- исследовать параметры движения ленточного носителя цифровой ин
формации, формулирование метрологических требований к устройствам записи-
чтения, измерение колебаний, неравномерности скорости движения, деформации
и перекоса движущегося ленточного носителя в стриммерных устройствах;
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования.
Структурные схемы измерительных средств созданы с учетом теоретических основ информатики и микропроцессорных вычислительных средств. При проектировании технических средств контроля и диагностики стриммеров, получении оценок погрешностей записи-чтения сигналов использовались теоретические основы радиоэлектроники, теория точной магнитной записи и теоретические основы вычислительной техники. Аналитические исследования динамики тракта МТЛ осуществлялись на основе теории машин и механизмов, теории колебаний и динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры. При решении задачи о плоском напряженном состоянии МЛ использовались методы, основанных на разложениях по системам ортогональных функций.
Для изучения свойств записи-чтения информации применялись методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных функций. Теоретические исследования базируются на основах теории колебаний, математического моделирования дискретно-контитуальных систем МТЛ, корреляционной теории стационарных случайных процессов.
Разработка информационно-измерительных средств МТЛ проводилась на основе теории измерения электрических и механических величин. Оценка погрешностей измерений основана на теории точности измерительных систем.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждены результатами системного анализа динамики прецизионных МТЛ. Разработанный автором комплекс контрольно-измерительной аппаратуры обеспечивает возможность одновременного измерения нескольких параметров движения ленточного носителя, при этом устраняя влияние одного параметра на точность измерения другого, что обеспечило повышение его точности, быстро-
действия и разрешающей способности по сравнению с существующими.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений динамических характеристик тракта МТЛ, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов, а также проведенным вычислительным экспериментом.
На защиту выносятся результаты исследований по разработке эффективных технических решений, направленных на повышение надежности и динамической точности записи-чтения информации в стриммерах, в том числе:
анализ условий инвариантности МТЛ стриммеров по отношению к паразитным колебаниям для поддержания заданных точностных характеристик информационной части регистрируемого сигнала;
установление адекватности транспортирующих механизмов стриммеров динамическим системам, относительно которых могут быть выполнены условия инвариантных множеств;
рассмотрение системы стабилизации скорости движения магнитной ленты с цифровым регулятором минимальной дисперсии;
построение математической модели работы стриммеров со случайными помехами, представляющими собой двумерный случайный процесс, в частности, определение погрешности записи и записи-чтения;
- формулирование на математическом языке достаточных условий на
случайные помехи, при которых возможно удовлетворительно описать вероят
ностные свойства погрешностей записи и записи-чтения;
- оценка параметрической надежности цифровых систем при их инвариант
ности как вероятность правильного воспроизведения символов в кодовой после
довательности, характеризующая достоверность консервируемой информации;
установление инвариантности к помехам по допустимой вероятности ошибки чтения-записи, при условии рассмотрении МТЛ стриммеров как аналог или даже составную часть канала передачи информации;
оценивание помехоустойчивости работы стриммеров как многомерной функцией помех, вызванных рядом паразитных колебаний носителя в тракте МТЛ (динамическими перекосами, продольными и плоско-параллельными, крутильными колебаниями и др.);
рассмотрение колебаний (сигналов), зависящих от фактора времени в стримерах как инвариантные множества, поскольку МТЛ является динамической системой;
компьютеризированная информационно-измерительная система для диагностики динамической точности МТЛ стриммерных устройств, позволяющая повысить точность измерений различных параметров движения ленты на 7-25%;
- суть функционирования контрольно-измерительных средств, заклю
чающийся в предварительной записи на носитель контрольных сигналограмм,
необходимых для каждого типа измеряемых параметров вида, считывании этой
сигналограммы, формировании импульсов, модулированных по амплитуде,
длительности, частоте и скважности, последующей их демодуляция, определе
ние значений модулирующих зависимостей в определенные моменты времени
и расчет параметров движения ленты по наперед выведенным формулам на основании определенных значений модулирующих зависимостей;
получение решения двумерной граничной задачи колебания магнитной ленты без учета ее массы с учетом скорости протягивания магнитной ленты и ее проскальзывания при входе на свободный участок;
описание принципов, на основе которых созданные устройства обеспечивают возможность одновременного измерения нескольких параметров движения ленты, при которой устранено влияние одних параметров на точность измерения других;
способы измерения продольной и поперечной деформации, устройства для определения динамической деформации ленты как функции ее ширины; устройство, обладающее высокой точностью измерения скорости движения ленты за счет учета ее поперечных перемещений; информационно-измерительные средства для определения перекоса, деформации и скорости движения ленточного носителя за один цикл измерения, позволяющие учитывать влияние одних параметров на точность измерения других;
Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых, исследованы различные аспекты обеспечения надежности стриммеров, в первую очередь, параметрической надежности, разработана система стабилизации скорости движения магнитной ленты с цифровым регулятором минимальной дисперсии и предложены методы идентификации объекта и синтеза регулятора, построена математическая модель работы стриммера со случайными помехами и создан компьютеризированный комплекс контрольно-измерительных средств обладающий большими точностью, быстродействием и разрешающей способностью по сравнению с существующими, в ходе которых:
показана принципиальная возможность синтеза МТЛ с оператором, характеризующем условия инвариантности к помехам. Одновременно показана адекватность МТЛ стримеров динамическим системам, относительно которых могут быть выполнены условия инвариантных множеств;
предложены методы идентификации объекта и синтеза регулятора, которые в результате экспериментальных исследований показали, что исследуемая цифровая система стабилизации позволяет в 3-4 раза уменьшить дисперсию колебаний скорости;
установлены формулы для среднего и дисперсии погрешностей записи и записи-чтения; для среднего через дисперсии помех, а для дисперсии погрешностей через корреляционную функцию и спектральную плотность помех; для дисперсии погрешностей установлены оценки сверху через дисперсии и времена перемешивания помех. Исследована асимптотика дисперсии погрешностей при неограниченно возрастающем времени записи;
получены оценки вероятностей погрешности записи информации, удобные тем, что в правые части неравенства вместо дисперсий и времен перемешивания помех можно подставлять их оценки сверху, что существенно расширяет возможности применения установленных оценок;
при исследовании динамики МТЛ показано, что возмущения регистрируемого сигнала вследствие неидеальности тракта движения носителя относительно магнитных головок сосредоточены в сравнительно узкой (по сравнению с записываемым спектром) полосе частот; это обстоятельство позволяет сосредоточенную помеху представить гармоническим колебанием со случайными амплитудой, частотой и фазой;
доказано, что если условие значительного превалирования амплитуды записываемого полезного сигнала над амплитудой помехи, как условие абсолютной инвариантности, не выполняется, то последняя может быть достигнута только в результате усложнения вида полезного сигнала; поэтому в стриммерах целесообразно использовать манипуляцию сигнала по фазе;
показано, что описание конкретных видов МТЛ периодическими функциями возможно при использовании полученных классическими методами АЧХ и ФЧХ. Компоненты таких периодических функций, осуществимых МТЛ, являются парами преобразования Гильберта, позволяющими осуществлять переход от АЧХ к ФЧХ и обратно; в том числе не исключены случаи, когда передаточная функция может быть недостаточно гладкой для интегрирования по Риману, поэтому проводить операции над ней в общем виде можно только при помощи интеграла Лебега;
предложены способы расположения рабочих зазоров магнитных головок, при помощи которых можно проводить измерения рассогласования фронтов импульсов частотно-модулированных сигналов, формируемых устройствами измерения параметров, дестабилизирующих движение ленточного носителя в стримерах;
анализ результатов решение двумерной граничной задачи колебания ленты показал, что при значениях параметров, близких к реальным, разложения решений в ряды Фурье сходятся достаточно быстро, зависимость распределения амплитуд перекосов по ширине МЛ мало отличается от линейной при отсутствии смещений по оси ординат, влияние граничных условий на входе и выходе рассматриваемого участка МЛ не одинаково и совпадает при равной нулю номинальной скорости протягивания МЛ; полученные результаты дают основание для применения к данному типу задач приближенных методов, основанных на разложениях по системам ортогональных функций (проекционные методы);
проанализирована работа предложенных автором работы устройств для измерения угла перекоса и скорости движения ленты, поперечной деформации и перекоса, а также измерения четырех параметров, таких как знака перекоса, угла перекоса, скорости движения и поперечной деформации магнитной ленты.
Практическая ценность. Важным для практики результатом теоретических изысканий автора диссертационной работы является то, что разработка новых форм контрольных сигналов и алгоритмов вычисления параметров движения ленты, позволила создать систему встроенного контроля динамической точности функционирования МТЛ и конструктивно проработать комплекс информационно-измерительных средств для измерений деформаций, перекосов и скорости движения ленточных носителей информации. Отличительными особенностями данных технических решений являются высокая точность и быстродействие за счет воз-
можности измерения нескольких параметров одновременно. Применение разработанных оригинальных технических средств позволяет разработчикам и производителям стриммерных устройств автоматизировать операции регулировки, их наладки и контроля при производстве.
Реализация работы в производственных условиях. Полученные технические и методические решения, направленные на повышение динамической точности функционирования устройств резервного копирования информации на магнитную ленту использованы в Отделах конструкторских бюро ОАО «Ижевский радиозавод» для анализа конструкций МТЛ профессиональной аппаратуры записи/чтения информации, производимых предприятием,
Созданные автором математическое и методическое обеспечение, технические средства и полученные экспериментальные результаты целесообразно использовать на приборостроительных предприятиях для создания высокоточных и многофункциональных аппаратов магнитной записи для создания ленточных библиотек резервирования данных в корпоративных инфокоммуника-ционных системах.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международном Самарском симпозиуме телекоммуникаций (Самара, 1997 - 1999, 2001-2003), 31-33 Научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 1999-2001); VIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика, 2002» (Санкт-Петербург, 2002); International conference «Vibroin-geneering, 2002» (Kaunas, 2002); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2003); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003); 31 международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта - Гурзуф, 2004); V Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2004);
Публикации. Результаты работы отражены в 21 научном труде: 3 статьи в центральной печати, 9 статей в научно-технических журналах и сборниках, 1 депонированная рукопись (объемом 48 страниц) и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 183 с. машинописного текста. В работу включены 37 рис., 7 табл., список литературы из 149 наименований и приложение, в котором представлен акт об использовании результатов работы.
