常見檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體介紹及特性比較
常見檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體介紹及特性比較
編者按：蘭臺(tái)粉絲經(jīng)常留言討論移動(dòng)硬盤、U盤、光盤、膠片等檔案數(shù)據(jù)載體的使用情況，這些常見的檔案數(shù)據(jù)載體有哪些特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)?一起來學(xué)習(xí)下@數(shù)字羅塞塔計(jì)劃的解讀。
一、載體概述
目前市面上常見的檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體包括磁存儲(chǔ)載體、光存儲(chǔ)載體、電存儲(chǔ)載體、膠片存儲(chǔ)載體四大類(簡稱：磁、光、電、膠)，每類存儲(chǔ)載體又包含一些細(xì)分類型，如下表所示。
下面分別對(duì)各類存儲(chǔ)載體的技術(shù)原理、分類和特點(diǎn)進(jìn)行簡要分析，并給出典型檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體的特性比較。
二、磁存儲(chǔ)載體
2.1 技術(shù)原理
磁存儲(chǔ)技術(shù)的工作原理是通過改變磁粒子的極性在磁性載體上記錄數(shù)據(jù)，是一種非易失性存儲(chǔ)。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭將存儲(chǔ)載體上的磁粒子極性轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，進(jìn)行寫操作的原理也是如此。
2.2 分類和特點(diǎn)
由于軟磁盤已經(jīng)退出市場，目前磁存儲(chǔ)載體主要包括磁帶和磁盤。
1)磁帶
磁帶是一種用于記錄聲音、圖像、數(shù)字或其他信號(hào)的載有磁層的帶狀材料，比較常見的磁帶有錄音帶、錄像帶、數(shù)據(jù)流磁帶等。而存儲(chǔ)市場上常說的磁帶是指數(shù)據(jù)流磁帶。磁帶存儲(chǔ)技術(shù)中用于記錄數(shù)據(jù)的磁帶載體與用于讀寫記錄在磁帶載體上數(shù)據(jù)信息的磁帶驅(qū)動(dòng)器是可分離的，磁帶載體可脫機(jī)單獨(dú)存放，執(zhí)行讀寫操作時(shí)需要提前將磁帶加載到磁帶驅(qū)動(dòng)器中。磁帶載體通過涂布在磁帶表面的磁性顆粒記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀寫方式為順序記錄和快速定位讀取。磁帶不易受顛簸、地震等震動(dòng)的影響，具有良好的加密機(jī)制，對(duì)于需長期保存的海量靜態(tài)歸檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有一定的優(yōu)勢(shì)。
在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，磁帶主要用于大容量檔案數(shù)據(jù)的離線備份。磁帶存儲(chǔ)主要具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
成本低：磁帶存儲(chǔ)設(shè)備的購買、維護(hù)和存儲(chǔ)成本較低，載體可重復(fù)利用;
能耗低：磁帶的保存對(duì)電力的消耗較低，新的“綠色”磁帶驅(qū)動(dòng)器的功率大約為5瓦;
體積小、易攜帶：磁帶有比較高的便攜性，屬于可移動(dòng)的媒介，重量輕，占用空間小。
缺點(diǎn)
保存環(huán)境要求高：溫度、濕度、磁場和灰塵會(huì)導(dǎo)致磁帶變形、退化、粘連、發(fā)霉、磁化和磁層磨損，每間隔2-3年需要倒帶一次;
讀寫速度慢：磁帶庫在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，是采用線性尋址方式定位數(shù)據(jù)位置，尋址速度慢，所需時(shí)間要用分鐘來計(jì)量，不能滿足數(shù)據(jù)非連續(xù)性快速訪問的需求;
兼容性差：磁帶格式不兼容，LTO最多只能向下兼容兩代，這就造成如果老磁帶設(shè)備被淘汰，磁帶上的數(shù)據(jù)將無法讀取。
2)磁盤
磁盤是指利用磁記錄技術(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，目前使用的磁盤主要是硬磁盤，俗稱硬盤或機(jī)械硬盤。磁盤是計(jì)算機(jī)主要的存儲(chǔ)載體，可以存儲(chǔ)大量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且斷電后也能保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。
磁盤主要由用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的磁盤片、用于讀寫數(shù)據(jù)信息的磁頭、用于盤片轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)、磁頭控制器、磁盤控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口部件、數(shù)據(jù)緩存和磁盤控制軟件等幾個(gè)部分組成。一般磁盤內(nèi)都有多個(gè)盤片，每個(gè)盤片的正反二面都能記錄數(shù)據(jù)信息。一個(gè)磁盤內(nèi)盤片越多、每個(gè)盤片上磁道越多或者每個(gè)磁道上磁載體密度越高，則數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)容量就越大，數(shù)據(jù)記錄速度就越快。
磁盤能實(shí)現(xiàn)檔案數(shù)據(jù)的快速記錄和讀取，因此，在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，磁盤主要用于大容量檔案數(shù)據(jù)的在線存儲(chǔ)。磁盤存儲(chǔ)主要具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
讀寫速度快：磁盤對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問、檢索等操作時(shí)非常迅速，讀寫速度可達(dá)到400MB/s;
存儲(chǔ)容量大：隨著硬盤的不斷發(fā)展，單塊硬盤的容量已經(jīng)達(dá)到20TB。
缺點(diǎn)
載體壽命短：磁盤的壽命一般在5-8年，因此在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)保存數(shù)據(jù)就需要不斷遷移數(shù)據(jù)、更換硬盤;
環(huán)境要求高：硬盤工作過程中需要電力持續(xù)供給，同時(shí)需要冷卻系統(tǒng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行降溫，電力能源消耗大;
安全性較低：檔案數(shù)據(jù)需要保持其原始性，但硬盤記錄是可以被更改的，會(huì)面臨黑客攻擊或人為修改的風(fēng)險(xiǎn)。
三、光存儲(chǔ)載體
3.1 技術(shù)原理
光存儲(chǔ)技術(shù)是用激光照射載體，通過激光與載體的相互作用使載體發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而將信息存儲(chǔ)下來的技術(shù)。光存儲(chǔ)技術(shù)以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式來存儲(chǔ)信息，定義激光刻出的小坑代表二進(jìn)制的“1”,而空白處則代表二進(jìn)制的“0”。
光驅(qū)的主要部分就是激光發(fā)生器和光監(jiān)測器。光驅(qū)上的激光發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)激光二極管，可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)波長的激光光束，然后經(jīng)過一系列的處理后射到光盤上，經(jīng)由光監(jiān)測器捕捉反射回來的信號(hào)，從而識(shí)別實(shí)際數(shù)據(jù)。如果光盤不反射激光，則代表那里有一個(gè)小坑，從而識(shí)別出二進(jìn)制的“1”，如果激光被反射回來，則識(shí)別出二進(jìn)制的“0”。光盤在光驅(qū)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)，激光頭在電機(jī)的控制下前后移動(dòng)，光盤中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就這樣源源不斷地被讀取出來了。
3.2 分類和特點(diǎn)
光盤分為CD、DVD和BD藍(lán)光光盤等幾種類型，這幾種類型的光盤，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，但主要原理是一致的。CD光盤目前已經(jīng)停產(chǎn)，但歷史保有量較大;DVD光盤還在生產(chǎn)，但使用已經(jīng)越來越少;BD光盤正處于推廣應(yīng)用期，在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。以下主要對(duì)BD光盤進(jìn)行介紹。
BD藍(lán)光光盤可用于高品質(zhì)影音存儲(chǔ)以及高容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。藍(lán)光光盤的命名是由于其采用波長405納米的藍(lán)紫色激光光束來進(jìn)行讀寫操作(傳統(tǒng)DVD采用650納米波長的紅光讀寫器，CD則采用780納米波長)。藍(lán)光極大地提高了光盤的存儲(chǔ)容量，單盤容量可達(dá)100GB以上，目前市場上已經(jīng)在推廣使用的最大單盤BD容量為200GB(8層，也即雙面各4層)。對(duì)于光存儲(chǔ)產(chǎn)品來說，藍(lán)光提供了一個(gè)跨越式發(fā)展的機(jī)會(huì)。
在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，藍(lán)光光盤主要用于檔案數(shù)據(jù)的近線存儲(chǔ)和離線備份。
藍(lán)光存儲(chǔ)主要具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)
載體壽命長：藍(lán)光存儲(chǔ)載體可靠、壽命長，高質(zhì)量的光存儲(chǔ)載體壽命至少可達(dá) 30年;
成本低：與電存儲(chǔ)、硬盤、膠片等其他幾種存儲(chǔ)載體相比，光盤具有單位存儲(chǔ)容量成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。光存儲(chǔ)可通過多層、多階、多維以及納米超分辨等技術(shù)手段，存儲(chǔ)密度會(huì)顯著提高到TB級(jí)，單位存儲(chǔ)容量的成本有望進(jìn)一步降低;
環(huán)境要求低：藍(lán)光存儲(chǔ)在保存信息時(shí)幾乎不消耗能量，僅在讀寫時(shí)耗能，而且無需空調(diào)散熱。在長期保存情況下光存儲(chǔ)的能耗只有硬盤存儲(chǔ)的1/500;
安全性高：藍(lán)光存儲(chǔ)是典型的WORM(Write Once Read Many，一次寫多次讀)存儲(chǔ)，并且具有抗自然災(zāi)害、抗磁暴、抗人為數(shù)據(jù)刪除的優(yōu)點(diǎn)。
缺點(diǎn)
訪問速度較慢：光盤的讀取，由于需要將光盤加載到光驅(qū)中，造成了數(shù)據(jù)讀取時(shí)，訪問速度要比硬盤慢得多;
載體不可重復(fù)利用：用于檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的藍(lán)光光盤采用一次寫入，不可擦寫的記錄方式，載體無法多次重復(fù)利用。
四、電存儲(chǔ)載體
4.1 技術(shù)原理
電存儲(chǔ)載體主要指用半導(dǎo)體集成電路工藝制成的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的固態(tài)電子器件，簡稱半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它由大量相同的存儲(chǔ)單元和輸入、輸出電路等構(gòu)成。每個(gè)存儲(chǔ)單元有兩個(gè)不同的表征態(tài)“0”和“1”，用以存儲(chǔ)不同的信息。
同磁性存儲(chǔ)器相比，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有存取速度快、存儲(chǔ)容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，并且存儲(chǔ)單元陣列和主要外圍邏輯電路兼容，可制作在同一芯片上，使輸入輸出接口大為簡化。因此，在計(jì)算機(jī)高速存儲(chǔ)領(lǐng)域，磁性存儲(chǔ)器已逐漸被半導(dǎo)體存儲(chǔ)器所替代。
4.2 分類和特點(diǎn)
電存儲(chǔ)載體的產(chǎn)品非常多，市場上常見的包括固態(tài)硬盤、閃存、U盤、CF卡、SD卡、MMC卡、SM卡、記憶棒(Memory Stick)、xD卡等。基于非易失閃存芯片的固態(tài)硬盤是半導(dǎo)體存儲(chǔ)的主要類別，其內(nèi)部構(gòu)造比較簡單，固態(tài)硬盤內(nèi)主體其實(shí)就是一塊PCB板，而這塊PCB板上最基本的配件就是控制芯片，緩存芯片(部分低端硬盤無緩存芯片)、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的閃存芯片和接口電路。
固態(tài)硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)
讀寫速度快：采用閃存作為存儲(chǔ)載體，讀取速度相對(duì)機(jī)械硬盤更快，持續(xù)讀寫速度超過了500MB/s。與之相關(guān)的還有極低的存取時(shí)間，最常見的7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間一般為12-14毫秒，而固態(tài)硬盤可以輕易達(dá)到0.1毫秒甚至更低;
防震抗摔：固態(tài)硬盤是使用閃存顆粒制作而成，所以固態(tài)硬盤內(nèi)部不存在任何機(jī)械部件，這樣即使在高速移動(dòng)甚至伴隨翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也不會(huì)影響到正常使用，而且在發(fā)生碰撞和震蕩時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)丟失的可能性降到最小;
低功耗：固態(tài)硬盤的功耗上要低于傳統(tǒng)硬盤。
缺點(diǎn)
壽命限制：固態(tài)硬盤使用的閃存芯片具有擦寫次數(shù)限制的問題，雖然固態(tài)硬盤的每個(gè)扇區(qū)可以重復(fù)擦寫100000次，但如果對(duì)某一扇區(qū)進(jìn)行多次反復(fù)讀寫的情況下，固態(tài)硬盤的實(shí)際壽命尚未經(jīng)考驗(yàn);
成本高：每單位容量價(jià)格是傳統(tǒng)硬盤的5~10倍(基于閃存)，甚至200~300倍(基于DRAM)。
需要說明的是：由于固態(tài)硬盤的主要優(yōu)點(diǎn)(處理速度快)對(duì)于檔案數(shù)據(jù)長期保存而言意義不大，而其價(jià)格相對(duì)于同等容量的硬磁盤而言又很高，所以固態(tài)硬盤目前在檔案數(shù)據(jù)長期保存領(lǐng)域基本沒有應(yīng)用。未來，隨著固態(tài)硬盤成本的不斷降低，性價(jià)比進(jìn)一步提升，固態(tài)硬盤有望逐步取代硬磁盤，從而成為檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種重要載體。
五、膠片存儲(chǔ)載體
5.1 技術(shù)原理
在常規(guī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，一般不會(huì)將膠片作為一種載體納入其中，但在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，膠片卻是重要的長期保存和異質(zhì)備份載體。用于檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是銀鹽感光膠片，銀鹽感光膠片實(shí)際上是指涂覆在片基上的感光涂層采用明膠型銀鹽乳劑，由懸浮在明膠中對(duì)光敏感的鹵化銀顆粒組成，當(dāng)光線射到膠片的乳劑層上并到達(dá)鹵化銀晶體時(shí)，這些晶體發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，并與鄰近也受到光線照射的鹵化銀晶體相互聚結(jié)起來。乳劑層接收到的光量愈多，就有愈多的晶體聚結(jié)在一起;光量愈少，晶體的變化和聚結(jié)也愈少;沒有光落到上面，也就沒有晶體的變化和聚結(jié)。膠片感光之后，再經(jīng)過沖洗(顯影、定影、清洗、晾干)即可完成信息記錄過程。
5.2 分類和特點(diǎn)
感光膠片在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上的應(yīng)用主要包括兩種方式：一種是是數(shù)轉(zhuǎn)膠(縮微膠片)，一種是數(shù)轉(zhuǎn)膠轉(zhuǎn)數(shù)(數(shù)字膠片)。
縮微膠片采用“數(shù)→膠”的方式來存儲(chǔ)檔案圖像數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)輸出縮微品( Computer Output Microform, COM)技術(shù)為特色，直接將計(jì)算機(jī)文件輸出為可讀的縮微影像記錄在膠片上，一般處理對(duì)象為紙質(zhì)檔案掃描之后的圖像文件。這種方式自動(dòng)化程度和效率相對(duì)較高，但會(huì)導(dǎo)致文件信息丟失，破壞了文件的原始性，很多文件格式(比如數(shù)據(jù)庫文件、三維CAD文件、音視頻文件等)根本無法保存。
數(shù)字膠片采用“數(shù)→膠→數(shù)”的膠片應(yīng)用新模式，將擬保存的檔案數(shù)字資源(數(shù)據(jù)包)經(jīng)編碼處理之后生成高密度二維碼圖像打印到膠片上，未來可以通過光學(xué)儀器讀取膠片上的編碼圖像進(jìn)行解碼處理之后還原成原始數(shù)據(jù)，這樣就可以直接在膠片中保存任意格式的數(shù)字信息，確保了檔案數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，突破了傳統(tǒng)膠片的技術(shù)局限性，充分發(fā)揮了膠片作為長期保存載體和異質(zhì)備份載體的獨(dú)特價(jià)值。
膠片載體的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)
檔案膠片具有法律憑證作用：《檔案法實(shí)施辦法》對(duì)檔案縮微品的法律地位作了規(guī)定，“檔案縮微品，載有檔案收藏單位法定代表人的簽名或者印章標(biāo)記的，具有與檔案原件同等的效力?！?
滿足檔案異質(zhì)備份要求：所謂異質(zhì)實(shí)際上指的是檔案資源存儲(chǔ)信息的形態(tài)差異(詳見本公眾號(hào)文章《檔案異質(zhì)備份的“異質(zhì)”指的是“介質(zhì)”嗎?》)，因此只有類似于“數(shù)→膠”這種數(shù)字形態(tài)與模擬形態(tài)之間的信息轉(zhuǎn)換才是符合要求的異質(zhì)備份;
保存時(shí)間長：在一定的保管條件下，膠片可以保存數(shù)百年，保存時(shí)間之長是其他存儲(chǔ)載體無可比擬的。拍攝于1878年的第一組動(dòng)圖“The horse in motion”，其底片到現(xiàn)在依然可以沖洗，至今已超過140年。
缺點(diǎn)
制作成本高：檔案膠片載體本身、沖洗液等耗材成本都很高，制作加工成本也不低，保管環(huán)境條件要求相對(duì)較高，一般只適合于珍貴和重要檔案數(shù)字資源的長期保存與異質(zhì)備份;
讀取速度慢：和磁帶一樣，膠片的讀取也是按照線性尋址方式定位數(shù)據(jù)位置，再加上膠片通常都是打卷之后裝盒保存，讀取速度慢。
六、典型檔案存儲(chǔ)載體特性比較
從前面的介紹和分析可知，目前在檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域(特別是檔案數(shù)字資源長期保存領(lǐng)域)應(yīng)用的存儲(chǔ)載體主要是磁帶、硬盤、藍(lán)光光盤和檔案膠片(縮微膠片和數(shù)字膠片)。下面對(duì)這四種存儲(chǔ)載體的特性進(jìn)行對(duì)比分析，如下表所示：
從以上表格可以看出，每種存儲(chǔ)載體都有各自的優(yōu)劣勢(shì)，單一的載體并不能很好的解決檔案數(shù)據(jù)長期安全保存問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)充分發(fā)揮各種存儲(chǔ)載體的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合應(yīng)用，并結(jié)合完善的管理策略，才能滿足檔案數(shù)字資源長期安全保存的要求。
