Κεφ. 10: Δομές Αποθήκευσης

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Κεφ. 10: Δομές Αποθήκευσης"

Λήδα Δαγκλής
4 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Κεφ. 10: Δομές Αποθήκευσης Database System Concepts, 6 th Ed. See for conditions on re-use

Ταξινόμηση των μέσων φυσικής αποθήκευσης Ταχύτητα με την οποία είναι δυνατή η πρόσβαση στα δεδομένα Κόστος ανά μονάδα δεδομένων Αξιοπιστία απώλεια δεδομένων σε περίπτωση διακοπής ρεύματος ή

2 Ταξινόμηση των μέσων φυσικής αποθήκευσης Ταχύτητα με την οποία είναι δυνατή η πρόσβαση στα δεδομένα Κόστος ανά μονάδα δεδομένων Αξιοπιστία απώλεια δεδομένων σε περίπτωση διακοπής ρεύματος ή κατάρρευσης φυσική αστοχία της συσκευής αποθήκευσης Διαφοροποιούμε το μέσο αποθήκευσης σε: πτητικό: χάνει το περιεχόμενο όταν απενεργοποιηθεί η παροχή ρεύματος Μη πτητικό: Τα περιεχόμενα εξακολουθούν να υφίστανται ακόμη και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Περιλαμβάνει δευτερεύουσα και τριτεύουσα αποθήκευση και κύρια μνήμη μπαταρίας. 10.2

3 Μέσα φυσικής αποθήκευσης Cache η ταχύτερη και πιο δαπανηρή μορφή αποθήκευσης. Πτητική. Τη διαχειρίζεται το υλικό του συστήματος. Main memory: Γρήγορη πρόσβαση (10s με 100s nanoseconds. 1 nanosecond = 10 9 seconds) Γενικά είτε μικρή (ή πολύ ακριβή) για να αποθηκεύσουμε όλη τη ΒΔ σε αυτήν Μέχρι κάποια Gigabytes συνήθως Μέγεθος και κόστος αλλάζουν (περίπου με ρυθμό επί 2 κάθε 2 με 3 χρόνια) Πτητική. 10.3

4 Μέσα φυσικής αποθήκευσης Flash memory Τα δεδομένα επιβιώνουν με διακοπή ρεύματος Τα δεδομένα μπορούν να γραφτούν σε μια τοποθεσία μόνο μία φορά, αλλά η θέση μπορεί να διαγραφεί και να γραφτεί ξανά Μπορεί να υποστηρίξει μόνο έναν περιορισμένο αριθμό κύκλων εγγραφής / διαγραφής (10Κ 1Μ) Η διαγραφή της μνήμης πρέπει να γίνει σε μια ολόκληρη τράπεζα μνήμης Οι αναγνώσεις είναι περίπου τόσο γρήγορες όσο η κύρια μνήμη Αλλά οι εγγραφές είναι αργές (λίγα μικροδευτερόλεπτα), η διαγραφή είναι πιο αργή Χρησιμοποιείται ευρέως σε ενσωματωμένες συσκευές όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, τηλέφωνα και κλειδιά USB 10.4

5 Μέσα φυσικής αποθήκευσης Μαγνητικός Δίσκος Τα δεδομένα αποθηκεύονται στον περιστρεφόμενο δίσκο και διαβάζονται / γράφονται μαγνητικά Κύριο μέσο για τη μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων. Συνήθως αποθηκεύει ολόκληρη τη ΒΔ. Τα δεδομένα πρέπει να μετακινούνται από το δίσκο στην κύρια μνήμη για πρόσβαση και να γράφονται πίσω για αποθήκευση Πολύ πιο αργή πρόσβαση από την κύρια μνήμη άμεση πρόσβαση - δυνατότητα ανάγνωσης δεδομένων σε δίσκο με οποιαδήποτε σειρά, σε αντίθεση με μαγνητική ταινία Χωρητικότητες μέχρι κάποια TB Πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα και μικρότερο κόστος / byte από την κύρια μνήμη / μνήμη flash Μεγαλώνει συνεχώς Επιζεί από διακοές ρεύματος και crashes η αποτυχία δίσκου μπορεί να καταστρέψει δεδομένα, αλλά είναι σπάνια 10.5

6 Storage Hierarchy 10.6

7 Μηχανισμός μανγητικού σκληρού δίσκου 10.7

8 Μανγητικοί Σκληροί Δίσκοι Κεφαλή Read-write Τοποθετείται πολύ κοντά στην επιφάνεια - σχεδόν αγγίζει Διαβάζει ή γράφει μαγνητικά κωδικοποιημένες πληροφορίες. Η επιφάνεια διαιρείται σε κυκλικά tracks Πάνω από 50K-100K tracks ανά επιφάνεια Κάθε track διαιρείται σε sectors. Είναι η μικρότερη μονάδα δεδομένων που μπορεί να διαβαστεί ή να γραφτεί. Το μέγεθός του είναι συνήθως 512 byte Τυπικοί sectors ανά track: 500 έως 1000 (σε εσωτερικά tracks), 1000 έως 2000 (σε εξωτερικά tracks). Για ανάγνωση/εγγραφή ενός sector ο βραχίονας του δίσκου μετακινείται για να τοποθετήσει την κεφαλή στο σωστό track Η επιφάνεια περιστρέφεται συνεχώς. Τα δεδομένα διαβάζονται / εγγράφονται καθώς ο sector περνά κάτω από την κεφαλή 10.8

9 Μανγητικοί Σκληροί Δίσκοι Ελεγκτής Δίσκου Disk controller διασύνδεση μεταξύ του συστήματος υπολογιστή και του υλικού της μονάδας δίσκου. δέχεται εντολές υψηλού επιπέδου για ανάγνωση/εγγραφή sector ξεκινάει ενέργειες όπως η μετακίνηση του βραχίονα του δίσκου στο σωστό track Υπολογίζει και αποδίδει αθροίσματα ελέγχου checksums σε κάθε sector για να επαληθεύσει ότι τα δεδομένα διαβάζονται σωστά Εξασφαλίζει την επιτυχημένη εγγραφή μέσω απανανάγνωσης του τομέα μετά την εγγραφή του Εκτελεί remapping κακών bad sectors 10.9

10 Υποσύστημα Δίσκου Οικογένειες διαπροσωπείας Δίσκων ATA (AT adaptor) SATA (Serial ATA) SCSI (Small Computer System Interconnect) SAS (Serial Attached SCSI) 10.10

11 Υποσύστημα Δίσκου Οι δίσκοι συνήθως συνδέονται απευθείας με το σύστημα υπολογιστή Στα Storage Area Networks (SAN), ένας μεγάλος αριθμός δίσκων συνδέεται μέσω δικτύου υψηλής ταχύτητας σε έναν αριθμό από servers Το Network Attached Storage (NAS) παρέχει μια διασύνδεση συστήματος αρχείων που χρησιμοποιεί πρωτόκολλο δικτύου αρχείων δικτύου, αντί να παρέχει διεπαφή συστήματος δίσκου 10.11

12 Μέτρα απόδοσης των δίσκων Χρόνος πρόσβασης - ο χρόνος από όταν εκδίδεται μια αίτηση ανάγνωσης ή εγγραφής έως την έναρξη της μεταφοράς δεδομένων. Αποτελείται από: Χρόνος αναζήτησης(seek time) χρόνος που απαιτείται για επανατοποθέτιση του βραχίονα στο σωστό track. Μέσο seek time είναι το 1/2 της χειρότερης περίπτωσης. Θα ήταν 1/3 αν όλα τα tracks είχαν ίδιο αριθμό sectors και αγνοούσαμε το χρόνο για το σταμάτα-ξεκίνα του βραχίονα 4 με 10 milliseconds Rotational latency χρόνος που απαιτείται για έναν sector να εμφανιστέι κάτω από την κεφαλή Μέση τιμή είναι το 1/2 της χειρότερης περίπτωσης. 4 με 11 milliseconds (5400 έως15000 r.p.m.) Ρυθμός μετάδοσης(data-transfer rate) ο ρυθμός με τον οποίο τα δεδομένα μπορούν να ανακτηθούν ή να αποθηκευτούν στο δίσκο. 25 έως 100 MB per second το μέγιστο Πολλαπλοί δίσκοι μπορούν να μοιράζονται έναν ελεγκτή, οπότε ο ρυθμός που μπορεί να χειριστεί ο ελεγκτής είναι επίσης σημαντικός E.g. SATA: 150 MB/sec, SATA-II 3Gb (300 MB/sec) Ultra 320 SCSI: 320 MB/s, SAS (3 to 6 Gb/sec) Fiber Channel (FC2Gb or 4Gb): 256 to 512 MB/s 10.12

13 Μέτρα απόδοσης των δίσκων Mean time to failure (MTTF) Μέσος χρόνος εμφάνισης βλάβης ο μέσος χρόνος που ο δίσκος αναμένεται να λειτουργεί συνεχώς χωρίς αποτυχία Συνήθως 3 με 5 χρόνια Η πιθανότητα αποτυχίας είναι μικρή, με θεωρητικό MTTF 500,000 έως 1,200,000 ωρών για ένα νέο δίσκο Το MTTF μειώνεται καθώς ένας δίσκος «γερνά» 10.13

14 Βελτιστοποίηση της πρόσβασης σε μπλοκ δίσκου Block μια συνεχόμενη ακολουθία από σταθερό αριθμό sectors από ένα μόνο track τα δεδομένα μεταφέρονται μεταξύ του δίσκου και της κύριας μνήμης σε μπλοκ Μεγέθη ποικίλουν από 12 bytes έως αρκετά kilobytes Μικρότερα blocks: πιο πολλές μεταφορές Μεγαλύτερα blocks: περισσότερος χώρος σπαταλιέται λόγω μερικώς γεμισμένων μπλοκ Συνήθως 4 με 16 kilobytes Αλγόριθμοι δρομολόγησης δίσκου-βραχίονα προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την κίνηση του βραχίονα elevator algorithm: R6 R3 R1 R5 R2 R4 Inner track Outer track 10.14

15 Βελτιστοποίηση της πρόσβασης σε μπλοκ δίσκου Οργάνωση αρχείων - βελτιστοποίηση του χρόνου πρόσβασης μπλοκ με την οργάνωση των μπλοκ ώστε να αντιστοιχούν στον τρόπο πρόσβασης στα δεδομένα Π.χ. Αποθήκευση σχετικών δεδομένων στον ίδιο ή κοντινούς κυλίνδρους. Τα αρχεία ενδέχεται να κατακερματιστούν (fragmented) με την πάροδο του χρόνου Π.χ. Αν δεδομένα εισάγονται/διαγράφονται από το αρχείο Η ελεύθερα blocks στο δίσκο διασκορπίζονται οπότε ένα νέο αρχείο έχει τα μπλοκ του διασκορπισμένα Η σειριακή πρόσβαση σε ένα κατακερματισμένο αρχείο προκαλεί αυξημένη κίνηση βραχίονα Κάποια συστήματα έχουν εφαρμογές για defragment του συστήματος αρχείων για επιτάχυνση 10.15

RAID RAID: Redundant Arrays of Independent Disks Οργανωτικές τεχνικές διάταξης δίσκων που δίνουν την αίσθηση / όψη ενός και μόνο δίσκου με Μεγάλη χωρητικότητα και υψηλή ταχύτητα (πολλοί δίσκοι σε

16 RAID RAID: Redundant Arrays of Independent Disks Οργανωτικές τεχνικές διάταξης δίσκων που δίνουν την αίσθηση / όψη ενός και μόνο δίσκου με Μεγάλη χωρητικότητα και υψηλή ταχύτητα (πολλοί δίσκοι σε Παράλληλη Χρήση) Μεγάλη αξιοπιστία (αποθήκευση των δεδομένων με επαναληπτικότητα έτσι ώστε να γίνεται εύκολα η ανάκαμψη των δεδομένων) Η πιθανότητα να αστοχήσει ένας δίσκος σε ένα σύνολο πολλών δίσκων είναι πολύ μεγαλύτερη από το να αστοχήσει ένας συγκεκριμένος. Π.Χ, σε ένα σύστημα με 100 δίσκους, αν ο κάθε ένας έχει MTTF των 100,000 ωρών (περίπου 11 ετών), το σύστημα θα έχει MTTF των 1000 ωρών (περίπου 41 ημέρες) Αλλαγή Ονομασίας Αρχικά, το I στο RAID διαβαζόταν «inexpensive» Σήμερα το Ι διαβάζεται «independent» 10.16

17 Μεγαλύτερη αξιοπιστία μέσω πλεονασμού Redundancy (Πλεονασμός) Αποθήκευση επιπλέον πληροφορίας που δεν απαιτείται κανονικά αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε που χαλάσει ένας δίσκος ώστε να «ξανα-χτιστούν» οι χαμένες πληροφορίες Mirroring (shadowing) Κατοπτρισμός: Ένας λογικός Δίσκος αποτελείται από 2 φυσικούς δίσκους. Κάθε write γίνεται και στους 2 δίσκους Reads μπορεί να γίνουν από οποιονδήποτε Αν ο ένας δίσκος αστοχεί, τα δεδομένα είναι ακόμη διαθέσιμα Μικρή πιθανότητα να χαλάσουν και οι δύο δίσκοι ταυτόχρονα 10.17

18 Βελτίωση της απόδοσης μέσω παραλληλισμού Δύο κύριοι στόχοι του παραλληλισμού σε ένα σύστημα δίσκων: 1. Ισορροπία φορτίου για πολλαπλές μικρές προσβάσεις για την αύξηση της απόδοσης 2. Παραλληλοποίηση μεγάλων προσπελάσεων για μείωση του χρόνου απόκρισης. Βελτίωση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων καταμερίζοντας (striping) τα δεδομένα σε πολλαπλούς δίσκους. Bit-level striping μοίρασμα των ψηφίων κάθε byte σε πολλούς δίσκους Σε συστοιχία 8 δίσκων, γράψε το bit i από κάθε byte στον δίσκο i. Κάθε πρόσβαση μπορεί να διαβάσει 8 φορές πιο γρήγορα. Αλλά ο χρόνος αναζήτησης/πρόσβασης χειρότερος από ενός δίσκου Ο καταμερισμός σε επίπεδο Bit δεν χρησιμοποιείται πλέον Block-level striping με n δίσκους, το block i ενός αρχείου πάει στο δίσκο (i mod n) + 1 Αιτήματα για διαφορετικά block εκτελούνται παράλληλα αν τα block βρίσκονται σε διαφορετικούς δίσκους Αίτημα για ακολουθία από πολλά block μπορεί να χρησ/σει όλους τους δίσκους παράλληλα 10.18

19 ΕΠΙΠΕΔΑ RAID RAID Level 0: Block striping + non-redundant. Όταν μας νοιάζει η ταχύτητα και δεν ενδιαφερόμαστε αν χάσουμε δεδομένα. RAID Level 1: Mirrored disks with block striping Η καλύτερη οργάνωση για LOG αρχεία και για ταχύτητα στα WRITE 10.19

20 ΕΠΙΠΕΔΑ RAID RAID Level 2: Memory-Style Error-Correcting-Codes (bit striping) RAID Level 3: Bit-Interleaved Parity Καλό για έλεγχο λαθών σε περίπτωση αστοχίας Κάνει ότι κάνει και το Level 2, αλλά με χαμηλότερο κόστος 10.20

Σαφώς καλύτερο από το Level 3 (σε Ι/Ο και ρυθμό μεταφοράς) Μερικά

21 ΕΠΙΠΕΔΑ RAID RAID Level 4: Block-Interleaved Parity; Χρησιμοποιεί block-level striping, και κρατά parity block σε ξεχωριστό δίσκο Σαφώς καλύτερο από το Level 3 (σε Ι/Ο και ρυθμό μεταφοράς) Μερικά προβλήματα με bottlenecks (κάθε write πρέπει να υπολογίσει parity block) 10.21

Σχετικά έγγραφα

Οργάνωση Υπολογιστών (IΙI)

Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2016-17 Οργάνωση Υπολογιστών (IΙI) (συσκευές εισόδου-εξόδου) http://mixstef.github.io/courses/csintro/ Μ.Στεφανιδάκης Ένα τυπικό