Спецификация записываемых оптических дисков CD-R

Введение

Спецификация записываемого оптического диска.

CD-R (Compact Disc recordable) – это цифровой формат хранения данных на оптических дисках. Диск CD-R – это компакт-диск, который можно записать один раз и многократно прочитать. Диски CD-R (CD-Rs) совместимы с большинством CD-приводов, выпущенных до появления технологии CD-RW, в отличие от дисков CD-RW.

История

Первоначально названная CD Write Once (WO), спецификация CD-R впервые была опубликована в 1988 году компаниями Philips и Sony в Orange Book, которая состоит из нескольких частей, содержащих подробную информацию о CD-WO, CD-MO (Magneto Optic) и, позднее, CD-RW (Re Writable). В последних изданиях от использования термина CD-WO отказались в пользу CD-R, в то время как CD-MO использовался редко. Записанные CD-R и CD-RW, с точки зрения низкоуровневого кодирования и формата данных, полностью совместимы со стандартами Audio CD (Red Book CD-DA) и CD данных (Yellow Book CD-ROM). Стандарт Yellow Book для CD-ROM определяет только формат данных высокого уровня и ссылается на Red Book для всех физических форматов и деталей кода низкого уровня, таких как шаг трека, линейная плотность битов и кодирование битового потока. Это означает, что они используют модуляцию Eight to Fourteen Modulation, коррекцию ошибок CIRC и, для CD-ROM, третий уровень коррекции ошибок, определенный в Yellow Book. Правильно записанные диски CD-R на заготовках длиной менее 80 минут полностью совместимы со стандартами Audio CD и CD-ROM во всех деталях, включая физические спецификации. 80-минутные диски CD-R незначительно нарушают спецификации физического формата Red Book, а диски большей длины не соответствуют требованиям. Диски CD-RW имеют более низкую отражательную способность, чем CD-R или прессованные (неперезаписываемые) CD, и по этой причине не могут соответствовать стандарту Red Book. Некоторые устройства, совместимые с CD Red Book, могут испытывать трудности при чтении CD-R и, из-за их более низкой отражательной способности, особенно CD-RW. В той степени, в которой CD-оборудование может читать диски увеличенной длины или CD-RW, это происходит потому, что такое оборудование обладает возможностями, превышающими минимальные требования стандартов Red Book и Yellow Book (оборудование более производительное, чем необходимо для получения логотипа Compact Disc). Системы записи CD-R, доступные в 1990 году, напоминали Meridian CD Publisher размером со стиральную машину, основанную на двухблочном рэковом аудиорекордере Yamaha PDS стоимостью 35 000 долларов США, не включая необходимую внешнюю схему ECC для кодирования данных, подсистему SCSI жестких дисков и управляющий компьютер MS DOS. 3 июля 1991 года была сделана первая запись концерта непосредственно на CD с использованием Yamaha YPDR 601. Концерт был исполнен Клаудио Бальони на стадионе Фламинио в Риме, Италия. В то время предполагалось, что срок службы записываемых CD не превысит 10 лет. Однако, по состоянию на июль 2020 года, CD с этой живой записи по-прежнему воспроизводится без необратимых ошибок. В том же году CDRM Recordable Media стала первой компанией, успешно и профессионально дублировавшей носители CD-R. В связи с ограниченным предложением качественных технических носителей от Taiyo Yuden, ранние CD-R использовали краситель фталоцианин для дублирования, который имеет светло-аквамариновый цвет. К 1992 году стоимость типичных записывающих устройств снизилась до 10 000–12 000 долларов, а в сентябре 1995 года Hewlett Packard представила свою модель 4020i, произведенную Philips, которая по цене 995 долларов США стала первым записывающим устройством стоимостью менее 1000 долларов. К 2010-м годам устройства, способные записывать на CD-R и другие типы перезаписываемых CD, можно было приобрести менее чем за 20 долларов. Разработанные Taiyo Yuden материалы красителей сделали возможным совместимость дисков CD-R с дисками Audio CD и CD-ROM. В Соединенных Штатах существует разделение рынка между CD-R для "музыки" и CD-R для "данных", первые из которых значительно дороже вторых из-за соглашений об авторских правах с RIAA. В частности, цена каждого музыкального CD-R включает обязательный роялти, выплачиваемый членам RIAA производителем диска; это присваивает диску "флаг приложения", указывающий на то, что роялти был уплачен. Автономные потребительские музыкальные рекордеры отказываются записывать CD-R, у которых отсутствует этот флаг. Профессиональные CD-рекордеры не подпадают под это ограничение и могут записывать музыку на диски данных. Оба типа дисков функционально и физически идентичны, за исключением этого, и компьютерные CD-записывающие устройства могут записывать данные и/или музыку на любой из них. Новые музыкальные CD-R по-прежнему производятся по состоянию на конец 2010-х годов, хотя спрос на них снизился, поскольку музыкальные рекордеры на основе CD были заменены другими устройствами, включающими ту же или аналогичную функциональность. До появления CD-R компания Tandy Corporation объявила о перезаписываемой CD-системе, известной как Tandy High Density Optical Recording (THOR), заявляя о поддержке стираемых и перезаписываемых дисков, что стало возможным благодаря "секретному покрывающему материалу", на который Tandy подала заявки на патенты, и, по сообщениям, частично основана на процессе, разработанном Optical Data Inc. Также известная как Tandy High Intensity Optical Recording system, носители THOR CD предназначались для воспроизведения в существующих CD-плеерах, будучи совместимыми с существующим аудио- и CD-ROM оборудованием, при этом сами диски использовали слой, в котором "метки", "выпуклости" или "ямы", считываемые обычным CD-плеером, могли быть установлены и удалены из среды с помощью лазера, работающего на другой частоте. Объявление Tandy было достаточно неожиданным, чтобы "застать врасплох полдюжины отраслей", заявив о доступности потребительских аудио- и видеопродуктов стоимостью менее 500 долларов к концу 1990 года. Объявление вызвало энтузиазм, но также и скептицизм относительно способности Tandy реализовать систему.

Originally named CD Write Once (WO), the CD R specification was first published in 1988 by Philips and Sony in the Orange Book, which consists of several parts that provide details of the CD WO, CD MO (Magneto Optic), and later CD RW (Re Writable). The latest editions have abandoned the use of the term CD WO in favor of CD R, while CD MO was rarely used. Written CD Rs and CD RWs are, in the aspect of low level encoding and data format, fully compatible with the audio CD (Red Book CD DA) and data CD (Yellow Book CD ROM) standards. The Yellow Book standard for CD ROM only specifies a high level data format and refers to the Red Book for all physical format and low level code details, such as track pitch, linear bit density, and bitstream encoding. This means they use Eight to Fourteen Modulation, CIRC error correction, and, for CD ROM, the third error correction layer defined in the Yellow Book. Properly written CD R discs on blanks of less than 80 minutes in length are fully compatible with the audio CD and CD ROM standards in all details including physical specifications. 80 minute CD R discs marginally violate the Red Book physical format specifications, and longer discs are non compliant. CD RW discs have lower reflectivity than CD R or pressed (non writable) CDs and for this reason cannot meet the Red Book standard. Some hardware compatible with Red Book CDs may have difficulty reading CD Rs and, because of their lower reflectivity, especially CD RWs. To the extent that CD hardware can read extended length discs or CD RW discs, it is because that hardware has capability beyond the minimum required by the Red Book and Yellow Book standards (the hardware is more capable than it needs to be to bear the Compact Disc logo). CD R recording systems available in 1990 were similar to the washing machine sized Meridian CD Publisher, based on the two piece rack mount Yamaha PDS audio recorder costing $35,000, not including the required external ECC circuitry for data encoding, SCSI hard drive subsystem, and MS DOS control computer. On July 3, 1991, the first recording of a concert directly to CD was made using a Yamaha YPDR 601. The concert was performed by Claudio Baglioni at the Stadio Flaminio in Rome, Italy. At that time, it was generally anticipated that recordable CDs would have a lifetime of no more than 10 years. However, as of July 2020 the CD from this live recording still plays back with no uncorrectable errors. In the same year, the first company to successfully & professionally duplicate CD R media was CDRM Recordable Media. With quality technical media being limited from Taiyo Yuden, Early CD R Media used Phthalocyanine dye for duplication, which has a light aqua color. By 1992, the cost of typical recorders was down to $10,000–12,000, and in September 1995, Hewlett Packard introduced its model 4020i manufactured by Philips, which, at $995, was the first recorder to cost less than $1000. As of the 2010s, devices capable of writing to CD Rs and other types of writable CDs could be found under $20. The dye materials developed by Taiyo Yuden made it possible for CD R discs to be compatible with Audio CD and CD ROM discs. In the United States, there is a market separation between "music" CD Rs and "data" CD Rs, the former being notably more expensive than the latter due to industry copyright arrangements with the RIAA. Specifically, the price of every music CD R includes a mandatory royalty disbursed to RIAA members by the disc manufacturer; this grants the disc an "application flag" indicating that the royalty has been paid. Consumer standalone music recorders refuse to burn CD Rs that are missing this flag. Professional CD recorders are not subject to this restriction and can record music to data discs. The two types of discs are functionally and physically identical other than this, and computer CD burners can record data and/or music to either. New music CD Rs are still being manufactured as of the late 2010s, although demand for them has declined as CD based music recorders have been supplanted by other devices incorporating the same or similar functionality. Prior to CD R, Tandy Corporation had announced a rewritable CD system known as the Tandy High Density Optical Recording (THOR) system, claiming to offer support for erasable and rewritable discs, made possible by a "secret coating material" on which Tandy had applied for patents, and reportedly based partly on a process developed by Optical Data Inc., Known also as the Tandy High Intensity Optical Recording system, THOR CD media was intended to be playable in existing CD players, being compatible with existing CD audio and CD ROM equipment, with the discs themselves employing a layer in which the "marks", "bumps" or "pits" readable by a conventional CD player could be established in, and removed from, the medium by a laser operating at a different frequency. Tandy's announcement was surprising enough to "catch half a dozen industries off guard", claiming availability of consumer level audio and video products below $500 by the end of 1990, The announcement attracted enthusiasm but also skepticism of Tandy's capability to deliver the system,

Физические характеристики

Стандартный CD-R представляет собой толстый диск из поликарбоната диаметром около 120 мм (5"). 120-мм (5-дюймовый) диск имеет емкость хранения 74 минуты аудио или 650 мегабайт (МБ) данных. CD-R/RW доступны с емкостью 80 минут аудио или 737 280 000 байт (700 МБ), что достигается путем формования диска с максимально допустимыми допусками, указанными в стандартах Orange Book CD-R/CD-RW. Инженерный запас, зарезервированный для производственной толерантности, был использован для увеличения емкости данных, не оставляя допуска для производства; чтобы эти диски действительно соответствовали стандарту Orange Book, производственный процесс должен быть безупречным. Несмотря на это, большинство CD-R на рынке имеют емкость 80 минут. Существуют также диски емкостью 90 минут/790 МБ и 99 минут/870 МБ, хотя они менее распространены и отклоняются от стандарта Orange Book. Из-за ограничений структуры данных в ATIP, 90-минутные и 99-минутные диски будут определяться как 80-минутные. Поскольку ATIP является частью стандарта Orange Book, его конструкция не поддерживает некоторые нестандартные конфигурации дисков. Для использования дополнительной емкости эти диски необходимо записывать с использованием опций overburn в программном обеспечении для записи CD. Overburn (запись сверх нормы) так называется, поскольку выходит за рамки письменных стандартов, но, благодаря рыночному спросу, де-факто стала стандартной функцией в большинстве приводов и программного обеспечения для записи CD. Некоторые приводы используют специальные методы, такие как GigaRec от Plextor или HD BURN от Sanyo, для записи большего объема данных на диск; эти методы являются отклонениями от стандартов компакт-дисков (Red, Yellow и/или Orange Book), что делает записанные диски проприетарными и не полностью совместимыми со стандартными CD-плеерами и дисководами. В определенных случаях, когда диски не будут распространяться или обмениваться за пределами закрытой группы и не будут архивироваться на длительный срок, проприетарный формат может быть приемлемым способом получения большей емкости (до 1,2 ГБ с GigaRec или 1,8 ГБ с HD BURN на 99-минутных носителях). Наибольший риск использования такого формата хранения данных, при условии его надежной работы, заключается в том, что может быть сложно или невозможно отремонтировать или заменить оборудование для чтения носителей в случае его выхода из строя, повреждения или утери после прекращения выпуска оригинального поставщика. Ничто в стандартах Red, Yellow или Orange Book не запрещает устройствам чтения/записи дисков иметь возможность читать/записывать диски, выходящие за рамки стандартов компакт-дисков. Стандарты требуют, чтобы диски соответствовали точным требованиям для обозначения как компакт-диски, но другие диски могут называться по-другому; если бы это не было так, ни один DVD-дисковод не мог бы законно использовать логотип компакт-диска. Хотя дисководы и проигрыватели могут иметь возможности, выходящие за рамки стандартов, позволяющие им читать и записывать нестандартные диски, в отсутствие явных дополнительных спецификаций производителя, помимо обычной сертификации логотипа компакт-диска, нет гарантии, что какой-либо конкретный проигрыватель или дисковод будет работать выше стандартов вообще или последовательно. Если то же устройство без явных характеристик производительности, кроме логотипа компакт-диска, первоначально надежно обрабатывает нестандартные диски, нет гарантии, что оно не перестанет делать это позже, и в этом случае нет гарантии, что его можно будет заставить работать снова путем обслуживания или настройки. Диски емкостью более 650 МБ, и особенно более 700 МБ, менее взаимозаменяемы между проигрывателями/дисководами, чем стандартные диски, и не очень подходят для архивного использования, поскольку их читаемость на будущем оборудовании или даже на том же оборудовании в будущем не гарантирована, если они специально не будут протестированы и сертифицированы в этой комбинации, даже при условии, что диски вообще не будут деградировать. Поликарбонатный диск содержит спиральную канавку, называемую предканавкой, поскольку она отформована до записи данных на диск; она направляет лазерный луч при записи и чтении информации. Предканавка отформована на верхней стороне поликарбонатного диска, где ямы и пространства были бы отформованы, если бы это был штампованный, не перезаписываемый CD Red Book. Нижняя сторона, обращенная к лазерному лучу в проигрывателе или дисководе, плоская и гладкая. Поликарбонатный диск покрыт со стороны предканавки очень тонким слоем органического красителя. Затем, поверх красителя наносится тонкий отражающий слой из серебра, сплава серебра или золота. Наконец, на верхнюю часть металлического отражателя наносится защитное покрытие из фотополимеризуемого лака и отверждается ультрафиолетовым светом. Пустой CD-R не "пуст"; предканавка имеет колебания (ATIP), которые помогают записывающему лазеру оставаться на траектории и записывать данные на диск с постоянной скоростью. Поддержание постоянной скорости необходимо для обеспечения правильного размера и интервала ям и пространств, выжигаемых в слое красителя. Помимо предоставления информации о времени, ATIP (абсолютное время в предканавке) также является информационной дорожкой, содержащей информацию об производителе CD-R, используемом красителе и информации о носителе (длительность диска и т. д.). Предканавка не уничтожается при записи данных на CD-R, что используется некоторыми схемами защиты от копирования для различения копий и оригинального CD.

A standard CD R is a thick disc made of polycarbonate about 120 mm (5") in diameter. The 120 mm (5") disc has a storage capacity of 74 minutes of audio or 650 Megabytes (MBs) of data. CD R/RWs are available with capacities of 80 minutes of audio or 737,280,000 bytes (700 MB), which they achieve by molding the disc at the tightest allowable tolerances specified in the Orange Book CD R/CD RW standards. The engineering margin that was reserved for manufacturing tolerance has been used for data capacity instead, leaving no tolerance for manufacturing; for these discs to be truly compliant with the Orange Book standard, the manufacturing process must be perfect. Despite the foregoing, most CD Rs on the market have an 80 minute capacity. There are also 90 minute/790 MB and 99 minute/870 MB discs, although they are less common and depart from the Orange Book standard. Due to the limitations of the data structures in the ATIP, 90 and 99 minute blanks will identify as 80 minute ones. As the ATIP is part of the Orange Book standard, its design does not support some nonstandard disc configurations. In order to use the additional capacity, these discs have to be burned using overburn options in the CD recording software. Overburning itself is so named because it is outside the written standards, but, due to market demand, it has nonetheless become a de facto standard function in most CD writing drives and software for them. Some drives use special techniques, such as Plextor's GigaRec or Sanyo's HD BURN, to write more data onto a given disc; these techniques are deviations from the compact disc (Red, Yellow, and/or Orange Book) standards, making the recorded discs proprietary formatted and not fully compatible with standard CD players and drives. In certain applications where discs will not be distributed or exchanged outside a private group and will not be archived for a long time, a proprietary format may be an acceptable way to obtain greater capacity (up to 1.2 GB with GigaRec or 1.8 GB with HD BURN on 99 minute media). The greatest risk in using such a proprietary data storage format, assuming that it works reliably as designed, is that it may be difficult or impossible to repair or replace the hardware used to read the media if it fails, is damaged, or is lost after its original vendor discontinues it. Nothing in the Red, Yellow, or Orange Book standards prohibits disc reading/writing devices from having the capacity to read/write discs beyond the compact disc standards. The standards do require discs to meet precise requirements in order to be called compact discs, but the other discs may be called by other names; if this were not true, no DVD drive could legally bear the compact disc logo. While disc players and drives may have capabilities beyond the standards, enabling them to read and write nonstandard discs, there is no assurance, in the absence of explicit additional manufacturer specifications beyond normal compact disc logo certification, that any particular player or drive will perform beyond the standards at all or consistently. If the same device with no explicit performance specs beyond the compact disc logo initially handles nonstandard discs reliably, there is no assurance that it will not later stop doing so, and in that case, there is no assurance that it can be made to do so again by service or adjustment. Discs with capacities larger than 650 MB, and especially those larger than 700 MB, are less interchangeable among players/drives than standard discs and are not very suitable for archival use, as their readability on future equipment, or even on the same equipment at a future time, is not assured unless specifically tested and certified in that combination, even under the assumption that the discs will not degrade at all. The polycarbonate disc contains a spiral groove, called the pregroove because it is molded in before data are written to the disc; it guides the laser beam upon writing and reading information. The pregroove is molded into the top side of the polycarbonate disc, where the pits and lands would be molded if it were a pressed, nonrecordable Red Book CD. The bottom side, which faces the laser beam in the player or drive, is flat and smooth. The polycarbonate disc is coated on the pregroove side with a very thin layer of organic dye. Then, on top of the dye is coated a thin, reflecting layer of silver, a silver alloy, or gold. Finally, a protective coating of a photo polymerizable lacquer is applied on top of the metal reflector and cured with UV light. A blank CD R is not "empty"; the pregroove has a wobble (the ATIP), which helps the writing laser to stay on track and to write the data to the disc at a constant rate. Maintaining a constant rate is essential to ensure the proper size and spacing of the pits and lands burned into the dye layer. As well as providing timing information, the ATIP (absolute time in pregroove) is also a data track containing information about the CD R manufacturer, the dye used, and media information (disc length and so on). The pregroove is not destroyed when the data are written to the CD R, a point which some copy protection schemes use to distinguish copies from an original CD.

Скорость

Скорость записи данныхСкорость записи данныхВремя записи для 80 минут/700 МБ CD-R1×150 кБ/с80 минут2×300 кБ/с40 минут4×600 кБ/с20 минут8×1.2 МБ/с10 минут12×1.8 МБ/с7 минут16×2.4 МБ/с5 минут20×3.0 МБ/с4 минуты24×3.6 МБ/с3.4 минуты (см. ниже)32×4.8 МБ/с2.5 минуты (см. ниже)40×6.0 МБ/с2 минуты (см. ниже)48×7.2 МБ/с1.7 минуты (см. ниже)52×7.8 МБ/с1.5 минуты (см. ниже)

Указанное время относится только к фактическому оптическому процессу записи на диск. Для большинства операций записи дисков требуется дополнительное время на вспомогательные процессы, такие как организация файлов и треков, что увеличивает теоретический минимальный общий срок изготовления диска. (Исключением может быть создание диска из готового ISO-образа, в этом случае вспомогательные процессы будут незначительными.) При самых низких скоростях записи время, затрачиваемое на вспомогательные процессы, значительно меньше времени фактической записи, и им можно пренебречь. Однако при более высоких скоростях записи время на вспомогательные процессы становится существенной частью общего времени изготовления диска и может значительно его увеличить. Кроме того, при скоростях выше 20x приводы используют стратегию Zoned CLV или CAV, при которой заявленная максимальная скорость достигается только на внешнем краю диска. Это не учтено в приведенной выше таблице. (Если бы это не было сделано, более высокая скорость вращения, необходимая на внутренних дорожках, могла бы привести к разрушению диска и/или чрезмерной вибрации, что сделало бы точную и успешную запись невозможной.)

Продолжительность жизни

Тесты в реальных условиях (не ускоренное старение) показали, что некоторые CD-R быстро деградируют, даже при нормальном хранении. Качество диска CD-R оказывает значительное и прямое влияние на срок службы — от дисков низкого качества не стоит ожидать долговечности. Согласно исследованиям, проведенным Ж. Пердеро, средний срок службы CD-R составляет около 10 лет. Брендинг не является надежным показателем качества, поскольку многие бренды (как известные, так и малоизвестные) не производят собственные диски. Вместо этого они закупаются у различных производителей с разным уровнем качества. Для достижения наилучших результатов необходимо проверять фактического производителя и состав материалов каждой партии дисков. Записанные CD-R подвержены деградации материала, как и большинство перезаписываемых носителей. Носитель CD-R содержит внутренний слой красителя, используемый для хранения данных. В диске CD-RW записывающий слой состоит из сплава серебра и других металлов — индия, сурьмы и теллура. В носителях CD-R сам краситель может деградировать, что приводит к невозможности чтения данных. Помимо деградации красителя, причиной выхода из строя CD-R может быть отражающий слой. Хотя серебро дешевле и более распространено, оно более подвержено окислению, что приводит к потере отражающих свойств. Золото, напротив, хотя и дороже и уже не так широко используется, является инертным материалом, поэтому CD-R на основе золота не подвержены этой проблеме. Производители оценивают срок службы CD-R на основе золота в 100 лет. Измеряя скорость возникновения корректируемых ошибок данных, можно оценить целостность данных и/или качество изготовления носителя CD-R, что позволяет надежно прогнозировать будущие потери данных, вызванные деградацией носителя.

Маркировка

Рекомендуется, если используются бумажные этикетки с клеевым слоем, чтобы этикетки были специально изготовлены для CD-R. Сбалансированный CD вибрирует незначительно при вращении на высокой скорости. Некачественные или неправильно изготовленные этикетки, а также этикетки, наклеенные не по центру, нарушают баланс CD и могут вызывать вибрацию при вращении, что приводит к ошибкам чтения и даже риску повреждения привода. Профессиональной альтернативой этикеткам для CD является предварительная печать на CD с использованием пятицветной шелкографии или офсетной печати. Также распространена практика использования перманентных маркеров. Однако растворители, содержащиеся в таких маркерах, могут воздействовать на красящий слой.

Конфиденциальность данных

Поскольку CD-R, как правило, нельзя логически стирать ни в какой степени, утилизация CD-R может представлять угрозу безопасности, если на них содержатся конфиденциальные или личные данные. Для уничтожения данных требуется физическое уничтожение диска или слоя данных. Нагрев диска в микроволновой печи в течение 10–15 секунд эффективно разрушает слой данных, вызывая искрение в металлическом отражающем слое, однако это же искрение может повредить микроволновую печь или привести к её быстрому износу. Многие офисные шредеры также предназначены для измельчения CD. Некоторые современные записывающие устройства (Plextor, LiteOn) поддерживают операции стирания на R-носителях, "перезаписывая" сохраненные данные мощным лазерным лучом, хотя стертую область нельзя использовать для записи новых данных.

Переработка

Поликарбонатный материал и возможное наличие золота или серебра в отражающем слое делают CD-R диски потенциально пригодными для переработки. Однако поликарбонат имеет очень низкую стоимость, а содержание драгоценных металлов настолько незначительно, что их извлечение экономически нецелесообразно. В результате, компании, занимающиеся переработкой CD-R дисков, как правило, не выплачивают вознаграждение за их сдачу или транспортировку.